DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO PARA LÍQUIDOS Y SENSORES DE TEMPERATURA CON SALIDA DIGIT AL

JUAN SALVADOR ROSERO TOVAR

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA SANTAFÉ DE BOGOTÁ D.C.

2001

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO PARA LÍQUIDOS Y SENSORES DE TEMPERATURA CON SALIDA DIGIT AL

JUAN SALVADOR ROSERO TOVAR

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Mecánico

Director Ing. Fabio Sierra Vargas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA SANTAFÉ DE BOGOTÁ D.C.

2001

Nota de aceptación

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

Ing. Sierra Vargas Director del proyecto

________________________________ Jurado

________________________________ Jurado

Santafé de Bogotá D.C. 22 de junio de 2001.

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

AGRADECIMIENTOS

Expreso mis más sinceros agradecimientos a aquellas personas que de una

u otra forma colaboraron moral y/o materialmente con la realización de este

proyecto:

FABIO SIERRA, Ingeniero Mecánico, profesor del área de ciencias térmicas

de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia. Director del

presente proyecto por su increíble paciencia para conmigo y por sus valiosos

aportes durante el proyecto.

NELSON COGUA, Técnico encargado del laboratorio de motores,

Universidad Nacional de Colombia. Gracias a él me llené de ganas para

culminar este proyecto. Siempre me llamó la atención su espíritu de servicio

y el sentido de pertenencia por todo aquello relacionado con la Universidad

Nacional.

CARLOS JULIO HERNÁNDEZ, Licenciado en electromecánica, encargado

del laboratorio de plantas térmicas. Gracias a él aprendí a tener un poco más

de paciencia.

JOSÉ Y LORENA, por toda la colaboración prestada durante toda mi

carrera.

WILLIAM DEL CASTILLO, fue la persona que más confianza depositó en mí.

FAMILIA ROSERO, por la ayuda económica que siempre me brindó.

ALVARO, FIDEL Y JOHN, su apoyo moral nunca lo olvidaré porque con

ustedes aprendí lo bueno que es pasar dificultades cuando tienes a alguien

te respalde.

FAMILIA RAMÍREZ-HOME, FAMILIA DEFFIT-TELLEZ, FAMILIA SUÁREZ Y

ANDRÉS, mi hermanito, gracias por dejarme contar con sus vidas y con sus

consejos, sin ellos no hubiera mejorado mi forma de ser.

ELVIS VALDIVIESO Y ALEJANDRO GALINDO, mis amigos de toda la

carrera.

A mis tíos, Salvador, David y Arturo, y a todas aquellas personas cuyos

nombres se me escapan en este momento. Gracias por su tiempo, sus ganas

y su afecto.

TABLA DE CONTENIDO

Página

INTRODUCCIÓN 15

1. MEDIDORES O SENSORES DE FLUJO

1.1 DEFINICIÓN 15

1.2 GENERALIDADES 15

1.3 PARTES DE UN SENSOR 16

1.3.1 Mecanismo de contacto directo 16

1.3.2 Transductor primario 16

1.3.3 Sistema de lectura 16

1.4 TIPOS DE SENSORES DE FLUJO 18

1.4.1 Medidores de presión diferencial 18

1.4.2 Medidores magnéticos 17

1.4.3 Medidores de desplazamiento positivo 19

1.4.4 Medidores tipo turbina 19

1.4.4.1 Factores de pérdida de energía en medidores

tipo turbina 19

2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LOS SENSORES DE FLUJO

2.1 REGÍMENES DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS:

LAMINAR Y TURBULENTO 22

2.1.1 Velocidad media de flujo 22

2.1.2 Número de Reynolds 25

2.1.3 Radio hidráulico 26

2.2 LLENADO DE LA TUBERÍA 26

3. CONSTRUCCIÓN DE LOS SENSORES DE FLUJO

3.1 RÉGIMEN DE FLUJO PARA EL RANGO DE TRABAJO 30

3.2 CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR ESCOGIDO 31

3.2.1 Número de álabes utilizado 32

3.2.1.1 Turbina de 4 álabes 33

3.2.1.2 Turbina de 6 álabes 33

3.2.1.3 Turbina de 8 álabes 34

3.2.2 Cubierta del sensor 35

3.2.3 Sistema de acople del sensor 36

3.2.4 Ventajas 53

3.2.5 Desventajas 53

4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)

