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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
PROTOTIPO DE UN SENSOR DE NIVEL LÁSER
PARA TANQUES ATMOSFÉRICOS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A N
OSCAR ALEJANDRO GARCÍA GÓMEZ
MIGUEL ÁNGEL MOLINA BARRERA
FRANCISCO JAVIER REYES ACOSTA
ASESORES:
M. EN C. ERIKA VIRGINIA DE LUCIO RODRÍGUEZ
M. EN C. ADRIÁN ESTEBAN MEJÍA GARCÍA
MÉXICO, CD. DE MÉXICO. 2016
AGRADECIMIENTOS
Ing. García Gómez Oscar Alejandro: a mis padres, porque este logro es el reflejo
de su esfuerzo y el apoyo incondicional que siempre me han brindado. A mis
asesores, por brindarme la orientación necesaria para concluir este trabajo y
otorgarnos su apoyo hasta el final.
Ing. Molina Barrera Miguel Ángel: a mis padres, porque gracias a su apoyo es
que he conseguido un logro más. A mis asesores, porque con su apoyo y paciencia
se logró concluir este trabajo, el cual refleja el esfuerzo y trabajo en equipo.
Ing. Reyes Acosta Francisco Javier: a mis padres, porque sin su apoyo
incondicional no podría haber conseguido ningún logro. A mis asesores, por siempre
brindarnos su apoyo para poder concluir este trabajo.
[ii]
ÍNDICE
RESUMEN ..................................................................................................................................... viii
OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................................... ix
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................... x
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................ ix
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................... x
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... xi
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 1
1.1 TIPOS DE MEDIDORES ................................................................................................................ 2
1.1.1 MEDIDOR DE SONDA ........................................................................................................... 2
1.1.2 MEDIDOR DE NIVEL DE CRISTAL .......................................................................................... 3
1.1.3 FLOTADOR Y CINTA .............................................................................................................. 4
1.1.4 FLOTADOR Y EJE .................................................................................................................. 4
1.1.5 MEDIDOR DE NIVEL LÁSER ................................................................................................... 5
1.1.6 MEDIDOR MANOMÉTRICO .................................................................................................. 6
1.2 TIPOS DE LÁSERES ...................................................................................................................... 7
1.3 MEDICIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDO ................................................................................... 8
1.4 SENSORES Y TIPOS DE SENSORES .............................................................................................11
1.4.1 SENSORES DE CONTACTO ..................................................................................................11
1.4.2 SENSORES POR ULTRASONIDOS ........................................................................................11
1.4.3 SENSORES FOTOELÉCTRICOS .............................................................................................11
1.5 CAPTADORES ............................................................................................................................12
1.6 RECIPIENTES ATMOSFÉRICOS ...................................................................................................13
1.6.1 FABRICACIÓN DE TANQUES ATMOSFÉRICOS .....................................................................14
1.6.2 RIESGO EN TANQUES .........................................................................................................16
1.6.3 CONTROL DE RIESGOS .......................................................................................................17
1.7 MEDICIÓN DE COLOR DE LÍQUIDOS .........................................................................................19
1.8 DENSIDAD .................................................................................................................................19
1.9 HMI (HUMAN MACHINE INTERFACE) .......................................................................................22
1.9.1 NORMA ISA 101 HMI .........................................................................................................22
1.9.2 NORMATIVA PARA HMI .....................................................................................................23
[iii]
1.10 LABVIEW .................................................................................................................................25
1.10.1 INSTRUMENTOS VIRTUALES ............................................................................................25
1.10.2 FLUJO DE DATOS ..............................................................................................................26
CAPÍTULO II COMPONENTES PARA LA INTEGRACION DEL SENSOR DE NIVEL ................................27
2.1 LÁSER ........................................................................................................................................28
2.2 FOTORESISTENCIA ....................................................................................................................32
2.3 ARDUINO UNO .........................................................................................................................33
2.4 BOMBA HIDRÁULICA ................................................................................................................34
2.5 CIRCUITO DE POTENCIA............................................................................................................35
2.5.1 RELEVADOR .......................................................................................................................35
2.5.2 TRANSISTOR 2N2222a. ......................................................................................................36
2.6 CLASE DE UN SISTEMA LÁSER. ..................................................................................................37
2.7 VENTAJAS DEL PROGRAMADOR ARDUINO CONTRA MICROCONTROLADORES .......................41
CAPÍTULO III DISEÑO DEL SENSOR DE NIVEL ..................................................................................42
3.1 ETAPAS DE DISEÑO DEL PROTOTIPO ........................................................................................43
3.2 PROGRAMADOR .......................................................................................................................43
3.3 ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO EN UN PROGRAMA CAD-CAE .................................................45
3.3.1 DIODO LÁSER .....................................................................................................................45
3.3.2 FOTORRESISTENCIA ...........................................................................................................46
3.3.3 INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE EMISOR Y RECEPTOR. .......................................................46
3.3.4 CAJA DE CONTROL .............................................................................................................47
3.3.5 BOMBA ..............................................................................................................................47
3.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO .....................................................................................................48
3.5 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS ELECTRONICOS DE CONTROL Y POTENCIA ....................................49
3.5.1 CIRCUITO DE INDICADORES ...............................................................................................50
3.5.2 SIMULACIÓN VIRTUAL DEL CIRCUITO DE INDICADORES ....................................................50
3.5.3 CIRCUITO DE SENSOR DE NIVEL .........................................................................................52
3.6 DIAGRAMA DE FLUJO APLICADO AL SENSOR DE NIVEL ............................................................52
CAPÍTULO IV INTEGRACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR DE NIVEL .....................................54
4.1 ELABORACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. .........................................................................55
4.2 ELABORACIÓN DE DIAGRAMAS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS.. ..............................................57
4.2.1 PARTES DE LA TARJETA DEL CIRCUITO IMPRESO ...............................................................59
[iv]
4.2.2 ELABORACIÓN DE DIAGRAMA DE CIRCUITO DE POTENCIA PARA ELECTROVÁLVULA .......60
4.2.3 ELABORACIÓN DE DIAGRAMA DE CIRCUITO DE POTENCIA PARA LA BOMBA ...................62
4.3 CONDICIONES DE PROGRAMACIÓN.. .......................................................................................63
4.4 PRUEBAS DE SIMULACIÓN.. ......................................................................................................69
4.5 INTERFAZ EN LABVIEW.. ...........................................................................................................71
4.6 INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO.. ..............................................................................................74
4.7 INTEGRACIÓN DE LA CAJA DE CONTROL.. ................................................................................76
4.7.1 INTEGRACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA DE LA BOMBA .................................................77
4.7.2 INTEGRACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA PARA LA ELECTROVÁLVULA ............................78
4.8 INTEGRACIÓN COMPLETA.. ......................................................................................................78
4.9 PRUEBAS.. .................................................................................................................................79
4.10 COSTOS.. .................................................................................................................................81
4.10.1 COSTOS DE MATERIALES .................................................................................................81
4.10.2 COSTOS DE CADA ACTIVIDAD ..........................................................................................82
4.10.3 CALCULO DE COSTOS .......................................................................................................83
CONCLUSIONES.. ............................................................................................................................84
GLOSARIO DE TÉRMINOS Y ABREVIATURAS.. .................................................................................86
ANEXO A Norma de PEMEX para diseño de tanques atmosféricos.. ..............................................88
ANEXO B PROGRAMA DE SENSORES.. ............................................................................................89
ANEXO C Bosquejo para la interfaz con LabVIEW.. ........................................................................93
ANEXO D Hoja de datos de Arduino UNO.. .....................................................................................94
ANEXO E Hoja de datos del diodo láser.. ........................................................................................95
ANEXO F Cálculo de las resistencias para el circuito.. ....................................................................96
ANEXO G Hoja de datos del transistor 2N2222.. ............................................................................97
ANEXO H Estándar API-650 para diseño de tanques de almacenamiento.. ...................................98
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA.. ......................................................................................................99
[v]
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1.1 Medidor de sonda de varilla. .......................................................................................... 2
Figura 1.2 Medidor de sonda de varilla con gancho. ....................................................................... 3
Figura 1.3 Nivel de cristal. ................................................................................................................ 3
Figura 1.4 Nivel de flotador. ............................................................................................................ 5
Figura 1.5 Medidor de nivel láser. ................................................................................................... 6
Figura 1.6 Nivel Manométrico. ........................................................................................................ 7
Figura 1.7 Diseño de un láser de diodo semiconductor. .................................................................. 8
Figura 1.8 Nivel por ultrasonido. ..................................................................................................... 9
Figura 1.9 Composición de un sensor fotoeléctrico. ..................................................................... 12
Figura 1.10 Tanques atmosféricos. ................................................................................................ 15
Figura 2.1 Empaquetado de un láser de diodo. ............................................................................. 28
Figura 2.2 Sección perpendicular del ensamblaje de un láser de diodo. ....................................... 29
Figura 2.3 Comparación de espectros entre LED y láser. ............................................................... 29
Figura 2.4 Símbolo y funcionamiento de una fotorresistencia. ..................................................... 32
Figura 2.5 Bomba sumergible Evans de 3 watts. ........................................................................... 35
Figura 2.6 Relé interno. ................................................................................................................. 36
Figura 2.7 Transistor 2N2222a. ...................................................................................................... 37
Figura 3.1 Partes de Arduino UNO. ................................................................................................ 43
Figura 3.2 Instalación del diodo láser dentro del tanque atmosférico. ......................................... 45
Figura 3.3 Instalación de la foto resistor dentro del tanque atmosférico. ..................................... 46
Figura 3.4 Vista frontal de la instalación del tanque atmosférico. ................................................. 46
Figura 3.5 Caja de control. ............................................................................................................. 47
Figura 3.6 Bomba hidráulica. ......................................................................................................... 47
Figura 3.7 Integración de componentes de SolidWorks. ............................................................... 48
Figura 3.8 Vista isométrica del tanque atmosférico. ..................................................................... 49
Figura 3.9 Diagrama esquemático de conexión de indicadores. ................................................... 50
Figura 3.10 Simulación virtual de indicadores. .............................................................................. 51
Figura 3.11 Simulación virtual de indicadores encendidos ............................................................ 51
Figura 3.12 Diagrama esquemático de conexión de los tres niveles. ............................................ 52
Figura 3.13 Diagrama de flujo del proceso. ................................................................................... 53
[vi]
Figura 4.1 Prueba del indicador de nivel bajo. ............................................................................... 55
Figura 4.2 Prueba de los indicadores de nivel bajo y medio. ......................................................... 56
Figura 4.3 Prueba de los indicadores de los tres niveles. .............................................................. 56
Figura 4.4 Indicadores cuando no existe ningún líquido en los sensores. ..................................... 57
Figura 4.5 Diagrama esquemático de circuito de sensor de nivel.................................................. 58
Figura 4.6 PCB de circuito de sensor de nivel. ............................................................................... 59
Figura 4.7 PCB real de circuito de sensor de nivel. ........................................................................ 59
Figura 4.8 Conexión de PCB con Arduino....................................................................................... 60
Figura 4.9 Diagrama esquemático de circuito de potencia para electroválvula. ........................... 61
Figura 4.10 PCB de circuito de potencia para electroválvula. ........................................................ 61
Figura 4.11 Conexión de circuito impreso de potencia de electroválvula. .................................... 62
Figura 4.12 Diagrama esquemático de circuito de potencia para bomba. .................................... 63
Figura 4.13 PCB de circuito de potencia para bomba. ................................................................... 63
Figura 4.14 Diagrama de flujo de programación. .......................................................................... 67
Figura 4.15 Diagrama de flujo de programación. .......................................................................... 68
Figura 4. 16 Comprobación de nivel alto. ...................................................................................... 69
Figura 4.17 Comprobación de nivel medio. ................................................................................... 70
Figura 4.18 Comprobación de nivel bajo. ...................................................................................... 70
Figura 4.19 Monitor serial de salida analógica en Arduino. ........................................................... 71
Figura 4.20 Diagrama de bloques de LabView. .............................................................................. 72
Figura 4.21 Interfaz nivel bajo. ...................................................................................................... 73
Figura 4.22 Interfaz nivel medio. ................................................................................................... 73
Figura 4.23 Interfaz nivel alto. ....................................................................................................... 74
Figura 4..24 Instalación del sensor en el tanque ........................................................................... 75
Figura 4.25 Vista de colocación de láseres y fotorresistencias ...................................................... 75
Figura 4.26 Conexión de indicadores con el circuito de control. ................................................... 76
Figura 4.27 Vista del usuario de la caja de control ........................................................................ 77
Figura 4.28 Conexión de etapa de potencia de la bomba.............................................................. 77
Figura 4.29 Conexión de etapa de potencia de electroválvula. ..................................................... 78
Figura 4.30 Integración completa. ................................................................................................. 79
Figura 4.31 Prueba con leche. ....................................................................................................... 79
Figura 4.32 Prueba con colorantes. ............................................................................................... 80
[vii]
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1.1 Cuadros comparativos. ................................................................................................... 10
Tabla 1.2 Tabla de densidades. ...................................................................................................... 21
Tabla 2.1 Clases de un sistema láser. ............................................................................................. 31
Tabla 2.2 Riesgos derivables, para equipos láser adquirido, atendiendo a criterios de clasificación
obsoletos. ...................................................................................................................................... 37
Tabla 2.3 Riesgos derivables, atendiendo a criterios de la vigente clasificación (UNE EN 60825-1).
....................................................................................................................................................... 39
Tabla 4.1 Variables de programación. ........................................................................................... 64
Tabla 4.2 Entradas y salidas. .......................................................................................................... 65
Tabla 4.3 Pruebas de tensión. ........................................................................................................ 80
Tabla 4.4 Materiales ...................................................................................................................... 81
Tabla 4.5 Costos de cada actividad. ............................................................................................... 82
[viii]
RESUMEN
En el presente trabajo se tiene el propósito de construir el prototipo de un sensor de
nivel utilizando láser como tecnología
Para cumplir con los objetivos del presente trabajo el sistema se implementó en un
recipiente a escala ya que no se contaban con los recursos necesarios para la
instalación en un equipo real. En primer término, se investigaron los diferentes tipos
de medidores de nivel existentes en el mercado actual y así poder observar las
ventajas y desventajas que presentan cada uno de ellos. Después se procedió a
diseñar el sistema completo tanque-sensor láser en el software SolidWorks.