4.1 DEFINICIÓN 54

4.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA 55

4.2.1 Sensores o transductores 56

4.2.2 Circuito de acondicionamiento de señales 56

4.2.3 Circuito de muestreo y retención (Sampled and Hold) 57

4.2.4 Multiplexor analógico 57

4.2.5 Conversor Análogo – Digital (A/D) 57

4.2.6 Conversor Digital – Análogo (D/A) 62

4.3 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN SAD 64

4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SAD’s 65

4.5 ERRORES QUE SE PRESENTAN EN LA DIGITALIZACIÓN

DE SEÑALES 65

5. SENSORES DE TEMPERATURA

5.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS 67

5.2 SENSORES DE TEMPERATURA 68

5.3 TIPO DE SENSOR UTILIZADO 69

5.4 CONFORMACIÓN DE LA TARJETA (SAD’s) PARA

SENSORES DE TEMPERATURA 70

5.4.1 Etapa de acondicionamiento 70

5.4.2 Tarjeta principal 72

5.4.3 Etapa de visualización 74

5.4.4 Ventajas 75

5.4.5 Desventajas 79

6. SENSORES DE FLUJO : MODO DE UTILIZACIÓN Y

FUTURAS MODIFICACIONES

6.1 CUIDADOS PARA USAR EL SENSOR DE FLUJO 81

6.2 MODO EN QUE REALIZA INTERNAMENTE LA MEDICIÓN 82

7. TARJETA SAD PARA SENSORES DE TEMPERATURA:

MODO DE UTILIZACIÓN Y FUTURAS MODIFICACIONES

7.1 CUIDADOS PARA USAR LA TARJETA 84

7.2 FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LA TARJETA 85

8. SOFTWARE PARA PROGRAMAR MICROCONTROLADORES

PIC 86

9. CONCLUSIONES 94

ÍNDICE DE FIGURAS

Página

FIGURA 1.1 Medidor de presión diferencial 18

FIGURA 1.2 Medidor magnético 18

FIGURA 2.1 Flujo laminar 23

FIGURA 2.2 Flujo en zona crítica 23

FIGURA 2.3 Flujo turbulento 23

FIGURA 2.4 Perfil de velocidades en régimen laminar 24

FIGURA 2.5 Perfil de velocidades en régimen turbulento 25

FIGURA 2.6 Tubería parcialmente llena 27

FIGURA 2.7 Tubería totalmente llena 28

FIGURA 2.8a Fotografía de turbinas artesanales 28

FIGURA 2.8b Fotografía de turbinas artesanales 28

FIGURA 3.1 Fotografía de turbinas en resina 29

FIGURA 3.2a Fotografía tarjeta de lectura del sensor de flujo 32

FIGURA 3.2b Fotografía de turbina de 4 álabes 33

FIGURA 3.3 Fotografía de turbina de 6 álabes 34

FIGURA 3.4 Fotografía de turbina de 8 álabes 35

FIGURA 3.5 Posición de cubierta inicialmente pensado 36

FIGURA 3.6 Posición de cubierta actualmente implementado 36

FIGURA 3.7 Sistema de acople del sensor 37

FIGURA 3.7a Diagrama eléctrico sensor flujo 38

FIGURA 3.8 Un imán no registra ¼ de vuelta 39

FIGURA 3.9 Cuatro imanes si registran ¼ de vuelta 39

FIGURA 3.10 Gráfico para turbina de 4 álabes y un imán(ensayo 1) 44

FIGURA 3.11 Gráfico para turbina de 4 álabes y un imán ( ensayo 2 ) 45

FIGURA 3.12 Gráfico para turbina de 4 álabes y un imán ( ensayo 3 ) 46

FIGURA 3.13 Gráfico para turbina de 4 álabes y un imán ( ensayo 4 ) 47

FIGURA 3.14 Gráfico para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 1 ) 48

FIGURA 3.15 Gráfico para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 2 ) 49

FIGURA 3.16 Gráfico para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 3 ) 50

FIGURA 3.17 Gráfico para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 4 ) 51

FIGURA 3.21 Fotografía del sensor y la tarjeta de lectura 52

FIGURA 4.1 Esquema general de un SAD 55

FIGURA 4.2 Señal digitalizada 57

FIGURA 4.3 Conversor A/D tipo escalera 60

FIGURA 4.4 Conversor A/D de aproximaciones sucesivas 61

FIGURA 5.0 Diagrama de conexiones eléctricas ampliif. operacional 71

FIGURA 5.1 Fotografía etapa de acondicionamiento 72

FIGURA 5.1a Diagrama eléctrico sensor temperatura 73

FIGURA 5.2 Fotografía tarjeta principal con las subetapas 74

FIGURA 5.3 Fotografía etapa de visualización 74

FIGURA 5.3a Diagrama conexiones display 7 segmentos 75

FIGURA 5.4 Fotografía de la tarjeta mostrando modo solo display 76

FIGURA 5.5 Fotografía de la tarjeta mostrando modo solo serial 77

FIGURA 5.6 Fotografía de la tarjeta mostrando modo display y serial 77

12

ÍNDICE DE TABLAS

Página

TABLA 3.1 Resultados para turbina de 4 álabes y un imán

( ensayo 1) 40

TABLA 3.2 Resultados para turbina de 4 álabes y un imán

( ensayo 2) 40

TABLA 3.3 Resultados para turbina de 4 álabes y un imán

( ensayo 3) 41

TABLA 3.4 Resultados para turbina de 4 álabes y un imán

( ensayo 4) 41

TABLA 3.5 Resultados para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 1) 41

TABLA 3.6 Resultados para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 2) 42

TABLA 3.7 Resultados para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 3) 42

TABLA 3.8 Resultados para turbina de 4 álabes y cuatro imanes

( ensayo 4) 43

13

INTRODUCCIÓN

La transferencia de calor es un fenómeno que está presente en la mayoría de

los procesos industriales. Se menciona éste por ser uno de los más

frecuentes y está bastante asociado con el siguiente proyecto.

En el mercado se pueden encontrar diferentes sistemas de transferencia de

calor, tales como: Intercambiador de Calor de Placas, Intercambiador de

Carcasa y Tubo, etc. Estos sistemas no pueden ser instalados

indiscriminadamente sin antes analizar dos factores de vital importancia

durante la ejecución de un proyecto: la factibilidad y la viabilidad, las cuales

determinan si es posible realizar un proyecto y que tan conveniente puede

resultar el mismo.

En el momento de diseñar un sistema de este tipo se fijan límites de

transferencia que hay que cumplir para poder garantizar su rendimiento y

resulta necesario conocer las condiciones reales de operación para saber en

que rango de eficiencia está trabajando el proceso. Esto es un punto a tener

en cuenta si se sabe que una disminución, por pequeña que sea, de este

parámetro puede representar pérdidas enormes en industrias donde los

procesos de transferencia de calor son de magnitud considerable. Unos

parámetros requeridos para realizar este análisis son: temperaturas y

caudales de los fluidos de trabajo.

En los últimos años, la Universidad Nacional de Colombia ha estado

fomentando la ejecución de proyectos de grado que tienen como objetivo

principal el desarrollo de investigaciones que permitan la creación de nuevas

tecnologías o el mejoramiento de otras ya existentes; lográndose con esto el

acondicionamiento de las diferentes instalaciones a un costo razonable para

el presupuesto de la universidad.

14

Teniendo en cuenta los anteriores aspectos, se decidió diseñar unos

sensores de flujo que permitan obtener valores de caudal con una precisión

bastante buena en el rango de 1 a 200 lt / min; dispositivo de gran

importancia en los procesos de transferencia de calor. Además, consciente

de la importancia que representa la medición de la temperatura en dicho

proceso se decidió también diseñar una tarjeta de adquisición de datos para

sensores de temperatura que pueda enviar lecturas a una base de datos, y

que al igual que los sensores de flujo, sea portátil y permita visualizar valores

en un display, en caso de faltar el computador.

Los anteriores dispositivos se realizaron con la tecnología de los

microcontroladores PIC 16F84 y 16C74B (16F874 ó 16F877) de Microchip.

15

1. MEDIDORES O SENSORES DE FLUJO

DEFINICIÓN

Un medidor o sensor de flujo, es inicialmente, un transductor (transforma un

tipo de señal en otra) que recibe un tipo de señal, dependiendo de la clase de

sensor, y la transforma en un valor de caudal.

En el siguiente trabajo se contemplan los sensores de tipo volumétrico, es

decir, miden el paso de volumen en la unidad de tiempo de un determinado

fluido, que para el caso, es agua.

GENERALIDADES

En diferentes procesos industriales es de gran relevancia conocer el flujo en

la unidad de tiempo de los fluidos de trabajo con el fin de determinar si se

está actuando a la mínima o a la máxima capacidad de operación de los

mismos. Es aquí donde juega un papel importante el sensor de flujo.

En el mercado se pueden encontrar sensores de diferentes tamaños,

principios, precisiones etc., pero dependiendo de los parámetros para la

escogencia pueden resultar bastante costosos. Este último factor ha dado

motivación para desarrollar sensores capaces de cumplir con determinados

requisitos de operación y que, ante todo, sean de fácil adquisición,

económicamente hablando. Esto porque hay usuarios que necesitan medir

caudales en diferentes puntos sin demasiada precisión; es obvio, que si no

se necesita alta precisión, no se justifica tener que adquirir un sensor de alta

designación y alto costo si se puede obtener otro de menor designación, pero

ajustado al presupuesto de los usuarios.

16

PARTES DE UN SENSOR DE FLUJO

Por lo general un sensor de flujo completo está constituido por un mecanismo

de contacto directo con el flujo que está pasando, un transductor primario y

un sistema de lectura.

Mecanismo de contacto directo

Esta es la parte que permanece en contacto con el fluido de trabajo. Dicha

parte debe cumplir con ciertos requisitos con el fin de evitar errores en las

posteriores transformaciones de señal; por lo general, éste representa el

“cuello de botella” en la construcción de estos sensores.

Transductor primario

Este dispositivo se encarga de recibir la señal enviada por el mecanismo de

contacto directo y realizar una transformación con el fin de hacer un cambio

de variable para que el sistema de lectura lo pueda interpretar.

Sistema de lectura

Éste se encarga de recibir la señal proveniente del transductor primario y

realizar una serie de acondicionamientos para poder mostrar el determinado

valor de caudal en un display o simplemente enviarlo al computador. En

cualquiera de los dos casos debe permitir visualizar en diferentes unidades,

para mayor comodidad.

Al iniciar esta sección se habló de sensor de flujo completo porque se puede

presentar el caso en el que dicho sensor esté contemplado sólo con medidor

17

de contacto directo y transductor primario. Este último arrojaría una señal de

voltaje o corriente que necesitaría ser acondicionada para relacionarla con

valores de caudal, como se dijo anteriormente.

TIPOS DE SENSORES DE FLUJO

Hay diferentes formas de medir caudal volumétrico. Los más utilizados son:

medidores de presión diferencial, medidores magnéticos, medidores tipo

turbina, medidores de desplazamiento positivo.

Medidores de presión diferencial

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

en que

Energía Cinética + Energía de Presión = Constante Ec. (1)

Una disminución del diámetro de la tubería ocasiona una restricción al paso

del fluido. La sección mínima por la cual pasa el fluido se denomina vena

contracta, figura 1.1.