En segundo término, se procedió a realizar la programación para controlar el nivel
del recipiente atmosférico en tres diferentes niveles (bajo, medio y alto) esto gracias
al controlador Arduino.
Por último, se realizó la implementación de los sensores en el recipiente atmosférico
además de la creación de una interfaz con el software LabView para el monitoreo
del nivel del recipiente.
[ix]
OBJETIVO GENERAL
Construir un prototipo de un sensor de nivel láser para la detección de líquidos en
tanques atmosféricos, empleando tres rayos láser y un microcontrolador que
permita el llenado del tanque cuando este se encuentre vacío, así como también
una interfaz humano-máquina que permita el monitoreo del llenado.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Investigar los distintos tipos de sensores de nivel ya existentes.
Diseñar el sistema en un programa CAD-CAE.
Proponer una forma de hacer automático el proceso en el que se
encuentre el sensor, mediante un dispositivo láser y un
microcontrolador.
[ix]
JUSTIFICACIÓN En la actualidad dentro de la industria se observan los avances tecnológicos y de
ingeniería. Para tener un mejor proceso, se exige contar con elementos de
medición de calidad los cuales logren ser funcionales y eficientes.
En cualquier industria la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad
exacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla, por lo que
se debe de contar con instrumentos de mayor seguridad y exactitud.
Se plantea el prototipo y la construcción de un sistema medidor de nivel con
tecnología láser, cuya finalidad consiste en tener ventaja frente a los existentes,
capaz de proporcionar medidas de nivel con sus respectivos indicadores, así
como una buena conexión con una interfaz, que cuente con las condiciones de
seguridad adecuadas, con un costo menor al de los equipos ya empleados
actualmente, y con mayores facilidades de instalación que las que presentan
dichos equipos. Así como la velocidad de transmisión, comparado con los
distintitos sensores de nivel ya existentes.
[x]
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La medida de nivel es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de
las aplicaciones frecuentes son las medidas de los niveles de los tanques y
recipientes de todo tipo, en canales, pozos, vertederos. Esta medida sirve para
determinar el contenido de los tanques, para accionar dispositivos de alarma y
seguridad en los recipientes a presión, para el accionamiento de válvulas y
vertederos en la regulación de los tanques.
En la industria química la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad
exacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla.
La medida del nivel puede ser necesaria con precisión, con indicación del nivel
instantáneo o con registro continúo de la medida, con medición local o transmisión
a distancia de unos centenares o miles de metros.
Al investigar los distintos medidores de nivel que existen en la industria, se puede
mejorar la exactitud, además de la velocidad con la cual funcionan y todo esto sin
necesidad de tener contacto con el líquido que está dentro del tanque atmosférico.
Además de crear indicadores y un registro dentro de una computadora, mediante
una interfaz HMI, de esta manera el usuario podrá controlar el sensor
manualmente o a través de alguna computadora.
.
[xi]
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se tiene el propósito de construir un prototipo de un sensor
de nivel utilizando tecnología láser para emplearse en tanques atmosféricos, así
como también integrar la etapa de automatización. El equipo contará con las
opciones para hacer completamente automático el proceso, como hacerlo
semiautomático mediante la activación de la bomba que se utiliza para el líquido
que se deposite dentro del tanque, además de la activación de válvulas de
emergencia o válvulas que conecten con algún otro proceso al cual esté
conectado. Se analizan los distintos tipos de sensores que se utilizan desde los
analógico más antiguos hasta los más innovadores observando cuales son las
ventajas y desventajas de cada uno de ellos.
En el capítulo uno se describe los distintos tipos de sensores de nivel en general
que existen o se utilizan actualmente, también se comparan cada uno de ellos para
determinar sus ventajas y desventajas.
En el capítulo dos se determinan cada uno de los componentes que se utilizan para
la integración del prototipo, sus características y la función que tiene en cada etapa
del sensor.
En el capítulo tres se realiza el diseño mediante un software CAD del prototipo
sensor de nivel, además de los diagramas de los circuitos que lo integran y se
describen las condiciones de funcionamiento.
En el capítulo cuatro se describe la integración del prototipo para sensado de nivel,
con los componentes determinados y basado en el diseño, también se describe
el funcionamiento en general del sensor de nivel.
Además, se muestran los costos tomando en cuenta distintos factores como lo es
el tiempo, materiales e ingeniería, para la implementación del prototipo.
[1]
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se describen los conceptos básicos y necesarios para la construcción del
sensor de nivel, así como los principales métodos o técnicas y herramientas utilizadas.
[2]
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 TIPOS DE MEDIDORES
Existen en la actualidad diferentes tipos de medidores de nivel, algunos de ellos con
mayores ventajas respecto a los otros. En este apartado se incluyen los más
conocidos y los cuales se investigaron para la selección del tipo de medición de nivel
a utilizar.
1.1.1 MEDIDOR DE SONDA
Consiste en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla
dentro del depósito (figura 1.1). La determinación del nivel se efectúa por lectura
directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque
debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza, generalmente, en tanques de
fuel-oíl o gasolina. [1]
Figura 1.1 Medidor de sonda de varilla
Otro medidor consiste en una varilla graduada con un gancho que se sumerge en
el seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del
líquido (Figura 1.2). La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del
tanque representa indirectamente el nivel.
[3]
Figura 1.2 Medidor de sonda de varilla con gancho
1.1.2 MEDIDOR DE NIVEL DE CRISTAL
Consiste en un tubo de vidrio con sus externos conectados a bloques metálicos y
cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque, generalmente, mediante
tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el
escape del líquido, en caso de rotura del cristal, y una de purga (Figura 1.3). [1]
Figura 1.3 Nivel de cristal
[4]
1.1.3 FLOTADOR Y CINTA.
Consta de un flotador que puede ser de níquel, cobre o plástico el cual está
conectado mediante una cinta y a través de una polea a un contrapeso al exterior
del tanque. La posición del contrapeso indicará directamente el nivel. Su rango de
medida será igual a la altura del tanque. Este método solo sirve para tanques
abiertos, debido a la dificultad de producir un sello suficientemente hermético en la
cinta. Existe una modalidad de este instrumento en donde la polea es accionada por
un motor eléctrico, sustituyendo así el contrapeso. En este caso cuando existe se
controla le tensión de la cinta, cuando esta es inferior al valor deseado se tensa la
cinta y cuando es muy grande se deja caer, la posición del eje del motor indicará
entonces directamente el valor del nivel. Esta variante se usa en tanques con fluidos
que poseen líquidos en suspensión o cuando existe una tapa flotante en el tanque,
en cuyo caso el flotador reposa sobre la tapa.
1.1.4 FLOTADOR Y EJE.
Consiste en un flotador conectado a un eje giratorio que sale del tanque y en cuyo
extremo se encuentra una aguja indicadora, la cual indica sobre una escala el nivel
del tanque. Este método se puede utilizar en una gran variedad de líquidos, inclusive
en aquellos de alta viscosidad y en tanques cerrado con presiones hasta de 1000
psi. Es sin embargo aconsejable no usarlo para líquidos con sólidos en suspensión,
ya que estos sólidos se pueden depositar sobre el flotador produciendo un error en
la medida. En este caso el rango (H) está limitado por la longitud del brazo del
flotador (L) y el ángulo rotado (α) que no debe ser superior a 60º ya que para valores
mayores la medida se vuelve altamente no lineal. (Figura 1.4). [1]
[5]
Figura 1.4 Nivel de flotador
1.1.5 MEDIDOR DE NIVEL LÁSER
Consiste en un rayo láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la
superficie del metal fundido (Figura 1.5).
El sistema de rayo láser no es influido por los cambios de temperatura y presión, ni
por las turbulencias y las capas de gases, ni por los materiales absorbentes del
sonido y, asimismo, tampoco por los de baja constante dieléctrica (como ocurre en
el medidor de nivel de radar). Es inmune a reflexiones y ecos provocados por polvo
y al movimiento de palas del agitador.
El rayo láser emitido tiene poca divergencia lo que le permite dirigirse a través de
pequeños espacios u orificios (50 mm diámetro) y es ideal en depósitos con muchas
obstrucciones. La velocidad en la forma de datos de nivel alcanza tres lecturas por
segundo. La energía de rayo láser está limitada para que no sea necesario llevar
gafas de seguridad. Es un instrumento relativamente caro, pero es más económico
que el de radiación. [1]
[6]
Figura 1.5 Medidor de nivel láser
Actualmente, las señales que reciben los medidores de nivel láser son por impulsos
o por onda continúa modulada en alta frecuencia. En el primer caso, cada impulso
de láser llega hasta el nivel de líquido y regresa al receptor. En forma parecía a la
del nivel por radar, la distancia desde el sensor hasta el nivel se calcula por la
ecuación:
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = (𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑢𝑧)𝑥(𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜)
2
La señal pulsante tiene buena penetración a través de los líquidos y un gran
intervalo de medida, por lo que es la típica usada en aplicaciones industriales en
el sector alimenticio.
La señal láser de onda continúa está modulada en alta frecuencia y cambia de fase
al chocar contra el nivel de líquido. Cuando alcanza el receptor, el circuito
electrónico calcula la distancia midiendo el desfase entre la onda emitida y la
recibida, la frecuencia y la longitud de onda.
1.1.6 MEDIDOR MANOMÉTRICO
Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque,
la lectura del manómetro indicará directamente la altura entre el nivel del líquido y
el eje del manómetro, por lo que este se puede calibrar en unidades de nivel. Para
[7]
este instrumento se acostumbra instalar además una válvula de cierre, para poder
desmontar el instrumento sin tener que vaciar el tanque. Y se suele añadir también
un recipiente de decantación, con una válvula de purga, para evitar que las
partículas en suspensión del líquido lleguen al manómetro y poder eliminar
regularmente las que se acumulen en el recipiente. Como los niveles son valores
limitados, debido a mayor altura el nivel requiere de una resistencia mucho mayor,
entonces el campo de medida de los manómetros es bastante pequeño por lo cual
se usan generalmente elementos sensores de tipo fuelle. Este sistema solo sirve
para fluidos relativamente limpios en tanques abiertos. (Figura 1.6).
Figura 1.6 Nivel Manométrico
1.2 TIPOS DE LÁSERES
Existen diferentes gammas de láseres en el mercado:
De gas
De gas neutro (He-Ne)
De gas ionizado [Argón]
Moleculares (CO2)
De Excímero
De estado sólido
Basados en iones de neodimio
De rubí
Vibrónicos
[8]
De semiconductor
Los láseres de semiconductor o láseres de diodo tienen como medio activo un
material semiconductor o una unión de ellos.
Los semiconductores tienen un número de portadores de corriente libres que
pueden moverse a través de la red cristalina cuando se les aplica un campo externo.
Si los portadores son electrones (cargas negativas) son semiconductores de tipo
n; si son huecos (cargas positivas), semiconductores de tipo p. La unión de uno “n”
y otro “p” se llama diodo. (Figura 1.7) [Arias, Isabel]
Figura 1.7 Diseño de un láser de diodo semiconductor
La salida de un láser de diodo llega a contener varias frecuencias debido al carácter
de banda de los niveles de energía. Sin embargo, al ser la cavidad muy pequeña,
esas frecuencias están muy separadas. Es posible seleccionar una de ellas por
medio de varios mecanismos.
1.3 MEDICIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDO
Este método se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie
reflectante, la superficie libre, y la recepción del eco del mismo en el receptor. En
este caso el retardo en la lectura o captación del eco depende del nivel del tanque.
Estos se pueden usar como alarma, en este caso los sensores vibran con una cierta
frecuencia y se amortiguan (disminuye la frecuencia) cuando el líquido los toca. En
este caso el montaje puede ser lateral o superior (Figura 1.8). Se pueden usar
también como indicación continua, en este caso la fuente de ultrasonido genera
[9]
impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo de ida
y vuelta de la onda a la superficie del sólido o líquido. Como la reflexión de la onda
se realiza en la superficie libre, el montaje podrá ser entonces en el aire o en el
líquido. Sirven para todo tipo de líquidos, pero son sensibles a la densidad del fluido
en el cual es transportada la onda, ya que la velocidad de propagación de la onda
varía según la densidad del medio de transporte de ésta, por lo tanto, el método no
es conveniente para procesos en donde cambian continuamente las condiciones
ambientales. También se presentan problemas de reflexión cuando en la superficie
del líquido se forman espumas, existen sólidos en suspensión o la superficie no es
suficientemente nítida debido a turbulencias. [1]
Figura 1.8 Nivel por ultrasonido
Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos
directos o métodos indirectos como ya se había mencionado anteriormente.
Los métodos e instrumentos utilizados para medición de nivel pueden clasificarse
de diferentes formas, pero la que más importante es la clasificación de acuerdo a las
características eléctricas del fluido donde entra el sensor que se está aplicando. En
la siguiente tabla se presentan cuadros comparativos que sirven como guía para la
selección de medidores de nivel.
[10]
Tabla 1.1 Cuadros comparativos
[11]
1.4 SENSOR Y TIPOS DE SENSORES
Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una
magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que
sea capaz de cuantificar y manipular.
Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de
componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc. todos aquellos
componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización
de componentes activos.
1.4.1 SENSORES DE CONTACTO
Son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un
objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un
determinado lugar.
1.4.2 SENSORES POR ULTRASONIDOS
Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo
fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal
es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que
realice la señal emitida puede diferenciarlos entre los que son de barrera o los de
reflexión.
1.4.3 SENSORES FOTOELÉCTRICOS
Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la
intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera
luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor (Figura 1.9).
Están diseñados especialmente para la detección, ausencia, clasificación y
posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie,
incluso bajo condiciones ambientales extremas. [3]
[12]
Figura 1.9 Composición de un sensor fotoeléctrico
Los sensores fotoeléctricos utilizan LED’s como fuentes de luz. Los LED’s pueden
ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etc. Los
colores que más se usan en aplicaciones de sensado son rojos e infrarrojos, pero
en aplicaciones donde se necesite detectar contraste.
1.5 CAPTADORES
Captadores por barrera; estos detectan la existencia de un objeto, porque interfiere
la recepción de la señal luminosa.
Captadores por reflexión; la señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz
reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la
presencia de un objeto.