Al medir la diferencia de presión (P1) aguas arriba de la restricción y en la

vena contracta (P2) y conociendo los diámetros se puede deducir que el

caudal es proporcional a la raiz cuadrada de la caída de presión:

Q = k* esiónlDiferencia Pr Ec. (2)

18

Éstos se conocen también como medidores de presión diferencial.

Medidores magnéticos

Éstos derivan su funcionamiento de la ley de inducción de Faraday. Dicha ley

establece que la tensión inducida en cualquier conductor al moverse éste

perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la

velocidad del conductor. Se construye colocando un campo magnético en

posición normal a la dirección del flujo a medir, sobre el mismo plano y

rotados 90 grados se colocan dos electrodos sobre los cuales se mide la

magnitud de la fuerza electromotriz inducida por el paso del fluido, figura 1.2.

F.E.M. Inducida

Campo magnético

Figura 1.2 Medidor magnético

P2 P1

Figura 1.1 Medidor de presión diferencial

Dirección flujo

Vena contracta

19

Medidores de desplazamiento positivo

Este tipo de transductores miden el caudal contando o integrando volúmenes

separados de líquido. La precisión depende de la holgura que se tenga en

las paredes móviles y las fijas.

Medidores tipo turbina

Está constituido por un rotor o turbina que gira con el paso del fluido con una

velocidad directamente proporcional al caudal. Éste ofrece grandes ventajas

ya que es de fácil construcción y permite realizar mediciones para caudales

pequeños.

1.4.4.1 Factores de pérdida de energía en medidores tipo turbina

En este tipo de sensores se pueden presentar inconvenientes (debido a

pérdidas de energía) al momento de ser operados, entre éstos se pueden

citar: rotación defectuosa, lectura de caudal errónea, etc. Por lo anterior, es

importante conocer las causas que originan tales inconvenientes. Como

causas principales pueden citarse:

Pérdidas por fricción sobre las paredes de los contornos; éstas varían con

el cuadrado de la velocidad relativa y con la longitud del ducto o canal por

donde se mueve el fluido, siendo inversamente proporcional al radio

hidráulico de la sección de dicho ducto.

También intervienen la viscosidad del fluido y la rugosidad de las paredes.

Pérdidas por separación del fluido de los contornos de los álabes o por

choques contra los mismos, produciéndose turbulencias o vibraciones

perjudiciales. Este efecto tiene lugar, por ejemplo, en la operación a carga

20

parcial o sobrecarga en las máquinas de álabes fijos, al modificarse la

incidencia con la regulación del caudal. La máquina, ya sea bomba o

turbina, está ligada rígidamente a otra máquina de velocidad angular

constante (motor o generador) y para modificar la potencia de acuerdo

con la demanda, se regula el gasto, cambiando en magnitud o dirección

de la velocidad absoluta de entrada al rotor; pero como la velocidad de

arrastre permanece constante, necesariamente la velocidad relativa se

sale de la posición tangente que debe tener respecto al álabe,

produciéndose la separación o choque contra el mismo.

Desde luego, la separación se produce en el borde de ataque del álabe,

al modificarse el ángulo de incidencia y para velocidades subsónicas del

fluido. En el caso de velocidades supersónicas, como sucede con algunas

máquinas que trabajan con aire, gas o vapor, la separación se presenta

en el borde de fuga del álabe debido a un gradiente de presión adversa

que se crea en virtud de una interacción entre la onda de choque que se

genera en la parte convexa del álabe. Esta separación lugar a

turbulencias que aumentan la fuerza de arrastre del álabe, disminuyendo

el rendimiento. Este efecto obliga a limitar el valor del cambio en las

velocidades relativas del fluido y a sacrificar la energía estática transferida

por este concepto.

Pérdidas por recirculación del fluido entre el rotor y la carcasa. El rotor al

gira dentro de la carcasa llena de fluido produce una verdadera

centrifugación de las partículas que están en su contacto periférico, dando

lugar a una corriente circulatoria que sigue al rotor en su movimiento. En

ciertas máquinas hidráulicas se ha podido comprobar que la velocidad

angular de esta corriente llega a ser la mitad de la del rotor. Varía de unas

máquinas a otras, siendo evidente una pérdida energética a causa de una

recirculación del fluido.

21

Pérdidas por fugas. Resulta difícil evitar las fugas del fluido entre las

partes móviles y fijas de una turbomáquina, pues si se fuerza la presión

sobre los sellos de ajuste, se aumenta el efecto abrasivo sobre los

mismos y se acelera su destrucción, además de producir un frenado que

reduce el movimiento. Preferible es tolerar una ligera fuga, en muchos

casos, como en las máquinas hidráulicas, que ayude a mantener

húmedos los sellos, no sólo para protección de éstos, sino también para

favorecer el deslizamiento y mejorar las condiciones de funcionamiento.

22

2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LOS SENSORES DE FLU JO

En el capítulo anterior se habló acerca de los sensores de flujo, las clases

existentes y sus partes. Antes de realizar cualquier selección respecto al tipo

de medidor es relevante considerar dos aspectos:

¿ El flujo con el que se va a trabajar es laminar para el rango de trabajo, o

siempre es turbulento ?

¿ La tubería por la que se va a transportar el fluido está totalmente llena ?

Son factores que deben ser manejados con cuidado, ya que de esto depende

el desempeño del sensor. A continuación se profundizará acerca de los

anteriores aspectos.

2.1 REGÍMENES DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS: LAMI NAR Y

TURBULENTO

Un experimento simple muestra que hay dos tipos de flujo de fluidos en

tuberías. Éste consiste en inyectar pequeñas cantidades de fluido coloreado

en un líquido que circula por una tubería de cristal y observar el

comportamiento de los filamentos coloreados en diferentes zonas, después

de los puntos de inyección.

Si la descarga o la velocidad media es pequeña, las láminas de fluidos

coloreado se desplazan en líneas rectas, figura 2.1. A medida que el caudal

se incrementa, esta láminas continúan moviéndose en líneas rectas hasta

que se alcanza una velocidad en donde las láminas comienzan a ondularse y

se rompen en forma brusca y difusa, figura 2.2.

23

Esto ocurre en la llamada velocidad crítica. A velocidades mayores que la

crítica los filamentos se dispersan de manera indeterminada a través de toda

la corriente, figura 2.3.

El tipo de flujo que existe a velocidades más bajas que la crítica se conoce

como régimen laminar y a veces como régimen viscoso. Este régimen se

caracteriza por el deslizamiento de capas cilíndricas concéntricas una sobre

otra de manera ordenada. La velocidad es máxima en el eje de la tubería y

disminuye rápidamente hasta anularse en la pared de la misma, figura 2.4.

A velocidades mayores que la crítica, el régimen es turbulento. En el régimen

turbulento hay un movimiento irregular e indeterminado de las partículas del

fluido en direcciones transversales a la dirección principal del flujo; la

distribución de velocidades en el régimen turbulento es más uniforme a

través del diámetro de la tubería que en el régimen laminar, figura 2.5. A

Flujo laminar

Figura 2.1

Flujo en zona crítica

Figura 2.2

Flujo turbulento

Figura 2.3

24

pesar de que existe un movimiento turbulento a través de la mayor parte del

diámetro de la tubería, siempre hay una pequeña capa de fluido en la pared

de la tubería, conocida como la “capa periférica” o “subcapa laminar”, que se

mueve en régimen laminar.

2.1.1 Velocidad media de flujo

Ésta se refiere a la velocidad promedio de cierta sección transversal dada por

la ecuación de continuidad para un flujo estacionario:

ν = A

q Ec. (5)

en donde “q” es el caudal volumétrico y “A” el área de la sección transversal

de la tubería.

La velocidad media es un punto importante, ya que el caudal que se desea

medir depende de ella, y por tanto, es necesario saber cual es su valor en

cierta posición de la tubería (debido al perfil de velocidades en la tubería)

para poder determinar “q”.

Figura 2.4 Perfil de velocidades en régimen laminar

25

2.1.2 Número de Reynolds

Las investigaciones de Osborne Reynolds han demostrado que el régimen de

flujo en tuberías, es decir, si es laminar o turbulento, depende del diámetro

de la tubería, de la densidad y la viscosidad del fluido y de la velocidad del

flujo. El valor numérico de una combinación adimensional de estas cuatro

variables, conocido como el número de Reynolds, puede considerarse como

la relación de las fuerzas dinámicas de la masa del fluido respecto a los

esfuerzos de deformación ocasionados por la viscosidad. Este es:

Re =µ

νρ **D Ec. (6)

Donde µ = viscosidad del fluido

ρ = densidad de masa del fluido

ν = velocidad media del fluido

D = diámetro de la tubería

Para estudios técnicos, el régimen de flujo en tuberías se considera como

laminar si el número de Reynolds es menor que 2000 y turbulento si es

superior a 4000. Entre estos dos valores está la zona denominada “crítica”

donde el régimen de flujo es impredecible, pudiendo ser laminar, turbulento o

de transición, dependiendo de muchas condiciones con posibilidad de

Figura 2.5 Perfil de velocidades en régimen turbulento

26

variación. La experimentación cuidadosa ha determinado que la zona laminar

puede acabar en Re tan bajo como 1200 o extenderse hasta 40000, pero

estas condiciones no se presentan en la práctica.

El número de Reynolds es importante porque ayuda a ubicar el régimen de

flujo, y por consiguiente, el perfil de velocidades.

2.1.3 Radio hidráulico

A veces se tienen conductos con sección transversal que no es circular.

Para calcular el número de Reynolds en estas condiciones, el diámetro

circular es sustituido por el diámetro equivalente(cuatro veces el radio

hidráulico).

RH = ojadoPerímetroM

aLíquidaSecciónVenSuperficie Ec. (7)

Esto se aplica a cualquier tipo de conducto(conducto circular no

completamente lleno, ovalado, cuadrado o rectangular), pero no a formas

muy estrechas, como aberturas anulares o alargadas, donde la anchura es

pequeña en comparación con la longitud. En tales casos, el radio hidráulico

es aproximadamente igual a la mitad de la anchura del paso.