CAPTADORES DE CIRCUITOS OSCILANTES
Este tipo de captadores, se encuentran basados en la existencia de un circuito en
el mismo que genera una determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando
en el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el circuito mantiene
su oscilación de una manera fija, pero cuando un objeto se encuentra dentro de la
zona de detección del mismo, la oscilación deja de producirse, por lo que el objeto
es detectado.
Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores de presencia, al mismo
tiempo que su vida útil es elevada.
[13]
1.6 RECIPIENTES ATMOSFÉRICOS
El material por el cual está constituido el tanque es una placa de acero al carbón
con medio y bajo esfuerzo a la tensión. Este material es recomendable según el
estándar API 650 ya que se utiliza para espesores iguales o menores a 1 pulgada.
Los tanques de almacenamiento están constituidos por tres partes principales, el
techo, el cilindro y la tolva. El diámetro del cilindro en este caso particular es de 4.5
metros y una altura de 5 metros, la altura del techo es de 1.25 metros.
La capacidad volumétrica de la tolva es de 6.9 metros cúbicos, la del techo 5.5
metros cúbicos y del cilindro 79.8 metros cúbicos. La capacidad total del tanque es
de 92.2 metros cúbicos. Estos valores fueron obtenidos del estándar API 650 para
tolvas con ángulo de fricción interna de 30°.
La capacidad del tanque dependerá de la densidad del líquido o solido granulado
que almacene.
Los principales tipos para líquidos son:
Tanques atmosféricos con techos flotantes.
Tanques atmosféricos con techos fijos o ligeramente variables.
Tanques de almacenamiento para presiones moderadas (desde presión
atmosférica a 300 psig).
Almacenaje para altas presiones (desde 300 psig a 1000 psig).
Existen varios diseños para tanques de almacenamiento que contienen líquidos
inflamables; sin embargo, se dividen en tres categorías generales según la presión
de diseño:
Tanques atmosféricos para presiones de 0 psig a 0.5 psig.
Tanques atmosféricos para bajas presiones, presiones de 0.5 psig a 15
psig.
Tanques atmosféricos para presiones mayores, de 15 psig. en adelante.
[14]
1.6.1 FABRICACIÓN DE RECIPIENTES ATMOSFÉRICOS.
Un recipiente a presión es un recipiente cerrado, diseñado para soportar gases o
líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiental, ya sea por
presión interna o presión externa, independientemente de su forma y dimensiones.
Un tanque atmosférico es un depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos,
generalmente a presión atmosférica o presiones internas relativamente bajas.
Para diseñar y calcular las características de estos equipos a presión se utiliza el
"CÓDIGO A.S.M.E SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1". Como alternativa existe la División
2, La diferencia fundamental entre las dos divisiones radica en los factores de
seguridad, los cuales son mayores en la División 1. Para los tanques atmosféricos
se utiliza también la norma API STANDARD 650 WELDED STEEL TANKS FOR OIL
STORAGE
Se fabrican estos equipos en todas las versiones de acero inoxidable, siendo los
más comunes el tipo SA-240-T304 y el tipo SA-240-T316L, también se maneja el
acero al carbón SA-285-C, SA-516-70, etc., para aleaciones especializadas como
Hastelloy, Incoloy, etc.
Las soldaduras son aplicadas mediante los procesos de Shielded metal arc welding
(SMAW), el proceso Gas tungsten arc welding (GTAW), Metal Inert Gas (MIG), etc.
Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias formas
de inspección no destructiva, el radiografiado, la prueba de líquidos penetrantes y
algunas veces se utiliza el ultrasonido.
Los acabados para los equipos que se fabrican de acero inoxidable son:
Tipo industrial interno/ externo
Pulido sanitario desde 120 grit hasta 320 grit y el acabado espejo
Los acabados para los equipos de acero al carbón son:
Interno industrial / externo primario anticorrosivo
Limpieza con sandblast según STEEL STRUCTURES PAINTING
COUNCIL, aplicación de base, acabado con un recubrimiento epóxico o
[15]
catalítico, según el lugar y fluido a contener.
Los diferentes tipos de recipientes a presión que existen, se clasifican de la siguiente
manera:
Por su uso:
a) Recipientes de almacenamiento de fluidos a presión; tanques
acumuladores de agua, tanques pulmón de aire comprimido, gases,
químicos, etc.
b) Recipientes de proceso a presión; intercambiadores de calor,
reactores, torres fraccionadoras, torres de destilación, etc.
Por su forma:
a) Recipientes cilíndricos o esféricos y horizontales o verticales, los
esféricos se utilizan generalmente cómo tanques de
almacenamiento para grandes volúmenes a altas presiones.
Los tanques atmosféricos de almacenamiento, se clasifican en:
Cilíndricos horizontales
Cilíndricos verticales de fondo plano Los tanques cilíndricos horizontales normalmente se utilizan para almacenar
volúmenes pequeños, debido a que presentan fallas por corte y flexión. Los tanques
cilíndricos verticales de fondo plano permiten almacenar grandes cantidades de
producto con la limitación de que sólo se pueden usar a presión atmosférica o a
presiones relativamente bajas. (Figura 1.10). [2]
Figura 1.10 Tanques atmosféricos
[16]
En la actualidad no hay normas específicas para la realización de perforaciones en
tanques de almacenamiento, la diferente gama de materiales con que son
elaborados hace necesario el uso de diferentes tipos de electrodos para soldadura
en los aceros y aleaciones utilizadas en los tanques.
El procedimiento para perforación y soldadura en caso de tratarse de un tanque en
uso al que se le implementará el sensor, deberá realizarse con la supervisión de
personal de seguridad de la empresa y con comunicación constante con el cuarto
de control, así como operadores de los equipos de suministro del tanque.
Como primer paso deberá informarse al cuarto de control sobre la modificación que
se realizara al tanque ya que ellos serán los encargados de monitorear y controlar
en tiempo real la lectura de las variables tomadas por el sensor. Deberá además
notificarse al encargado del proceso que se esté llevando en el tanque para que
pueda vaciarse el tanque y permita la modificación del mismo para la perforación y
montaje de los sensores. Es de suma importancia colocar candados de seguridad
en válvulas de alimentación del tanque como medida preventiva y de señalización
para evitar su apertura y ocasionar accidentes al encargado de realizar el trabajo
dentro del tanque.
La perforación del tanque deberá ser realizada por medio de un taladro magnético
ya que es el único que permite una perforación fija y continua, deberá anclarse con
los imanes en la posición calculada para los barrenos del tanque.
El uso de arneses y líneas de vida para el trabajo dentro del tanque es obligatorio
además de requerirse un permiso especial para trabajos en espacios confinados y
trabajos en caliente que permitan analizar los riesgos que puedan surgir en la
realización del trabajo y así reducirlos al mínimo por la seguridad del personal.
1.6.2 RIESGO EN TANQUES.
Una causa de accidentes de tanques es lo que se llama falsa operación; que
consiste en abrir válvulas equivocadas, derrames, uso impropio de técnicas de
limpieza y reparación del tanque.
Otro aspecto a tener en cuenta, es lo concerniente a equipo defectuoso. Los
[17]
defectos en el equipo incluyen derrames causados por la corrosión, grietas en las
soldaduras, válvulas de alivio de presión o de vacío que no funcionan
adecuadamente, sistemas de venteo diseñados incorrectamente, y protección
inadecuada contra electricidad estática. La pérdida de material por derrames en
tanques y sus tuberías, puede traer consigo riesgos a otras propiedades y al
personal a considerables distancias, y en el mejor de los casos una continua pérdida
económica por el posible escape de materiales valiosos.
En lo referente a tanques aéreos sin protecciones físicas, el principal riesgo a los
que están sometidos es el golpeo de su estructura portante o paredes por vehículos
durante operaciones de carga/descarga. La electricidad estática es una carga
eléctrica que proviene del contacto y separación entre dos cuerpos siendo al menos
uno de ellos aislante. Este tipo de electricidad es importante tenerla en cuenta
porque puede producir fuegos o explosiones. Igualmente, se prestará especial
atención al manejo de gases comprimidos en cilindros, ya que pueden ser
peligrosos debido a la estática.
1.6.3 CONTROL DE RIESGOS
El propósito del control de riesgos es analizar el funcionamiento, la efectividad y el
cumplimiento de las medidas de protección, para determinar y ajustar sus
deficiencias.
Las actividades del proceso, tienen que estar integradas en el plan operativo
institucional, donde se define los momentos de las intervenciones y los
responsables de ejecución.
Para evitar que se produzca un incendio o una explosión en los tanques deberán
tomarse una serie de medidas. Para el caso de almacenaje de inflamables en
tanques fijos, estas medidas son las siguientes:
Conectar el tanque debidamente a tierra.
Asegurarse que tienen sus apaga llamas, y que estén bien anclados. Además,
la tubería de descargas al tanque debe llegar hasta el fondo.
Evitar que las tapas de las entradas de los tanques tengan rozamiento con el
[18]
cuerpo del tanque. Comprobar que los indicadores de presión y temperatura
funcionan correctamente.
Debe de haber muros de retención para el caso de derrames.
Deben tener instalado un equipo de pararrayos.
El motor del sistema de agitación debe ser a prueba de explosión.
Existirá señalización indicando la prohibición de fumar y la limitación de
áreas.
La construcción del tanque será tal, que en caso de una explosión sólo se
desprenda el cono que sirve como techo.
Se instalarán válvulas de control remoto para impedir cualquier fuga.
Los tanques son abiertos cuando se almacenan materiales que no se dañan con el
agua, el clima o la contaminación atmosférica. De otro modo, se necesitará un
tejado, ya sea fijo o flotante.
Los tejados fijos suelen ser escalonados o de cúpula. Los tanques de tejado fijo
requieren ventilas (ventilación) para evitar los cambios de presión, que se
producirían de otro modo debido a los cambios de temperatura y al retiro o adición
de líquido.
Los tejados flotantes son un tipo de tejado elevador en los que la cubierta tiene un
movimiento oscilante hacia arriba y hacia abajo, éstos deben tener un sello entre el
tejado mismo y el cuerpo del tanque el cual puede ser un líquido anular o una
membrana flexible.
Para tanques de agua, se pueden utilizar como material de construcción concreto.
Para el diseño más económico de tanques de concreto grandes y abiertos al nivel
del terreno, se recomienda que se limite la altura vertical a 6 m.
Los tanques atmosféricos de agua también pueden colocarse elevados, éstos
pueden proporcionar un flujo grande cuando se requiere. En esa forma, es posible
ahorrar en inversión de bombas y tuberías.
También proporcionan flujo después que fallan las bombas, lo que constituye una
[19]
consideración importante en los sistemas contraincendios.
Las bombas a la descarga de un tanque elevado son necesarias cuando la presión
requerida en el punto de llegada del agua es mayor a la presión proporcionada por
la altura, sin embargo, un tanque se eleva generalmente para que el flujo por
gravedad proporcione la cantidad y presión requerida.
1.7 MEDICIÓN DE COLOR DE LÍQUIDOS
Desde ácidos de glicol a solventes aromáticos y cloro parafinados, los químicos
líquidos pueden ser opacos, traslúcidos o transparentes y, por tanto, requerir
instrumentos y técnicas de medición diferentes para obtener valores satisfactorios.
Los líquidos opacos son impenetrables por la luz y su medición se realiza de forma
óptima utilizando la geometría de reflectancia direccional 45/0°. Esta es la geometría
que más se asemeja a la forma en que el ojo humano ve algún color.
Los líquidos traslúcidos permiten el paso de la luz, aunque de manera difusa, por lo
que los objetos del otro lado no pueden ser claramente identificados. Tanto el modo
de medición reflectivo como el de transmitancia pueden ser apropiados,
dependiendo de la translucidez de la muestra.
El paso óptico se define como la viscosidad de la muestra medida desde el punto
donde ingresa la luz hasta el punto donde sale. Una prueba sencilla para determinar
el grado de translucidez es verter el líquido en un contener claro que simule la
viscosidad a la cual se verá la muestra, ubicar algún objeto detrás del contenedor y
mirar a través de él.
Los líquidos transparentes permiten el paso de la luz a través de ellos con poca o
nula interrupción o distorsión, de forma tal que el objeto al otro lado puede ser visto
claramente. Dichos líquidos pueden ser medidos exclusivamente por medio de
instrumentos de transmisión.
1.8 DENSIDAD.
Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias
diferentes tienen ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el
[20]
hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico
son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una
sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un
cuerpo, más pesado parecerá:
𝜌 = 𝑚/𝑣 (1.1)
La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen
que ocupa. Así, como en el S.I la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en
metros cúbicos (𝑚3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (𝑘𝑔/𝑚3).
Esta unidad de medida, sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado
pequeña. Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro,
es decir, de 0.001 𝑚3, la densidad será de: 1000 𝑘𝑔/𝑚3.
La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que,
de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para
evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico.
Las medidas de la densidad quedan, en su mayor parte, ahora mucho más
pequeñas y fáciles de usar.
Además, para pasar de una unidad a otra basta con multiplicar o dividir por mil.
La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará
sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo
se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que
la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la
gasolina, de densidad más baja.
[21]
Tabla 1.2 Tabla de densidades
Sustancia Densidad en 𝐤𝐠/𝐦𝟑 Densidad en g/c.c
Agua 1000 1
Aceite 920 0.92
Gasolina 680 0.68
Plomo 11300 11.3
Acero 7800 7.8
Mercurio 13600 13.6
Madera 900 0.9
Aire 1.3 0.0013
Butano 2.6 0.026
Dióxido de carbono 1.8 0.018
[22]
1.9 HMI (HUMAN MACHINE INTERFACE)
Una ventana al proceso, la cual puede estar en dispositivos especiales como
paneles de operador o en una computadora. Los sistemas HMI en computadores
se les conoce también como software HMI o de monitoreo y control de supervisión.
Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como
tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s, RTU o DRIVE´s.
Una interfaz de usuario asistida por ordenador, actualmente una interfaz de uso,
también conocida como interfaz hombre-máquina (HMI), forma parte del programa
informático que se comunica con el usuario. En ISO 9241-110, el término interfaz
de usuario se define como "todas las partes de un sistema interactivo (software o
hardware) que proporcionan la información y el control necesarios para que el
usuario lleve a cabo una tarea con el sistema interactivo".
1.9.1 NORMA ISA 101 HMI
Los objetivos de esta norma son:
Mejorar la calidad del sistema durante el funcionamiento normal.
Ahorro de tiempo durante el arranque, apagado y transiciones.
Ahorro de dinero al evitar el tiempo de inactividad y errores.
Reducir el tiempo de formación.
Proporcionar un ambiente de trabajo menos estresante y minimizar la fatiga del operador.
Cuenta con 9 cláusulas que son los siguientes los cuales refiere al diseño y
características que debe de tener la HMI a construir.
General.
Ámbito de aplicación.
Referencias de normas.
Definición de términos y acrónimos.
Sistema de manejo de la HMI.
Factores humanos y ergonómicos.
Tipos de displays.
Interacción con el usuario.
[23]
Rendimiento.
Documentación y formación.
Uno de los retos de esta normativa es descubrir oportunidades para la continua
implementación de sistemas HMI, presentar oportunidades y soluciones para
dueños y usuarios de estos sistemas. La implementación de sistemas HMI desea
que con pequeños cambios las HMI sean más efectivas, estos cambios incluyen
algunas de estas características color, navegación y objetos dinámicos.
Color:
Fondos en tonos grises para minimizar el brillo y tener un menor contraste.
Usar solo colores brillantes para anunciar alarmas o situaciones anormales.
Los colores para alarmas solo utilizarlos únicamente para esas situaciones.
Navegación:
Usar técnicas para tener una navegación eficiente.
Navegaciones concretas dentro del sistema.
1.9.2 NORMATIVA PARA HMI
En la interacción del hombre con las maquinas a través de medios computacionales,
es muy importante tener en cuenta la interface hombre-máquina, que es la que
permite que el usuario u operador del sistema de control o supervisión, interactúe
con los procesos.
Una adecuada interface hombre-máquina busca, en primer lugar, obtener el estado
del proceso de un vistazo. Se persigue entonces:
Asegurar que el observador comprenda la situación representada. Captar la situación en forma rápida.
Crear condiciones para la toma de decisiones correctas.
Que los equipos se utilicen en forma óptima y segura
Garantizar confiabilidad al máximo.
Cambiar con facilidad los niveles de actividades del operador.
Los aspectos esenciales que se realizan en la comunicación hombre-máquina son:
[24]
Indicación del estado del proceso.
Tratamiento e indicación de las situaciones de alarmas.
La ejecución de acciones de mando.
Formas de presentación de la información
Para presentar la información en la pantalla existen diferentes formas que muchas
veces no son bien utilizadas. En sistemas pequeños esto no es crítico; sin embargo,
para sistemas supervisorios de gran cantidad de variables es importante que el
diseño se realice adecuadamente para lograr una buena presentación de la
información.
Algunas formas para la presentación de la información son las siguientes: Los
símbolos
Se utilizan para la identificación de objetos, acciones, etc. En muchos casos se facilita la memorización y con ello eleva la eficacia y confiabilidad.
Se usa en presentación de características cualitativas del objeto: tipo,
estructura, funciones.
Las cifras
Para representar información exacta. Útil en el registro, y en el análisis
posterior.
Los colores
Útil para representar alarmas y llamadas de atención.
Sirve para la representación de características cualitativas.
El brillo
Se utiliza para determinar estado del proceso.
Sistema de alarmas
El objetivo fundamental del chequeo de estado de alarmas es detectar condiciones
anormales del funcionamiento del proceso. Esto se realiza para prever posibles
pérdidas económicas, daños en equipos, afectación de la calidad, daños
[25]
personales, etc.
Las acciones a tomar en caso de presentarse una alarma son:
Aviso al operador con señal lumínica y/o sonora.
Visualizar en la pantalla. Se puede indicar el estado del proceso con diferentes colores, para resaltar la condición de alarma.
Reportar incidencia, hora de ocurrencia y el evento que ocurrió.
Activar algoritmos o tareas para la atención de determinadas alarmas.
1.10 LABVIEW
Es un entorno de desarrollo basado en programación gráfica. Utiliza símbolos
gráficos en lugar de lenguaje textual para describir acciones de programación. Está
totalmente integrado para la comunicación con diversos tipos de hardware como
RS-232, RS-485, etc. Y tarjetas de adquisición de datos. Además, incorpora librerías
para estándares de software como TCP/IP y ActiveX.
Los sistemas tradicionales de automatización y medida consisten en instrumentos
específicos para tareas específicas. Normalmente se está obligado a diseñar el
sistema desde cero y ello conlleva poseer un buen conocimiento de programación
de ordenadores. Se puede decir que en los sistemas tradicionales el hardware
define el sistema.
Todo esto cambia usando el concepto de instrumentos basado en ordenador o
instrumentos virtuales. De este modo se pueden diseñar sistemas de
automatización.
La programación grafica con LabVIEW permite a los no programadores un método
fácil para implementar aplicaciones complejas de prueba, medida y automatización.
1.10.1 INSTRUMENTOS VIRTUALES
Los ficheros generados por LabVIEW se llaman instrumentos virtuales (VI). Cada VI
se compone de dos partes principales: el panel frontal y el diagrama de bloques.
El panel de control es el interfaz de usuario, en el tendremos controles de entrada,
visualizadores de salida, cuadros de dialogo, etc.
[26]
El diagrama de bloques es el código gráfico.
Normalmente, al diseñar una aplicación LabVIEW, se comienza desde el VI más
general definiendo las entradas y salidas de la aplicación. Después se crean subVIs
que realizan tareas más sencillas dentro del VI general. Este método de diseño es
una de las ventajas de LabVIEW. Se pueden diseñar fácilmente aplicaciones
complejas utilizando una estructura jerárquica y usando elementos comunes varias
veces dentro de la aplicación.
El uso de subVIs permite realizar aplicaciones fáciles de comprender, depurar y
mantener.
1.10.2 FLUJO DE DATOS
En la programación tradicional basada en texto, la ejecución o flujo de programa se
realiza de arriba abajo, es decir se ejecuta línea a línea.
LabVIEW se basa en la programación gráfica, no es necesario tener un gran
conocimiento de técnicas o lenguajes de programación para crear un instrumento
virtual. En lugar de la ejecución de arriba abajo, LabVIEW opera bajo el concepto
de flujo de datos. Al ser una programación gráfica, el aspecto del diagrama de
bloque es como el de un diagrama de flujo. Cada nodo del programa que ejecuta un
subVI o una función determinada, no se ejecuta hasta que en sus entradas estén
presentes los datos necesarios, de esta manera, a la salida no aparecerá el
resultado hasta que se haya ejecutado el nodo. Los nodos están conectados entre
sí mediante cables, así que el flujo de ejecución sigue el flujo de datos de un nodo
a otro.
[27]
CAPÍTULO II
COMPONENTES PARA LA
INTEGRACIÓN DEL
SENSOR DE NIVEL
En este capítulo se describen los elementos que componen el sensor de nivel.
[28]
CAPITULO II
COMPONENTES PARA LA INTEGRACIÓN DEL SENSOR DE NIVEL.
2.1 LÁSER
Un láser es un dispositivo que produce un tipo muy especial de luz. Sin embargo, la
luz procedente de un láser se diferencia de la de una linterna en cuatro aspectos
básicos.
El láser es un elemento muy útil para la vida actual. Existen láseres que realizan
muchas tareas distintas, desde medicina hasta trabajos industriales.
La luz láser es intensa. No obstante, solo ciertos tipos de láser son potentes.
Los haces láseres son estrechos y no se dispersan como los demás haces
de luz.
La luz láser es coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas
procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí.
Los láseres producen un haz de luz de un solo color.
DIODO LÁSER
Los tamaños miniaturizados de los láseres de diodo, requieren de un empaquetado
especial que permita usarlos.
Hay muchos tipos de empaquetados, pero el estándar es similar al de un transistor,
e incluye los colimadores ópticos básicos para producir un haz aprovechable (Figura
2.1). Se muestra como está compuesto internamente un diodo láser (Figura 2.2). [6]
Figura 2.1 Empaquetado de un láser de diodo
[29]
Figura 2.2 Sección perpendicular del ensamblaje de un láser de diodo
Para conseguir una potencia elevada con los láseres de diodo, se han desarrollado
series especiales de láseres de diodo. Estas series de diodos emiten radiación
conjuntamente de forma sincronizada, de manera que se puede disponer de una
potencia de salida de decenas de diferencia de potencial. Aunque la radiación se
emite por muchos láseres de diodo, estos están ópticamente acoplados, de forma
que es posible conseguir una salida láser coherente.
Los diodos láser tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura de
discos ópticos, donde sólo un rayo puede ver un área microscópica en la superficie
de un disco. [7]
Figura 2.3 Comparación de espectros entre LED y láser
Se puede observar que el espectro de un láser es coherente, lo cual es necesario
para que el sensor receptor tenga un mejor funcionamiento, además de que tiene
una potencia de salida mayor, lo cual favorece al querer usarlo en distancias
demasiado largas. (Figura 2.3).
[31]
El diodo láser es un dispositivo semiconductor que bajo condiciones adecuadas
emite luz láser. Un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos
que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa
de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy
intenso, enfocado y puro.
La siguiente tabla hace un pequeño comparativo de las generalidades entre un
diodo led y láser (Tabla 2.1). [4]
Tabla 2.1 Diferencia entre LED y láser
LÁSER LED
*Más rápido *Mayor estabilidad térmica
*Potencia de salida mayor *Menor potencia de salida,
mayor tiempo de vida
*Emisión coherente de luz *Emisión incoherente
*Construcción es más
compleja
*Más económico
*Actúan como fuentes
adecuadas en sistemas de
telecomunicaciones
*Se acoplan a fibras ópticas en
distancias cortas de transmisión
*Modulación a altas
velocidades, hasta GHz
*Velocidad de modulación hasta
200MHz
Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola
frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa. En cambio los
diodos láser, producen una luz coherente. Esta luz no sólo es monocromática (un
solo color), sino que es monofásica (están en fase), resultando en un rayo de luz
muy preciso.
[32]
2.2 FOTORESISTENCIA
Los fotorresistores, también conocidos como fotoceldas, son detectores de luz a
base de semiconductores que no tiene una unión PN, el semiconductor principal es
el sulfuro de cadmio que tiene una sensibilidad a la luz similar a la del ojo humano.
Por lo general, la fotorresistencia varía la resistencia según la cantidad de luz que
incida sobre su superficie, requieren de algunos milisegundos para responder a los
cambios en la intensidad luminosa.
Cuando no le llega luz o es muy poca la cantidad de luz incidente, su resistencia es
muy alta (millones de ohms), en cambio, cuando tiene luz la resistencia es baja
(cientos de ohms). Los fotorresistores se usan principalmente en relevadores que
están controlados por luz. (Figura 2.4).
Figura 2.4 Símbolo y funcionamiento de una fotorresistencia
Cuando la fotorresistencia no está expuesta a radiaciones luminosas los electrones
están firmemente unidos en los átomos que la conforman, pero cuando sobre ella
inciden radiaciones luminosas esta energía libera electrones con lo cual el material
se hace más conductor, y de esta manera disminuye su resistencia.
Las fotorresistencias solamente reducen su resistencia con una radiación luminosa
situada dentro de una determinada banda de longitudes de onda. Las construidas
con sulfuro de cadmio son sensibles a todas las radiaciones luminosas visibles, las
construidas con sulfuro de plomo solamente son sensibles a las radiaciones
infrarrojas. [7]
[33]
La resistencia del resistor dependiente de la luz (LDR) varía en función de la
cantidad de luz que cae sobre ella. La relación entre la resistencia RL e intensidad
de luz “Lux” para una LDR típico es
𝑅𝐿 = 500 𝐿 𝑢 𝑥 (2.1)
Si el LDR conectado a 5 a través de una resistencia de 3.3 KΩ, utilizando la regla
de divisor de tensión, la tensión de salida de la LDR es
𝑉𝑜 = 5 ∗ 𝑅𝐿 ∗ 𝑅𝐿 + 3.3 (2.2)
Sustituyendo RL de la ecuación 1 en la ecuación 2, se obtiene la intensidad de la
luz
𝑅 𝐿 𝑢 𝑥 = 2500𝑉𝑜 − 5003 (2.3)
Para una LDR de bajo costo, en la misma intensidad de la luz, la variación de la
resistencia puede ser tan alta como un 50%. Por lo tanto, un LDR de bajo costo rara
vez se utiliza para medir la intensidad de la luz, pero más para la detección de
presencia / ausencia de luz.
2.3 ARDUINO UNO
Arduino UNO es una placa electrónica programadora. Cuenta con 14 pines de
entrada/salida (de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM), 6 entradas
analógicas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB, un conector de
alimentación, un header ICSP y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario
para apoyar el microcontrolador, conectarlo a un ordenador con un cable USB o con
un adaptador de CA o la batería a CC. Arduino Uno es alimentado a través de la
conexión USB o con una fuente de alimentación externa.
La potencia (no USB) externo viene con un adaptador de CA a CC o la batería. El
adaptador se puede conectar al conectar un tomacorriente de centro-positivo en el
conector de alimentación de la placa.
El tablero funciona con un suministro externo de 6 V a 20 V. Se puede suministrar
con menos de 7 V, sin embargo, el pin de 5 V puede suministrar menos de 5 V y la
[34]
junta puede volverse inestable. Si se utiliza más de 12 V, el regulador de tensión se
puede sobrecalentar y dañar la placa, por lo que el rango recomendado es de 7 V a
12 V.
Cada uno de los 14 pines digitales en el Uno se utiliza como entrada o salida,
utilizando pinMode, digitalWrite, y digitalRead funciones. Operan a 5. Cada pin
puede proporcionar o recibir 20 mA como condición de funcionamiento
recomendada y tiene una resistencia de pull-up (desconectado por defecto) de 20
KΩ a 50 KΩ. Un máximo de 40 mA es el valor que no debe superarse en ningún pin
de entrada/salida para evitar daños permanentes en el microcontrolador.
2.4 BOMBA HIDRÁULICA.
Todo dispositivo capaz de convertir energía mecánica en energía hidráulica se
conoce como bomba hidráulica. Una bomba hidráulica permite impulsar y desplazar
líquidos incompresibles, como el agua.
Como su nombre indica, las bombas hidráulicas se utilizan para el bombeo de
líquidos como el agua al transformar energía. Sin embargo, existen diferentes tipos
de bombas, un tipo en especial incluye a las bombas sumergibles.