2.2 LLENADO DE LA TUBERÍA

Un punto importante al momento de construir un sensor de flujo es la

garantía de que la tubería esté totalmente llena. Como lo que se quiere

obtener es una medida de caudal, en este caso volumétrico, este valor viene

expresado en función de la velocidad del fluido y del área transversal de la

tubería a través de la cual está pasando el mismo. En caso de construirse un

sensor que determine valores de velocidad relacionados con su respectivo

27

caudal, se hace indispensable multiplicar dicho valor por una constante, el

área transversal. Debido a que va a haber áreas diferentes para caudales

diferentes (antes del llenado total de la tubería) lo que antes era una

constante, ahora es una variable, figura 2.6. Esto representa un obstáculo

tremendo para las turbinas de reacción como son la Kaplan y la Francis,

debido a que necesitan ser ubicadas lo más centradas posible en el ducto,

con el fin de obtener el movimiento deseado; sin contar la turbulencia que

altera su rotación; muy diferente sería si estuviera totalmente llena la tubería,

figura 2.7. Todo esto se pudo corroborar porque se construyeron turbinas

axiales, mixtas y radiales con el único motivo de observar sus

comportamientos. Inicialmente se hicieron construcciones con materiales

caseros que aumentaron considerablemente el peso de las turbinas y al ser

sometidas a los caudales pertinentes, no se movían, figura 2.8, a y b.

Área variable con el caudal

Vista frontal Vista lateral

Figura 2.6 Tubería parcialmente llena

Tubería

28

Vista lateral

Figura 2.7 Tubería totalmente llena

Vista frontal

Área siempre constante Tubería

Figura 2.8b Fotografía de las turbinas artesanales

Figura 2.8a Fotografías de las turbinas artesanales

29

3. CONSTRUCCIÓN DE LOS SENSORES DE FLUJO

En el capítulo primero se habló acerca de los mecanismos para medición de

caudal más utilizados. Por razones de simplicidad en la construcción y por el

rango de trabajo en el caudal se analizarán los sensores tipo turbina.

Teniendo en cuenta lo que se estudió en el capítulo segundo ( tipo de flujo y

llenado de tubería ), se tomó la decisión de buscar materiales más livianos

con que construir las turbinas, y fue así que se recurrió a la resina

poliestérica ( viene con un catalizador ); ésta resultó ser bastante liviana,

pero presentó un inconveniente en el momento de crear los moldes (

fabricados con caucho silicona ), ya que para lograr un espesor de álabe

pequeño se necesitaba de un sistema de llenado muy bueno. Al momento

de sacar la turbina en resina sus álabes resultaron incompletos, y lo que

definitivamente puso las condiciones para descartar este sistema, fue la gran

fragilidad de dicha resina, figura 3.1.

Figura 3.1 Fotografías de turbinas en resina

30

Es conveniente anotar que no para todos los caudales el área era variable,

ya que, para cada diámetro de tubería hay un rango de caudal, hacia el

infinito, en el que dicha tubería empieza a aparecer siempre totalmente llena.

Después de la selección del mecanismo de medición se realizó la

construcción de tres clases de turbina: Francis, Kaplan y Pelton. Cada una

se sometió a diferentes flujos con el fin de observar su movimiento. Debido a

los caudales tan pequeños con los que se necesita trabajar, las turbinas

Francis y Kaplan no mostraron un buen desempeño, por tal efecto, se tomó

como turbina para el mecanismo, la Pelton. Ésta según los ensayos mostró

mejor desempeño, debido a que es una turbina de impulso, la turbulencia no

la afecta tanto como a las otras turbinas, es de construcción sencilla, y lo

que es mejor, para su funcionamiento no se necesita que la tubería esté

totalmente llena.

3.1 RÉGIMEN DE FLUJO PARA EL RANGO DE TRABAJO

En el capítulo segundo se habló de los regímenes de flujo de fluidos en

tuberías; en esta sección se pretende caracterizar el régimen de flujo para el

rango de caudal a trabajar.

Con lo estudiado y con los datos del problema se puede determinar con qué

tipo de flujo se está trabajando. Los sensores o medidores de flujo se

pondrán a operar con dos tipos de tubería φ1/2 “ y con φ1 ¼”. Consultando

tablas se tiene que

Para tubería φ1 ¼” :

Si se trabaja con 200 lt / min ( condición máxima que se pretende ) se

obtiene una velocidad del fluido de 3,5 m / s. Se sabe que para el agua a 17

°C, µ = 0,001 N*s / m2, ρ = 1000 Kg. / m3, ν = 3,5 m / s, luego con estos

31

valores Re es aproximadamente igual a 111125. Esto indica que el flujo

pasando a 200 lt / min es turbulento.

Para tubería φ1 / 2” :

Trabajando con 60 lt /min se obtiene una velocidad del fluido de 0,45 m/ s;

tomando los valores para agua se obtiene un Re de 5715. Indica que también

es turbulento.

Según los resultados anteriores, los sensores van a estar sometidos a flujo

en régimen turbulento que de acuerdo con lo estudiado, este tipo de régimen

muestra un perfil de velocidades más uniforme a través del diámetro de la

tubería que para régimen laminar.

3.2 CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR ESCOGIDO

Como se dijo anteriormente la turbina seleccionada para construir el sensor

fue la Pelton debido a las ventajas ofrecidas. Después de descartar turbinas

y materiales se decidió emplear acrílico para construir la Pelton deseada.

Este material, es muy liviano, es fácil de maquinar y para conseguir, y tuvo

una resistencia buena a altas temperaturas ( fue sometido en agua a 92 °°°°C

durante 50 minutos que es el equivalente a los minutos de una práctica de

laboratorio).