BOMBAS SUMERGIBLES
Las bombas sumergibles son máquinas capaces de impulsar líquidos estando
sumergidas en agua o en cualquier líquido, incluso a grandes profundidades. Se
caracterizan por ser la unión del cuerpo de la bomba y el motor. Ambos son
sumergidos juntos, ya que están dentro de la misma estructura.
A diferencia de otros tipos de bombas, las sumergibles no dependen de la presión
del aire que las rodea, así que pueden impulsar los líquidos a alturas considerables.
Funcionamiento de las bombas sumergibles
En términos generales, el funcionamiento de las bombas sumergibles es igual al del
resto de las bombas, ya que también pueden convertir la energía mecánica en
energía hidráulica. La diferencia es que aquí el motor está sumergido y se acopla
directamente a la flecha de la bomba.
[35]
Tanto el motor como la flecha están sellados herméticamente. Esta situación podría
provocar la elevación en la temperatura de la bomba. Para solucionar este
inconveniente, el propio líquido que fluye por la bomba funciona como enfriador.
Para llevar a cabo sus funciones, las bombas sumergibles cuentan con un cuerpo
interno formado por difusores e impulsores que pueden fabricarse con acero o
termoplásticos. Tanto los difusores como los impulsores serán los encargados de
aplicar la presión al líquido y, con esto, conseguir su elevación. (Figura 2.5). [8]
2.5 CIRCUITO DE POTENCIA.
Para que el programador pueda activar la bomba y válvula será necesaria una etapa
de potencia, ya que se requerirá mayor tensión y mayor corriente, de esta forma no
se dañará el programador.
2.5.1 RELEVADOR.
El relé es un interruptor operado magnéticamente. El relé se activa o desactiva
(dependiendo de la conexión) cuando el electroimán es energizado (mediante una
tensión entre sus terminales para que funcione). (Figura 2.6)
Figura 2.5 Bomba sumergible Evans de 3 watts
[36]
Figura 2.6 Relé interno
Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del
dispositivo (el relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un
pequeño brazo, llamado armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta
o desconecta los terminales antes mencionados.
El relevador permite controlar una gran cantidad de electricidad operando con una
cantidad pequeña. Se trata de un instrumento que brinda mayor seguridad en
distintos dispositivos que funcionan con el uso de energía eléctrica, ya que sus
contactos permiten abrir o cerrar circuitos eléctricos (es decir, generar ó interrumpir
la conexión). [11]
2.5.2 TRANSISTOR 2N2222a.
El 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja
potencia de uso general.
Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede
amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias. Puede trabajar a
frecuencias altas. (Figura 2.7)
[37]
Figura 2.7 Transistor 2N2222a
2.6 CLASE DE UN SISTEMA LÁSER.
La clase de un láser es un indicador directo del grado de peligrosidad que supone
la utilización de un dispositivo de estas características. Hasta la aparición de la
norma UNE EN 60825-1/A2, las clases de láser eran cinco, a saber: Clase 1, Clase
2, Clase 3a, Clase 3b, Clase 4. Actualmente ya no se sigue dicha clasificación. Tras
la aparición de la norma UNE EN 60825-1/A2, las nuevas clases son 7, esto es:
Clase 1, Clase 1m, Clase 2, Clase 2m, Clase 3r, Clase 3b, Clase 4 en los equipos
antiguos). (Tabla 2.1) [9]
Tabla 2.1 Clases de un sistema láser
Clase 1 Productos láser que son seguros en todas las condiciones de
utilización razonablemente previsibles, incluyendo el uso de
instrumentos ópticos en visión directa.
Clase 1M Láseres que emitiendo en el intervalo de longitudes de onda
(lambda) entre 302.5 nm y 4000 nm son seguros en condiciones de
utilización razonablemente previsibles, pero que pueden ser
peligrosos si se emplean instrumentos ópticos para visión directa.
Clase 2 Láseres que emiten radiación visible en el intervalo de longitudes de
onda comprendido entre 400 nm y 700 nm. La protección ocular se
consigue normalmente por las respuestas de aversión, incluido el
reflejo palpebral. Esta reacción puede proporcionar la adecuada
protección, aunque se usen instrumentos ópticos.
[38]
Clase 2M Láseres que emiten radiación visible (400 nm y 700 nm). La
protección ocular se consigue normalmente por la respuesta de
aversión, incluido el reflejo palpebral, pero la visión del haz puede
ser peligrosa si se usan instrumentos ópticos.
Clase 3R Láseres que emiten entre 302.5 nm y 106 nm, cuya visión directa del
haz es potencialmente peligrosa pero su riesgo es menor que para
los láseres de clase 3B. Necesitan menos requisitos de fabricación
y medidas de control del usuario que los aplicables a láseres de
clase 3B. El límite de emisión accesible es menor que 5 veces el
LEA de la clase 2 en el rango 400 nm- 700nm, y menor de 5 veces
el LEA de la clase 1 para otras longitudes de onda.
Clase 3B Láseres cuya visión directa del haz es siempre peligrosa (por ej.
Dentro de la Distancia nominal de riesgo ocular). La visión de
reflexiones difusas es normalmente segura.
Clase 4 Láseres que también pueden producir reflexiones difusas
peligrosas. Puede causar daños sobre la piel y pueden también
constituir un peligro de incendio. Su utilización precisa extrema
precaución.
IMPORTANCIA DE LA CLASE DE UN SISTEMA LÁSER
La clase de un sistema láser debe cobrar importancia en:
Una etiqueta, claramente visible y colocada en el mismo dispositivo, con
las frases de advertencia para que el usuario conozca a que riesgo está
expuesto.
El manual de instrucciones u operaciones del dispositivo láser.
También debería estar colocada señalización de peligros reglamentaria en
el lugar de trabajo donde esté emplazado el sistema.
A continuación, se muestra como se clasifican los distintos tipos de láser
dependiendo de sus diferentes características (Tabla 2.2) [9]
[39]
Tabla 2.2 Riesgos derivables, para equipos láser adquirido, atendiendo a criterios de clasificación obsoletos
“CLASE” DE SISTEMA
LÁSER
RIESGOS DERIVABLES
Clase 1
(tratar como Clase 1 de
UNE EN 60825-1/A2)
No suponen daño alguno.
Clase 2
(tratar como Clase 2M de
UNE EN 60825-1/A2)
Pueden causar daños oculares por observación
directa del haz durante períodos superiores a 0,25
s. Podría resultar en un daño crónico para
exposiciones iguales o superiores a 1 s.
Clase 3 A
(tratar como Clase 3B de
UNE EN 60825-1/A2)
EXTREMAR
PRECAUCIÓN
Pueden causar daños oculares (concretamente,
en la retina), siendo crónicos en caso de
exposiciones iguales o superiores a 0,25
segundos.
Clase 3B
(tratar como Clase 3B de
UNE EN 60825-1/A2)
Pueden causar daños oculares agudos o crónicos
si se entra en contacto directo con el haz láser.
Clase 4
(tratar como Clase 4 de
UNE EN 60825-1/A2)
Pueden causar daños oculares o cutáneos agudos
si se entra en contacto directo, indirecto, o por
reflexión, con el haz láser. Pueden originar
incendios.
La siguiente tabla muestra cómo se clasifican los distintos tipos de láser con
normativa más vigente (Tabla 2.3)
[40]
Tabla 2.3 Riesgos derivables, atendiendo a criterios de la vigente clasificación (UNE EN 60825-1)
“CLASE” DE SISTEMA
LÁSER
RIESGOS DERIVABLES
Clase 1
No generan riesgos si se usan con normalidad. No
es previsible que causen daño ocular, aunque el
operador emplease algún tipo de instrumento
óptico (por ejemplo: lente de aumento) de visión
directa.
Clase 1M
No generan riesgos si se usan con normalidad,
pero podrían causar daño ocular si el operador
emplea algún tipo de instrumento óptico (por
ejemplo: lente de aumento) de visión directa.
Clase 2
Podría causar daños oculares. A priori los
mecanismos de aversión como el reflejo
palpebral* son suficientes (normalmente) como
protección. El riesgo de padecer daño ocular
aumenta si el operador emplea algún tipo de
instrumento óptico (por ejemplo: lente de
aumento) de visión directa.
Clase 2M
Puede causar daños oculares. El riesgo de
padecer daño ocular aumenta muy notablemente
si el operador emplea algún tipo de instrumento
óptico (por ejemplo: lente de aumento) de visión
directa.
Clase 3R
La visión directa del haz es potencialmente
peligrosa, aunque en menor medida que láser 3B.
Pueden causar daños oculares agudos y crónicos.
EXTREMAR PRECAUCIÓN.
[41]
Clase 3B
La visión directa del haz es siempre peligrosa. La
visión de reflexiones difusas podría según casos,
se peligrosa también.
Pueden causar daños oculares agudos y crónicos.
EXTREMAR PRECAUCIÓN.
Clase 4
Pueden causar daños oculares y cutáneos agudos
o crónicos si se entra en contacto directo,
indirecto, o por reflexión, con el haz láser.
También pueden originar incendios.
EXTREMAR PRECAUCIÓN.
2.7 VENTAJAS DEL PROGRAMADOR ARDUINO CONTRA MICROCONTROLADORES.
Mediante Arduino únicamente se tienen que conectar los sensores, los actuadores
y programar inmediatamente. Esto no sucede con los PIC en donde se debe
construir el circuito del PIC y la fuente en una tablilla de pruebas antes de poder
realizar alguna prueba.
Los microcontroladores Atmel utilizados para construir las plataformas arduino
presentan mejores prestaciones que los de Microchip. Las plataformas de arduino
pueden ser adquiridas en versiones de montaje superficial que ocupan poco espacio
y consumen poca potencia.
Al usar las librerías, la programación en arduino es más sencilla que la basada en
Ensambler de los PIC.
Dado que tanto el software como el hardware es libre, resultan ideales para los
proyectos de la universidad y de pequeñas empresas sin temor a estar violando los
derechos de autor de alguien.
[42]
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SENSOR DE
NIVEL
En este capítulo se describe el proceso del diseño en cuanto a prototipo, circuitos y
descripción de las condiciones de funcionamiento.
[43]
3.1 ETAPAS DE DISEÑO DEL PROTOTIPO
Se explica de forma general los componentes que se utilizaron para el diseño
completo de la instalación del sensor de nivel. En las siguientes etapas de diseño
se explica cuál es la función de cada uno de los elementos que se seleccionaron
previamente.
3.2 PROGRAMADOR
Se eligió un programador arduino UNO para tener una conexión directa con la placa
de circuito impreso, de esta forma se evitarán perturbaciones y se obtendrá una
mejor lectura del elemento sensor (Figura 3.1). [5]
Figura 3.1 Partes de Arduino UNO
1. Conector USB, este provee la comunicación para la programación y la toma de
datos, también provee una fuente de 5 para alimentar al arduino, pero de baja
corriente por lo que no sirve para alimentar motores grandes
2. Regulador de tensión de 5 V, se encarga de convertir la tensión ingresada por
el plug 3, en una tensión de 5 V regulado. Necesario para el funcionamiento de
la placa y para alimentar circuitos externos.
3. Plug de conexión para fuente de alimentación externa, la tensión que se
suministra por aquí debe ser directo y estar entre 6 volts y 18 volts, incluso 20
volts, generalmente se usa un adaptador, pero debe tener cuidado de que el
[44]
terminal del centro del plug quede conectado a positivo ya que algunos
adaptadores traen la opción de intercambiar la polaridad de los cables.
4. Puerto de conexiones; constituido por 6 pines de conexión con las siguientes
funciones: RESET, permite resetear el microcontrolador al enviarle un cero
lógico. Pin 3.3V, este pin provee una fuente de 3.3 V de corriente directa para
conectar dispositivos externos como en la protoboard, por ejemplo. Pin 5 V, es
una fuente de 5 V de corriente directa para conectar dispositivos externos. Dos
pines GND, que proveen la salida de cero para dispositivos externos. Pin Vin,
este pin está conectado con el positivo del plug 3 por lo que se usa para conectar
la alimentación de la placa con una fuente externa de entre 6 y 12 en lugar del
plug 3 o la alimentación por el puerto USB.
5. Puerto de entradas análogas, aquí se conectan las salidas de los sensores
análogos. Estos pines solo funcionan como entradas recibiendo tensión entre
cero volts y cinco volts directos.
6. Microcontrolador Atmega 328, es el microcontrolador implementado en los
Arduino uno y sobre el cual se programa, en la versión SMD del arduino uno
R2, se usa el mismo microcontrolador, pero en montaje superficial, en este caso
las únicas ventajas son la reducción del peso y ganar un poco de espacio.
7. Botón de RESET, este botón, así como el pin mencionado anteriormente
permiten resetear el microcontrolador haciendo que reinicie el programa.
8. Pines de programación ICSP, son usados para programar microcontroladores
en protoboard o sobre circuitos impresos sin tener que retirarlos de su sitio.
9. LED ON, enciende cuando el Arduino está encendido.
10. LED’s de recepción y transmisión, estos se encienden cuando la tarjeta se
comunica con el PC. El Tx indica transmisión de datos y el Rx recepción.
11. Puerto de conexiones, está constituido por los pines de entradas o salidas
digitales desde la cero hasta la 7. La configuración como entrada o salida debe
ser incluida en el programa. Cuando se usa el terminal serial es conveniente no
utilizar los pines cero (Rx) y uno (Tx). Los pines 3, 5 y 6 están precedidos por el
símbolo ~, lo que indica que permiten su uso como salidas controladas por
ancho de pulso PWM.
[45]
12. Puerto de conexiones, incluye 5 entradas o salidas adicionales (de la 8 a la 12),
las salidas 9, 10 y 11 permiten control por ancho de pulso; la salida 13 es un
poco diferente pues tiene conectada una resistencia en serie, lo que permite
conectar un led directamente entre ella y tierra. Finalmente hay una salida a
tierra GND y un pin AREF que permite ser empleado como referencia para las
entradas análogas.
13. Este led indica el estado del pin 13, también funciona como led interno del
arduino.
14. Pines de conexión para la comunicación.
15. Chip de comunicación que permite la conversión de serial a USB
3.3 ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO EN UN PROGRAMA CAD-CAE.
Para el diseño del prototipo se utilizó el sistema el software Solidworks, ya que se
pueden crear los componentes de las medidas reales, y de esta forma saber cómo
quedará conformada la instalación en forma de simulación.
3.3.1 DIODO LÁSER.
El láser se instaló a un costado del tanque direccionado exactamente hacia la
fotorresistencia, de tal modo que la luz láser se reflecte exactamente en el centro
del receptor para que ningún otro factor (luz ambiente o líquido dentro del tanque
de almacenamiento) pueda afectar a las mediciones. (Figura 3.2) [12].
Figura 3.2 Instalación del diodo láser dentro del tanque atmosférico
[46]
3.3.2 FOTORRESISTENCIA.
La fotorresistencia se instaló del otro costado del tanque, de tal forma que esté
alineado con el emisor (láser) y sea capaz de recibir el haz de luz con su respectiva
tensión sin ninguna interferencia. Al igual que en el emisor láser se instalará una
protección o sello de seguridad, para evitar fugas de los líquidos que se encuentran
dentro del tanque. (Figura 3.3) [12].
Figura 3.3 Instalación de la foto resistor dentro del tanque atmosférico
3.3.3 INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE EMISOR Y RECEPTOR.
Aquí se muestra como se ubica el láser emisor y el receptor dentro del tanque, se
tienen tres niveles (alto, medio y bajo) para esto tres diferentes emisores y
receptores, cada uno de ellos enviara una señal al controlador para que se lleve a
cabo la programación realizada. (Figura 3.4) [12].
Figura 3.4 Vista frontal de la instalación del tanque atmosférico
[47]
3.3.4 CAJA DE CONTROL.
Para la elaboración de la caja de control de consideran los tres niveles ya
mencionados, por lo tanto, se colocan leds indicadores por cada nivel, botones de
activación para cada función que se encuentra dentro de la programación, como lo
son la activación del motor o bomba, la activación de la válvula que está conectada
al siguiente proceso y la activación de la válvula de desagüe. (Figura 3.5) [12].
Figura 3.5 Caja de control
3.3.5 BOMBA.
Para la selección de la bomba se tomó como referencia una de las bombas más
comunes de ½ hp, pero se utilizó una bomba Evans, debido a que es la más
económica y cumple con el funcionamiento requerido, el cual es llenar el tanque
atmosférico del líquido con el que se encuentre conectado. (Figura 3.6) [12].
Figura 3.6 Bomba hidráulica
[48]
3.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.
El proceso consiste en tres estados de nivel que son alto, medio y bajo, los cuales
serán indicados por el láser y el receptor.
Al estar en contacto el láser con el receptor, el receptor recibe cierta cantidad de
tensión la cual se envía al controlador en una señal digital, esta indicara si la luz del
láser está incidiendo sobre el receptor. (Figura 3.7) [12].
Cuando el líquido interfiere entre la señal del receptor, este deja de recibir la tensión
y manda a llamar otra condición dentro de la programación.
Figura 3.7 Integración de componentes de SolidWorks
Dentro del diseño se toma en cuenta una tubería, la cual se ocupará para ocultar
los cables que salen de la caja de control y están directamente conectados con el
tanque atmosférico, y otra tubería que sale también de la caja de control, pero oculta
los cables que van conectados directamente a la bomba, la cual es encargada del
llenado del tanque. Esto se puede observar mejor en la vista isométrica del diseño,
se muestra a continuación. (Figura 3.8) [12].
[49]
Figura 3.8 Vista isométrica del tanque atmosférico
3.5 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA.
Para los circuitos electrónicos que integran el prototipo sensor de nivel se
consideran los componentes electrónicos seleccionados para analizar las
características técnicas de cada uno y saber si su conexión en conjunto funciona
correctamente.
Para poder realizar la conexión de los componentes se identifican las distintas
terminales ya sea de alimentación, entradas, salidas, verificando su diagrama de
conexión en las hojas de datos técnicos de cada componente.
El diseño de los circuitos del prototipo sensor de nivel es conformado por dos partes:
Circuito de etapa de control y circuito de potencia. A continuación, se describe cada
uno de ellos.
[50]
3.5.1 CIRCUITO DE INDICADORES.
En el siguiente diagrama se muestra como se hizo la conexión de los indicadores
con el controlador Arduino, para posteriormente hacer la simulación.
Este circuito está compuesto principalmente por el láser, resistencias,
fotorresistencia y el indicador, los cuales están conectados de la siguiente manera,
para posteriormente dentro de la programación hagan correctamente su
funcionamiento (Figura 3.9) [12].
Figura 3.9 Diagrama esquemático de conexión de indicadores
3.5.2 SIMULACIÓN VIRTUAL DEL CIRCUITO DE INDICADORES.
Dentro del siguiente diagrama se muestra la simulación de los indicadores,
únicamente se muestra cuando no se encuentra un líquido en el nivel. La simulación
se activa mediante una luz virtual apuntando a la fotorresistencia del circuito, de
modo que no active el led indicador, se hicieron distintas pruebas de simulación para
corroborar que las resistencias incluidas sean las correctas. (Figura 3.10) [12].
[51]
Figura 3.10 Simulación virtual de indicadores
En este diagrama se muestra la simulación cuando existe algún líquido en el sensor,
y el indicador se activa. Se puede observar como la iluminación virtual deja de
enfocar a la fotorresistencia y el led indicador se activa, de esta forma se puede
observar que las resistencias seleccionadas son correctas, ya que el circuito cumple
con las condiciones deseadas. (Figura 3.11) [12].
Figura 3.11 Simulación virtual de indicadores encendidos
[52]
3.5.3 CIRCUITO DE SENSOR DE NIVEL.
En el siguiente diagrama se muestra la conexión de los tres indicadores de nivel que
conforman el sensor, además se observan la conexión de los láseres, los cuales
son indicados como diodos normales.
Dentro del diagrama se muestran los pines del programador Arduino que se van a
utilizar, estos mismos son los pines que se utilizan dentro de la programación (Figura
3.12) [12].
Figura 3.12 Diagrama esquemático de conexión de los tres niveles
3.6 DIAGRAMA DE FLUJO APLICADO AL SENSOR DE NIVEL
Tomando en cuenta los procesos de cada uno de los sensores de nivel, se eligió
como base el método de interferencia y mediante el programador se integrarán
nuevas etapas. (Figura 3.13) [12].
Las nuevas etapas que se integran son las siguientes:
Indicadores para cada nivel.
Activación de una bomba.
Activación de una válvula de desfogue.
[53]
Figura 3.13 Diagrama de flujo del proceso
Bomba = 1
Led 1 = 0
Led 2 = 0
Led 3 = 0
Bomba = 1
Led 1 = 1
Led 2 = 0
Led 3 = 0
Bomba = 1
Led 1 = 1
Led 2 = 0
Led 3 = 0
Bomba = 0
Led 1 = 1
Led 2 = 1
Led 3 = 0
Led 1 = 1
Led 2 = 1
Led 3 = 0
Bomba = 1
Bomba = 0
Led 1 = 1
Led 2 = 1
Led 3 = 1
Sensor 1 = 0
NO
Sensor 2 = 0
Botón 1 = 1
Sensor 3 = 0
Válvula = 1
Válvula = 0
Botón 2 = 1
Sensor 1 = 1
[54]
CAPÍTULO IV
INTEGRACIÓN Y
FUNCIONAMIENTO DEL
SENSOR DE NIVEL
En este capítulo se describe la integración de las partes del mecanismo y los circuitos, así
como el funcionamiento del prototipo.
[55]
4.1 ELABORACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS.
Los diagramas electrónicos se realizaron previamente en la tablilla de pruebas para
corroborar si los elementos que se utilizarían eran los apropiados, y el circuito
completo tuviera el funcionamiento deseado.
Para las pruebas en la tablilla de pruebas se utilizó un elemento opaco, en este caso
cintra, simulando que era algún líquido.
En la siguiente figura se muestra como se activa el primer indicador (led) cuando se
coloca la cintra entre el láser y la fotorresistencia, esto simula el indicador de nivel
bajo únicamente (Figura 4.1) [12].
Figura 4.1 Prueba del indicador de nivel bajo
También se aplica la prueba de programación dentro de la tablilla de pruebas, se
simula que existe líquido hasta el nivel medio, de modo que se podrá activar el botón
de llenado o auto llenado para activar la bomba (Figura 4.2) [12].
[56]
Figura 4.2 Prueba de los indicadores de nivel bajo y medio
Continuando con la prueba de programación, se muestra en la figura como se
activan los tres indicadores, de esta forma se puede cumplir la condición de que el
motor se detiene a pesar de que se le de alguna instrucción manual. (Figura 4.3)
[12].
Figura 4.3 Prueba de los indicadores de los tres niveles
En la siguiente figura se muestran los sensores cuando no existe ningún líquido, o
no se coloca la cintra, de manera que la tensión del láser llega directamente a la
fotorresistencia y por lo tanto como es que los indicadores no se activan (Figura 4.4)
[12].
[57]
Figura 4.4 Indicadores cuando no existe ningún líquido en los sensores
4.2 ELABORACIÓN DE DIAGRAMAS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS.
Los diagramas electrónicos se realizaron previamente en las tablillas de prueba para
saber los elementos con los que debía contar la placa tanto de control como de
potencia.
Para realizar el circuito impreso se utilizó el software Eagle 7.1.0, en un comienzo se
diseño el circuito esquemático (Figura 4.5) [12], el cual consiste en colocar los
componentes ya mencionados y probados anteriormente con sus respectivas
conexiones, posteriormente de ese mismo circuito esquemático se creó el ruteo
(acomodar automáticamente las pistas) de las pistas de conexión para que los
componentes previamente seleccionados en el circuito esquemático se
acomodaran sobre la superficie de la placa fenólica, se determinó también el tamaño
de la placa fenólica, y por último se acomodaron las pistas.
Dei igual forma, se realizaron ambas tarjetas de circuito PCB: Una correspondiente
a la etapa de control y la segunda corresponde a la etapa de potencia para la bomba
y la electroválvula. Posteriormente se muestra la descripción de ambas tarjetas de
circuito. (Figura 4.6) [12].
[58]
Figura 4.5 Diagrama esquemático de circuito de sensor de nivel
[59]
Figura 4.6 PCB de circuito de sensor de nivel
4.2.1 PARTES DE LA TARJETA DEL CIRCUITO IMPRESO.
Aquí se muestran los componentes de los cuales está conformado la placa (Figura 4.7) [12].
Figura 4.7 PCB real de circuito de sensor de nivel
[60]
1. Puertos de conexiones para salidas de Arduino
2. Leds indicadores de nivel
3. Salida para motor a 5 V o alimentación para placa de etapa de potencia
4. Botón pulsador (su función depende de la programación)
5. Salidas de diodo láser
6. Entradas de sensor receptor
7. Puerto de entradas análogas
Se muestra como se conecta el circuito impreso con el programador
Arduino, además de la conexión con el motor. (Figura 4.8) [12].
Figura 4.8 Conexión de PCB con Arduino
4.2.2 ELABORACIÓN DE DIAGRAMA DE CIRCUITO DE POTENCIA PARA
ELECTROVÁLVULA.
El circuito del sensor tiene de salida 5 V, por lo cual se necesita el circuito de
potencia, de esta manera se puede alimentar una electroválvula de tensión y
corriente más elevada, además de que cuenta con una protección para que no se
dañe el programador.
[61]
A continuación, se muestra el diagrama esquemático realizado en software Eagle
7.1.0, el cual cuenta con tres entradas para pin headers, una para la alimentación
del circuito, otra para la señal que enviará el arduino, y otra para poder conectar
la electroválvula, de esta forma hacer las conexiones con los demás componentes
y cerrar el circuito, para su correcto funcionamiento (Figura 4.9) [12].
Figura 4.9 Diagrama esquemático de circuito de potencia para electroválvula
Tomando como referencia el diagrama esquemático, con el mismo software, se
creó el circuito impreso (Figura 4.10) [12], de este modo se logró tener la placa
impresa y hacer segura la conexión con el circuito impreso de los sensores.
Figura 4.10 PCB de circuito de potencia para electroválvula
En la siguiente figura se muestra el orden de los componentes que fueron
utilizados dentro de la placa, y posteriormente una breve descripción (Figura 4.11)
[12].
[62]
Figura 4.11 Conexión de circuito impreso de potencia de electroválvula
1. Resistor de 1KΩ
2. Pin de la señal de Arduino
3. Pin de Alimentación independiente a 12 V
4. Pin de Conexión del motor
5. Transistor 2N2222a
6. Relé a 6 V
4.2.3 ELABORACIÓN DE DIAGRAMA DE CIRCUITO DE POTENCIA PARA LA BOMBA.
Como ya se había mencionado el circuito de control tiene de salida 5 V como
máximo, por lo cual es necesario aumentar la tensión y corriente para poder
conectar cualquier tipo de bomba, el prototipo utiliza un circuito que funciona como
un switch, esto quiere decir que permite o no el paso de corriente, dependiendo
de la señal que envié el programador, también se utiliza como protector para el
Arduino mediante el transistor que se utiliza, y un relé el cual tiene la función del
switch que interfiere en la corriente alterna a la cual va conectada el motor, que
generalmente es de cualquier tomacorriente a 127 V. (Figura 4.12) [12].
[63]
Figura 4.12 Diagrama esquemático de circuito de potencia para bomba
Se muestra que existen dos alimentaciones, una a 11 V que es la alimentación
independiente del circuito de potencia, y una a 127 V la cual tiene dos entradas
esto debido a que en una se conecta a 127V y en la otra la bomba, de esta forma
van conectadas al relé y se hace la acción de activar o desactivar, por último, se
cuenta con una entrada para la señal del arduino, el cual depende de la
programación hará la función. (Figura 4.13) [12].
Figura 4.13 PCB de circuito de potencia para bomba
4.3 CONDICIONES DE PROGRAMACIÓN.
Para que el sensor de nivel tenga el funcionamiento deseado primero se identificó
el objetivo del equipo y se plantearon las condiciones de funcionamiento.
Las condiciones de funcionamiento son las siguientes:
[64]
La interfaz del usuario muestra las opciones a elegir, las cuales son:
Llenar automáticamente, llenar a nivel medio y accionar válvula.
Al activar el “Botón 1” inicia la rutina de llenado únicamente al nivel medio del tanque.
Al activar el “Botón 2” se activa la electroválvula que permite el desfogue
del líquido que se encuentre dentro del tanque.