Es importante recalcar que la turbina que en el sensor se denomina una

Pelton no es 100% igual, ya que la utilizada tiene álabes rectos ( con el fin de

disminuir al máximo su peso ) y no cucharas como la Pelton real, pero

siguen compartiendo el hecho de ser denominadas turbinas de impulso, es

decir, aprovechan solamente la energía cinética del fluido de trabajo.

32

3.2.1 Número de álabes utilizado

Este es un factor que sólo se le da la importancia que requiere al momento

de hacer pruebas, las cuales son las que dan el veredicto final acerca de si

funciona o no el sistema utilizado, independientemente de si el accesorio

aparenta arrojar datos confiables.

Para realizar pruebas de movimiento se construyó una tarjeta que recibe

señales provenientes de la turbina y las transforma en revoluciones por

minuto de la misma, figura 3.2. Esta tarjeta está conformada, principalmente,

por un microcontrolador PIC 16F84 de MICROCHIP que se encarga de

recibir señales provenientes del sensor ( en forma de pulsos ) y pasarla a

valores de r.p.m. Con esto se puede estudiar que tan homogéneo es el giro

de la turbina durante el paso del fluido a diferentes caudales con el fin de

obtener gráficas de comportamiento, Caudal Vs. r.p.m.

Como último procedimiento, después de estudiar las diferentes curvas de

Caudal Vs. r.p.m. se saca una regresión ( observando cual es la más lineal

y para que rango de trabajo ) con la que se vuelve a programar el PIC para

Figura 3.2 Fotografía tarjeta de lectura del sensor de flujo

33

relacionar los r.p.m. con valores de caudal que finalmente son enviados a un

display.

Se debe aclarar que la tarjeta posee un sensor de lectura condensado en un

transistor de Efecto Hall, la cual funciona bajo la acción de campos

magnéticos. Para que la turbina mande señal a la tarjeta se le adaptó un

imán que produce un campo magnético.

3.2.1.1 Turbina de 4 álabes

Ésta arrojó los mejores resultados. Se procuró que el núcleo de la misma

fuera lo más pequeño posible con el fin de disminuir la cantidad de material

usado ( resultando de menor peso ); también se hicieron sus álabes lo más

delgados y largos posibles, figura 3.2.

De este tipo se construyeron dos turbinas, una para flujos grandes y otra

para pequeños.

3.2.1.2 Turbina de 6 álabes

Mostró buenos resultados, pero para caudales grandes. Es bastante útil

debido a que cuando está pasando el fluido por la tubería, la cual no está

Figura 3.2 Fotografía de turbina de 4 álabes

34

siempre totalmente llena, necesita de longitudes de arco pequeñas entre

álabe y álabe para poder mantener una rotación permanente. Es un poco

más pesada que la de 4 álabes a iguales dimensiones, figura 3.3.

La turbina de seis álabes presenta un inconveniente y es que su construcción

es mucho más compleja que la de cuatro, por tal motivo, presenta un gran

desbalanceo. Durante la rotación de turbinas tan pequeñas sometidas a

flujos pequeños, el desbalanceo es un fenómeno totalmente indeseable.

3.2.1.3 Turbina de 8 álabes

Éste tipo de turbina se esperaba mostrara mejores resultados. Es decir, todo

indicaba que por la pequeña longitud de arco entre álabe y álabe, mucho

más pequeña que la de 6 álabes, el fluido iba a tener un acople perfecto con

dicha turbina. Pero en la práctica no ocurrió así, debido a que, para flujos

grandes difícilmente se movía ( rotación irregular ), mucho menos para flujos

Figura 3.3 Fotografía de turbina de 6 álabes

35

pequeños. La última modificación realizada fue disminuirle el núcleo de

soporte de los álabes con el fin de hacerla más liviana y sus álabes quedaran

más largos; con esto se logró mejorar su movimiento, pero definitivamente su

construcción es mucho más compleja que la de las turbinas anteriormente

mencionadas ( la 4 y la 6 álabes ), figura 3.4.

3.2.2 Cubierta del sensor

Por lo general, los sensores de flujo demandan garantías en el llenado de la

tubería, debido a esto, el mecanismo de contacto directo aparece ubicado en

la parte superior o central de la tubería, así se construyó inicialmente el

sensor, figura 3.5. Realizando ensayos se pudo constatar que al rotar la

posición del mecanismo de contacto directo 180 grados, se podía garantizar

la rotación de la turbina y poder realizar mediciones de caudal en tubería que

no estuvieran totalmente llenas, figura 3.6.

La cubierta, como se puede apreciar en la figura 3.6, es una “T” común y

corriente ( encontrada en el mercado ).

Figura 3.4 Fotografía de turbina de 8 álabes

36

3.2.3 Sistema de acople del sensor

Este sistema está conformado por la cubierta y por el dispositivo de

accesorios integrado. Este último está conformado por: turbina, transistor de

Efecto Hall, tubería soporte, plug ( para enviar señal a la tarjeta ), cable

apantallado, accesorios de sello ( para evitar humedad ), imán ( para la

excitación del transistor de Efecto Hall ), ver figura 3.7.