Cuando el líquido activa el sensor bajo y medio, la bomba se desactiva,
pero mediante un botón se vuelve a activar, hasta llegar al nivel alto, se
desactiva automáticamente.
Al tener los tres niveles activos, mediante un botón, se puede activar la
electroválvula que permite el desfogue del líquido.
En la siguiente tabla (Tabla 4.1) [12] se muestran las variables que se utilizaron
dentro de la programación, el tipo de variable que son y su funcionamiento.
Tabla 4.1 Variables de programación
NOMBRE DE
LA VARIABLE
TIPO DE
VARIABLE
DESCRIPCIÓN
ledPin Constante Se define el pin de salida para un indicador
ledPinD Constante Se define el pin de salida para un indicador
ledPinP Constante Se define el pin de salida para un indicador
valorsensor Flotante Almacena el valor del sensor de nivel bajo
valorsensord Flotante Almacena el valor del sensor de nivel medio
valorsensorp Flotante Almacena el valor del sensor de nivel alto
Motor Constante
interno
Se define el pin de salida para la activación
de la electroválvula
[65]
Push1 Constante Se define el pin de entrada para el botón de
la primera condición
botón Constante Se define el pin de entrada para el botón de
la segunda condición
Bomba Constante
interno
Se define el pin de salida para la activación
de la bomba
La siguiente tabla (Tabla 4.2) [12] muestra las entradas y salidas del programador
que se utilizan, así como función.
Tabla 4.2 Entradas y salidas
PUERTOS DE SALIDAS Y
ENTRADAS
DESCRIPCIÓN
Puerto D2 Puerto de salida que activa el indicador bajo
Puerto D4 Puerto de salida que activa el indicador medio
Puerto D8 Puerto de salida que activa el indicador alto
Puerto D0 Puerto de entrada que recibe un pulso lógico por
medio del primer push button
Puerto D10 Puerto de entrada que recibe un pulso lógico por
medio del segundo push button
Puerto D12 Puerto de salida que envía un pulso lógico para
activar la electroválvula
Puerto D7 Puerto de salida que envía un pulso lógico para
activar la bomba
A continuación, se muestra el diagrama de flujo del programa (Figura 4.14, 4.15)
[12] en primera instancia se declararon las variables de los sensores con respecto
[66]
al pin del arduino con el que se van a utilizar. Así como las variables de las salidas
que se van a activar como lo son el motor y el actuador.
El menú void loop consiste en hacer las operaciones correspondientes para
transformar el valor hexadecimal a un valor en voltaje, para que de esta manera se
pueda hacer una relación con respecto a los sensores, cabe mencionar que la
operación se hace en cada uno de los sensores para que, en todos, el valor sea
analógico. Los comandos de serial.printIn analizan si el láser se encuentra
proyectado con su LDR correspondiente, así como le asigna la variable ya
previamente establecida. Este comando se utilizó con los tres LDR, debido a que
cada uno es una variable distinta.
Los comandos if se utilizaron de la siguiente forma: si la variable del voltaje es
mejor a el voltaje que otorga al láser al LDR activa un comando, en este caso LOW
lo cual significa que el LED estará apagado y no sensará nada, de otra forma se
activa el comando else para que haga lo contrario y de esta forma funcione como
indicador. Este comando se utilizó con las diferentes variables de los sensores.
Para activar el motor se utilizó también el comando if, las condiciones consisten en
lo siguiente:
Cuando este activado el sensor de nivel bajo, automáticamente la bomba se activa,
hasta llegar al nivel miedo y de esta manera el usuario tenga la posibilidad de
volverla activar. En nivel alto es imposible arrancar la bomba, esto para evitar
derramamientos, y por seguridad.
También se colocó un delay, este para acciones de seguridad principalmente para
el desfogue, funciona como un temporizador para que después de un tiempo que
se utiliza la electroválvula del desfogue, se detenga automáticamente.
También se asignan valores a los botones que utilizara el usuario, de esta forma
al activar los valores, el programa permite activar los comandos con los cuales
están relacionados, por ejemplo, al activar el botón 1, se activa el if previamente
mencionado para que la bomba se pueda accionar.
[67]
Figura 4.14 Diagrama de flujo de programación
Bomba, low
ledPin, high
ledPinD, high
ledPinP, low
Bomba, high
voltaje, voltajed,
voltajep, ledPin,
ledPinD, ledPinP, val,
val2, motor, bomba
SI Voltaje>4.5&&voltajed>4.5&&voltajep>4.5
NO
SI Voltaje<4.5&&voltajed>4.5&&voltajep>4.5
NO
NO
Voltaje<4.5&&voltajed<4.5&&voltajep>4.5
SI
NO
val = high
SI
Bomba,
high ledPin,
low ledPinD,
low ledPinP,
low
Bomba, high
ledPin, high
ledPinD, low
ledPinP, low
[68]
Figura 4.15 Diagrama de flujo de programación
[69]
4.4 PRUEBAS DE SIMULACIÓN.
Para hacer las pruebas del sensor se utilizó el software LabView 2013 en el cual
mediante una relación de un medidor de tensión y la señal que recibe la
fotorresistencia se comprueba si los sensores realmente detectan. Para realizar
la simulación, se debe de instalar una paquetería para que funcione el
programador Arduino en conjunto con LabView, de otra manera los sensores no
indicarán nada dentro del software. Una vez hecha la sincronización de ambos, se
realiza la conexión de los indicadores que se tienen dentro de las librerías de
LabView, para que de esta forma se pueda observar si los sensores, realmente
están captando una señal.
Cuando existe algún líquido dentro del nivel en el que se encuentra el sensor,
dentro de la interfaz se mostrara que existe algún cambio de tensión con respecto
al sensor, en la Figura 4.16 [12] se observa este cambio en el primer sensor.
Figura 4. 16 Comprobación de nivel alto
Continuando con las pruebas del sensor, se muestra como al recibir el nivel
medio, existe el cambio de tensión mencionado previamente. (Figura 4.17) [12].
[70]
Figura 4.17 Comprobación de nivel medio
La siguiente figura muestra cuando el sensor de nivel bajo cambia su tensión, esto
quiere decir que existe algún líquido o elemento (Figura 4.18) [12].
Figura 4.18 Comprobación de nivel bajo
El receptor recibe distinta tensión dependiendo de la distancia a la que se
encuentre el láser, es importante monitorear, ya que esta tensión se utiliza para
[71]
que la programación funcione, esto se puede hacer mediante un monitor serial
que te ofrece arduino, únicamente se tiene que referenciar, la entrada analógica
a la que está conectada el sensor.
Mediante el monitor serial que ofrece arduino, mostrara una cantidad, tanto
hexadecimal, como ya convertido completamente en tensión, dependiendo de
cómo se indique en la programación. (Figura 4.19) [12].
Figura 4.19 Monitor serial de salida analógica en Arduino
4.5 INTERFAZ EN LABVIEW
En el funcionamiento de LabView, se necesitan hacer conexiones dentro del
programa para que pueda funcionar con el programador Arduino, las conexiones
dependen de los instrumentos o elementos que se deseen en la interfaz. (Figura
4.20) [12].
[72]
Figura 4.20 Diagrama de bloques de LabView
La siguiente figura muestra los elementos que se utilizan dentro de la interfaz, así
como su funcionamiento a nivel bajo, se muestra en el indicador de la bomba que
comienza a funcionar cuando el indicador de nivel bajo se encuentra activado.
(Figura 4.21) [12].
[73]
Figura 4.21 Interfaz nivel bajo
Se muestra en la Figura 4.22 [12] que, al activar el indicador de nivel medio, el
motor deja de funcionar, esto se puede observar en el mismo indicador del motor,
de modo a que este se activara hasta que se oprima el botón. (Dependiendo de
la función que se le asigne).
Figura 4.22 Interfaz nivel medio
[74]
En la siguiente figura se muestra el nivel alto, como es que el motor deja de
funcionar y la válvula comienza a funcionar para que el líquido puede pasar al
siguiente proceso, se debe tomar en cuenta que se colocó un botón de paro, así
como la opción para seleccionar que tipo va a ser la conexión y que tipo de
programador se va a utilizar. (Figura 4.23) [12].
Figura 4.23 Interfaz nivel alto
4.6 INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO.
Para colocar las fotorresistencias dentro del tanque a escala, se realizaron
orificios dentro de una barra de acrílico de forma que las terminales de la
fotorresistencia se coloquen a través de la barra, para evitar algún corto mediante
el líquido y además poder fijar las fotorresistencias. (Figura 4.24) [12].
[75]
Figura 4.24 Instalación del sensor en el tanque
De igual forma se realizaron orificios perfectamente alineado con los orificios de
las fotorresistencias, para que pudiera ingresar el láser, si no están alineados la
tensión no será la misma y se tendrá que cambiar en la programación, debido a
que el sensado es a través de la tensión que recibe la fotorresistencia.
Se debe colocar sellador para prevenir alguna fuga del líquido y no afecte a los
componentes electrónicos. (Figura 4.25) [12].
Figura 4.25 Vista de colocación de láseres y fotorresistencias
[76]
4.7 INTEGRACIÓN DE LA CAJA DE CONTROL.
Dentro de la caja de control están integrados los circuitos previamente realizados
y probados, estos deben de estar bien distribuidos, debido a que algunos manejan
altas tensiones a 127 V y pueden llegar a afectar al programador y al circuito que
se alimenta a menor tensión, de esta manera se evita algún corto o mal
funcionamiento.
En la Figura 4.26 [12] se muestra como se conectan los pines del circuito de
control con los pines del programador ya antes definidos, además se cuenta con
perforaciones para colocar los indicadores, así como los botones en la parte
superior de la caja de control. De modo que en la vista superior se muestre
correctamente para el usuario. (Figura 4.27) [12].
Figura 4.26 Conexión de indicadores con el circuito de control
[77]
Figura 4.27 Vista del usuario de la caja de control
4.7.1 INTEGRACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA DE LA BOMBA
En la siguiente figura se muestra como se colocó el circuito de la etapa de
potencia, debajo de ellos se colocó una esponja, esto únicamente por precaución,
ya que si las corrientes se juntan se puede hacer un cortocircuito, de a etapa de
potencia se sacan lo cables para poder conectar la bomba, en este caso una
bomba de 3 watts, pero se pueden conectar bombas más grandes. (Figura 4.28)
[12].
Figura 4.28 Conexión de etapa de potencia de la bomba
[78]
4.7.2 INTEGRACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA PARA LA ELECTROVÁLVULA.
El circuito de potencia se colocó en la tapa, esto debido a la distribución y por
seguridad, ya que ambos circuitos de potencia manejan altas tensiones y es
mejor mantenerlos lo más alejados posibles. (Figura 4.29) [12].
Figura 4.29 Conexión de etapa de potencia de electroválvula
4.8 INTEGRACIÓN COMPLETA.
En la siguiente figura se muestra como se conforma completamente, el tanque con
los sensores, la caja de control y la computadora donde se observa la interfaz,
los dos últimos conectados mediante USB, además se muestran los indicadores
de cada nivel.
Para la bomba y electroválvulas se observa que hay una salida de conexiones, la
bomba que se utilizo es a 127 V y 3 watts, pero se pueden colocar bombas más
grandes, debido al circuito de potencia, por ejemplo, de ½ hp o ¾ hp.
También se muestra un pequeño actuador que hace la función de una
electroválvula ya que envía un pulso para activar el solenoide de la electroválvula,
pero para observar el funcionamiento se colocó el actuador. (Figura 4.30) [12].
[79]
Figura 4.30 Integración completa
4.9 PRUEBAS
Para comprobar la función del sensor se realizaron pruebas en tamaño escala,
las pruebas consistieron en vaciar distintos tipos de líquidos, debido a que tienen
diferente transparencia. Y de esta manera observar el comportamiento de la
tensión que recibe el LRD, a través de cada líquido.
La prueba que se observa a continuación fue realizada con leche, fue
seleccionada debido a que la leche es completamente opaca, además de que uno
de los líquidos más ocupados dentro de la industria, principalmente alimenticia, es
la leche. (Figura 4.31) [12].
Figura 4.31 Prueba con leche
[80]
Las demás pruebas se realizaron con agua y colorante, esto debido a que se
simulan líquidos con distinta transparencia, y de esta forma poder observar el
comportamiento de la tensión entre el láser y el sensor. Las pruebas se realizaron
con los colorantes verde, naranja y rojo.
Figura 4.32 Prueba con colorantes
Al hacer las distintas pruebas se puede observar que el agua traslucida permite
pasar mayor tensión que un líquido opaco (leche), esto nos permite observar que
mientras más opaco sea el líquido menos tensión permite pasar, estas lecturas
gracias a el monitor serial que ofrece el software del microcontrolador.
Al tener este cambio de tensión se determina un rango de tensión para el sensor
entre 0.52 y 0.46 permitidos, esta tensión se utiliza dentro de la programación
para que el microcontrolador tenga una referencia y funciones correctamente.
Tabla 4.3 Pruebas de tensión
LÍQUIDO TENSIÓN RECIBIDA
POR
FOTORESISTENCIA
Agua (traslucida) 2.1 Volts
Agua Naranja 0.51 Volts
Agua Verde 0.52 Volts
[81]
Agua Roja 0.46 Volts
Leche 0 Volts
Refresco 0.23 Volts
4.10 COSTOS
Se analizan los costos de los componentes que integran al prototipo sensor de nivel.
4.10.1 COSTOS DE MATERIALES
Es necesario hacer una estimación de los costos de los materiales que se van a
utilizar para la elaboración del proyecto.
Los materiales dedicados para la elaboración de los circuitos de potencia y control
implementados en este proyecto se enlistan en la tabla 1 mostrando los costos
de cada elemento, obteniendo así el costo general de componentes electrónicos.
Tabla 4.4 Materiales
DESCRIPCIÓN
FABRICANTE COSTO
UNITARIO
CANTIDAD COSTO TOTAL
Fotorresistencias LION CHIP $ 15.00 3 $ 45.00
Diodo Láser Vorice $ 80.00 3 $ 240.00
Arduino uno Arduino $ 120.00 1 $ 120.00
Juego de pinzas PRETUL $ 140.00 1 $ 140.00
Placa fenólica de una cara
Sodimac $ 20.00 2 $ 40.00
Protoboard Steren $ 80.00 2 $ 160.00
Contenedor de acrílico
$ 240.00 1 $ 240.00
Cautín PRETUL $ 60.00 1 $ 60.00
Botella de cloruro férrico
Steren $ 15.00 1 $ 15.00
Soldadura 60/40 (rollo)
TRUPER $ 305.00 1 $ 305.00
[82]
Bomba (Motor a 12 volts)
Slot Girona $ 15.00 1 $ 15.00
Jumpers (20 cm) Steren $ 5.50 20 $ 110.00
TOTALES 37 $ 1,490.00
4.10.2 COSTOS DE CADA ACTIVIDAD
Además de los materiales utilizados para la elaboración del proyecto resulta
necesario contar con el factor humano de la ingeniería en sus fases de acción,
estas actividades profesionales es necesario considerarlas dentro del costo total
del proyecto. [10]
Tabla 4.5 Costos de cada actividad
No. Actividad Costo en Pesos
1 Conceptualización de la idea 3000
2 Esquematización del proceso 1000
3 Planteamiento del problema 1000
4 Formulación de posibles soluciones 2000
5 Fiabilidad de las soluciones 1000
6 Planteamiento de componentes del sistema
(diodos láser, fotorresistencias,
microcontrolador)
1000
7 Selección de la solución adecuada 2000
8 Planteamiento del modelo de solución del
sistema
5000
9 Simulación de detección de niveles del líquido
en el tanque
3000
10 Propuesta de control de nivel para el tanque de
almacenamiento en Arduino UNO
3000
11 Programación 5400
[83]
Los cálculos restantes se harán cuando se apruebe el proyecto e implemente de forma real.
Gastos de Ingeniería Conceptual: $ 27,400
4.10.3 CALCULO DE COSTOS
Para el total del costo del prototipo se considera únicamente la mano de obra y
los materiales utilizados para su elaboración.
Debe tenerse en cuenta un factor de protección económica del 25% para el
cálculo total de los costos generados por los materiales en el entendido que de
un tiempo a otro dicho costo se modifica, mientras que para la mano de obra se
debe considerar el IVA de 16%.
MANO DE OBRA Y COSTO TOTAL DEL PROTOTIPO
Considerando que en el proyecto participaran 3 ingenieros en control y
automatización recién egresados y que el salario mínimo para un ingeniero sin
experiencia de esta rama, por hora, es de $350.00, entonces tendremos lo
siguiente:
Duración aproximada de la instalación: 15 horas
Salario mínimo por hora: $350.00
Subtotal: $ 5250.00
No. de participantes: 3
Por lo tanto:
Costo total de mano de obra: $ 15,750
El costo total del prototipo resulta entonces de:
COSTO TOTAL= Costo total de mano de obra + Costo total de los materiales
+ Gastos de Ingeniería Conceptual
COSTO TOTAL = $ 44640+IVA
[84]
CONCLUSIONES
[85]
Para las pruebas se hizo un prototipo a escala, para probar las condiciones de programación,
las cuales funcionaron correctamente. También se hizo una prueba de distancia, debido a que
los tanques atmosféricos son de dimensiones más grandes, la cual fue hecha a más de 200
metros, y la tensión funciono correctamente.
Haciendo referencia al primer objetivo específico se encontró que dentro de la amplia diversidad
de sensores de nivel los que funcionan con rayos láser son los que más alcance tienen, teniendo
un rango mayor a los veinticinco metros que son los rangos máximos en comparación con los
sensores empleados actualmente, además de que es capaz de sensar cualquier líquido o sólido,
es por esta razón que en este trabajo se empleó un láser.
Se generó una propuesta de instalación de los láseres empleando un programa CAD-CAE,
debido a que es un prototipo nuevo se necesita plantear primero como estará compuesto para
posteriormente poder instalarlo, de esta manera es más fácil determinar las medidas del
prototipo a escala.
El algoritmo de programación que se desarrolló en un software de Arduino presenta las
siguientes características, control de la tensión del receptor, facilidad de conexión con distintos
software de lecturas, y fácil control sobre indicadores, donde la pruebas realizadas mostraron
que la programación funciona correctamente a pruebas al vacío, y al agregar un líquido se tiene
que editar la tensión que se maneja dentro de la programación para los receptores, debido a
que el láser reduce su potencia.
Para la prueba de líquidos se hicieron con agua, agua con distintos colorantes los cuales fueron
verde, morado, rojo, naranja, aceite y leche, se observó que deben de ser opacos o traslucidos,
debido a que los líquidos transparentes como lo es el agua, permite el paso de tensión entre el
láser y el receptor, por lo tanto, no se envía ninguna señal, además debido a la bomba pequeña
que ocupamos no se pueden incluir líquidos muy viscosos, pero al cambiar la bomba es posible.
Lo anteriormente presentado ha derivado que se propuso un sensor de nivel que funciona
empleando un microcontrolador el cual se conectó a través de una interfaz gráfica para
monitoreo del nivel en el tanque, la comunicación empleada permite que el sensor pueda
mostrar resultados a través del LabView, sino que también es posible vincularlo con otro tipo de
interfaces.
[86]
GLOSARIO DE TÉRMINOS Y ABREVIATURAS
PWM: La modulación por ancho de pulsos una señal o fuente de energía es una técnica en la
que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.
Diodo láser: El diodo láser es un dispositivo semiconductor que bajo condiciones adecuadas
emite luz láser.
Emisor: Es aquel que envía un mensaje en un código apropiado para ser adecuadamente
recibido y comprendido por el receptor, dando forma así al proceso comunicativo que puede
suceder de diversas e infinitas maneras.
Fotorresistencia: Son detectores de luz a base de semiconductores que no tiene una unión
PN.
HMI: Interfaz Hombre-Máquina.
Ingeniería conceptual: Plan o resumen que resulta de los trabajos preliminares y selección de
la mejor opción y la mejora en la precisión de los estimados de costos, que son necesarios para
desarrollar la fase de planificación del proyecto.
LED: Diodo emisor de luz.
Monocromático: Radiación electromagnética de una sola longitud de onda.
Ohm: El ohm es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de la
corriente eléctrica y se representa con el símbolo o letra griega " (omega).
PCB: Placa de circuito impreso.
Planeación del proyecto: Previsión en tiempos y recursos de un proyecto elaborado con base
en sus variables.
Tablilla de pruebas: Tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes
electrónicos y cables para armar circuitos.
Receptor: Es el destinatario que recibe la información suficiente.
[87]
Recipiente atmosférico: Depósito diseñado para su utilización dentro de más o menos vanos
centenares de pascales (unas cuantas libras por fi cuadrado) de presión atmosférica.
Resistencia eléctrica: Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su
paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las
cargas eléctricas o electrones.
Sensor: Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una
magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que sea capaz
de cuantificar y manipular.
Sensor fotoeléctrico: Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al
cambio en la intensidad de la luz.
Señal analógica: Es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético
y que es representable por una función matemática continúa en la que es variable su amplitud
y periodo (representando un dato de información) en función del tiempo.
Señal digital: Es un tipo de señal en que cada signo que codifica el contenido de la misma
puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en
lugar de valores dentro de un cierto rango.
Tensión: El Voltaje o la “diferencia potencial eléctrica” es una comparación de la energía que
experimenta una carga entre dos ubicaciones.
LED: Diodo Emisor de Luz
API: El American Petroleum Institute, conocido comúnmente como API, en español Instituto
Americano del Petróleo, es la principal asociación comercial de los EE. UU., representando
cerca de 400 corporaciones implicadas en la producción, el refinamiento y la distribución
m: metros
mm: milímetros
cm: centímetros
ANSI: American National Standards Institute - Instituto Nacional Americano de Estándares
[88]
ANEXO A Norma de PEMEX para diseño de tanques atmosféricos
[89]
ANEXO B PROGRAMA DE SENSORES.
const int ledPin = 2; // se define el pin de salida(LED)
float valorsensor = 0; // variable que almacena el valor del sensor infrarrojo
const int ledPinD = 4;
float valorsensord = 0;
const int ledPinP = 8;
float valorsensorp = 0;
const int Motor = 12;
const int Push=10;
const int boton=0;
const int bomba=7;
int val=0;
int val2=0;
void setup()
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(ledPinD, OUTPUT);
pinMode(ledPinP, OUTPUT);
pinMode(Motor, OUTPUT);
pinMode(Push, INPUT);
pinMode(bomba, OUTPUT);
pinMode(boton, INPUT);
[90]
void loop()
valorsensor = analogRead(A1); // se lee el valor del sensor
float voltaje = valorsensor * (5.0 / 1023.0); // se escala a un rango de 0-5V
valorsensord = analogRead(A0);
float voltajed = valorsensord * (5.0 / 1023.0);
valorsensorp = analogRead(A2);
float voltajep = valorsensorp * (5.0 / 1023.0);
Serial.println(voltaje);
Serial.println(voltajed);
Serial.println(voltajep);
// analiza si el laser se encuentra proyectado sobre el LDR
if (voltaje > 4.5)
// Este valor(3.5) es referencial, dado que puede cambiar segun la distancia del laser al
sensor LDR,
digitalWrite(ledPinD, LOW); // de serlo así se mantiene apagado el LED
else
digitalWrite(ledPinD, HIGH); // de lo contrario se prende el LED
if (voltajed > 4.5 )
digitalWrite(ledPin, LOW);
[91]
else
digitalWrite(ledPin, HIGH);
if (voltajep > 4.5)
digitalWrite(ledPinP, LOW);
else
digitalWrite(ledPinP, HIGH);
if(voltaje > 4.5&& voltajed > 4.5&& voltajep > 4.5)
digitalWrite(Motor, HIGH);
if(voltaje < 4.5&& voltajed < 4.5&& voltajep < 4.5)
digitalWrite(Motor, LOW);
if(voltaje > 4.5&& voltajed < 4.5&& voltajep < 4.5)
digitalWrite(Motor, LOW);
[92]
val=digitalRead(Push);
if(voltaje > 4.5&& voltajed < 4.5&& voltajep < 4.5&&val == HIGH)
digitalWrite(Motor, HIGH);
val2=digitalRead(boton);
if(voltaje < 4.5&& voltajed < 4.5&& voltajep < 4.5&&val2==HIGH)
digitalWrite(bomba, HIGH);
[93]
ANEXO C Bosquejo para la interfaz con LabVIEW
** LVFA_Firmware - Provides Basic Arduino Sketch For Interfacing With LabVIEW.
// Standard includes. These should always be included.
#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
#include <Servo.h>
#include "LabVIEWInterface.h"
/*********************************************************************************
** setup()
**
** Initialize the Arduino and setup serial communication.
**
** Input: None
** Output: None
*********************************************************************************/
void setup()
// Initialize Serial Port With The Default Baud Rate
syncLV();
// Place your custom setup code here
/*********************************************************************************
** loop()
**
** The main loop. This loop runs continuously on the Arduino. It
** receives and processes serial commands from LabVIEW.
**
** Input: None
** Output: None
*********************************************************************************/
void loop()
// Check for commands from LabVIEW and process them.
checkForCommand();
// Place your custom loop code here (this may slow down communication with LabVIEW)
if(acqMode==1)
sampleContinously();
[94]
ANEXO D Hoja de datos de Arduino UNO
[95]
ANEXO E Hoja de datos del diodo láser
[96]
ANEXO F Cálculo de las resistencias para el circuito
Para el cálculo de resistencia para el transistor 2N2222A, se considera una
ganancia de corriente de 30 según su hoja de datos (Datasheet), y por ser un
transistor NPN se tiene que existe una caída de tensión típica entre la base y el
emisor presente en los transistores de 0.7 V.
La ecuación para el cálculo de la resistencia del transistor como conmutador del
microcontrolador está dada de la siguiente forma:
𝑅 =Vi−𝑉𝐵𝐸
Icℎ𝐹𝑒⁄
(G.1)
Donde:
Vi es la tensión suministrada al circuito
𝑉𝐵𝐸 es la tensión típica entre base y emisor
Ic es la corriente del colector, que es igual a la corriente de carga en el
circuito.
ℎ𝐹𝑒 es la ganancia de corriente que tiene el transistor.
Entonces:
𝑅1 =12 𝑉−0.7𝑉500 𝑚𝐴
30⁄=
11.3 𝑉
11.67 𝑚𝐴= 968.57 (G.2)
La resistencia para este primer circuito alimentado a 12V es de 968.57 Ohms, la
resistencia comercial más cercana es de 1 KΩ.
El cálculo para el suministro de una tensión de 6V y 11V es:
𝑅2 =6 𝑉−0.7𝑉
350 𝑚𝐴30⁄
=5.3 𝑉
11.67 𝑚𝐴= 454.2 (G.3)
La resistencia para la tensión de suministro de 6V es de 454.2 Ohms, pero la
resistencia comercial más próxima a este valor es de 470 Ω.
𝑅3 =11 𝑉−0.7𝑉350 𝑚𝐴
30⁄=
10.3 𝑉
11.67 𝑚𝐴= 882.86 (G.4)
La resistencia calculada para un suministro de 11V es de 882.86 Ohms, pero la
resistencia comercial más próxima a ese valor es de 1 KΩ.
[97]
ANEXO G Hoja de datos del transistor 2N2222
[98]
ANEXO H Estándar API-650 para diseño de tanques de almacenamiento
[99]
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[1] Antonio Creus Sole
Instrumentación industrial
Alfaomega- Marcombo
[2] Diseño para la fabricación de productos soldados
Heriberto Maury Ramírez
Editorial Uninorte
[3]Electrotecnia
Peter Bastian
Editorial Akal
[4] Labview entorno gráfico de programación
José Rafael Lajara Vizcaíno
Editorial Marcombo
[5] Arduino Genuino (2016)
New York, EU
Recuperado de http://www.arduino.cc
[6] El láser
Vicente Aboites
Fondo de cultura económica
[7] Principios de
electrónica Malvino-Mc
Graw Hill Sexta edición
[8] Manual de bomba de 3 W
Evans S.A de C.V
[Arias, Isabel] El láser la luz de nuestro tiempo
Isabel Arias Tobalina
2010
[100]
[9] Láser tecnología y aplicaciones.
Samuel l. Marshall
Editorial Reverte.
[10] Cómputos, costos y presupuestos
José Luis Machhia
Editorial Nobuko
[11] Electrónica de potencia
Salvador Martínez García
Editorial Thompson
[12] Molina Miguel, García Oscar, Reyes Francisco, ESIME Zacatenco, 2015