Figura 3.6 Posición de cubierta actualmente implementado

Envío de señal

El fluido SI alcanza el mecanismo

Figura 3.5 Posición de cubierta inicialmente pensado

Envío de señal

El fluido NO alcanza el mecanismo

37

Figura 3.7 Sistema de acople del sensor

Turbina Accesorio para sello

Tapa para sello

Transistor de Efecto Hall

Cable apantallado para envío de señal

Plug

Tubería soporte

“T”

Imán

38

39

Luego de realizar pruebas con la tarjeta de lectura para diferentes caudales

se sacaron curvas de r.p.m. de la turbina contra caudal y se observó que

para algunos caudales, sobre todo para los más pequeños, las lecturas de

r.p.m. eran muy similares. Esto representó un gran problema porque de esta

manera se hacía imposible sacar una regresión que relacionara estas dos

variables. Inicialmente se pensó en que como se estaba probando con

turbina de cuatro álabes se podría presentar el caso que para caudales muy

pequeños, la turbina no alcanzara a registrar una revolución completa. Por

ejemplo, tomando dos caudales Q1 y Q2, siendo Q1 mayor que Q2. El sistema

de lectura tiene un tiempo base para contabilizar revoluciones ( 6 segundos )

y después de este tiempo base desprecia los giros posteriores. Al pasar el

caudal Q1, éste registra 9 vueltas y ¾ de vuelta, y al pasar el caudal Q2,,

registra 9 vueltas y ¼ de vuelta. Si analizamos las dos rotaciones, en esencia

son iguales, aunque en la realidad sean diferentes. Luego, el sistema de

lectura como en ese momento no entendía ¼ de vueltas, entonces

visualizaba r.p.m. iguales para rotaciones diferentes; induciendo esto una

gran error. Este problema se pudo superar ubicando un imán en cada álabe (

relación 4:1 respecto al sistema anterior, figura 3.8 ), figura 3.9. Así el

sistema de lectura puede entender ¼ de vuelta y la regresión mejoraría, cosa

que ocurrió en la realidad.

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

Figura 3.8 Un imán No registra ¼ de vuelta

Figura 3.9 Cuatro imanes Si registra ¼ de vuelta

40

UN SOLO IMAN (Grafico 1) (Tomando todos los datos) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 010 216,00 13,4220 241,30 37,2830 340,69 56,9540 401,74 77,7346 431,82 90,7250 486,67 92,5256 495,00 93,4960 520,83 103,43

UN SOLO IMAN (Grafico 2) (Descartando datos) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 010 213,30 13,4220 240,00 37,2830 338,33 56,9540 395,88 77,7346 436,67 90,7250 483,75 92,5256 491,90 93,4960 518,33 103,43

Tabla 3.1 Para turbina de 4 álabes y un imán (todos los datos)

Tabla 3.2 Para turbina de 4 álabes y un imán (datos parciales)

41

UN SOLO IMAN (Grafico 3) (Tomando todos los datos) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 010 180,00 14,096720 207,83 41,204830 293,53 56,772140 354,71 79,764750 421,76 6860 457,65 93,913

UN SOLO IMAN (Grafico 4) (Descartando datos) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 010 180,00 14,096720 212,86 41,204830 290,77 56,772140 354,62 79,764750 418,67 6860 457,65 93,913

CUATRO IMANES (Grafico 5) (Tomando todos los datos de r.p.m y caudal) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 0,0010 668,00 13,3515 715,00 26,2120 871,33 37,0725 970,74 47,6430 1131,67 60,3135 1240,19 68,7640 1540,00 78,3045 1680,00 83,6950 1772,86 90,5055 1853,46 93,2260 1912,38 97,66

Tabla 3.3 Para turbina de 4 álabes y un imán (todos los datos)

Tabla 3.4 Para turbina de 4 álabes y un imán (datos parciales)

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

42

CUATRO IMANES (Grafico 6) (Descartando datos de r.p.m. y caudal ) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 0,0010 666,67 13,3515 710,00 26,2120 872,80 37,0725 980,59 47,5030 1134,14 57,4835 1340,00 69,2240 1542,63 78,6445 1677,89 83,03

CUATRO IMANES (Grafico 7) (MAS ACEPTABLE ) (Tomando todos los datos de caudal ) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 0,0010 666,67 13,3515 710,00 26,2120 872,80 37,0725 980,59 47,6430 1134,14 60,3135 1340,00 68,7640 1542,63 78,3045 1677,89 83,6950 1773,53 90,5055 1860,00 93,2260 1912,35 97,66

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

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

43

CUATRO IMANES (Grafico 8) (Tomando todos los datos de r.p.m ) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min)

0 0,00 0,0010 668,00 13,3515 715,00 26,2120 871,33 37,0725 970,74 47,5030 1131,67 57,4835 1240,19 69,2240 1540,00 78,6445 1680,00 83,0350 1772,86 89,1755 1853,46 82,8360 1912,38 95,25

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

44

Figura 3.10 Para turbina de 4 álabes y un imán (todos los datos)

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

0

20

40

60

80

100

120

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

45

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

0

20

40

60

80

100

120

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

Figura 3.11 Para turbina de 4 álabes y un imán (datos parciales)

46

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

Figura 3.12 Para turbina de 4 álabes y un imán (todos los datos)

47

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

Figura 3.13 Para turbina de 4 álabes y un imán (datos parciales)

48

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

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

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

49

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

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00

r.p.m

Cau

dal (

Lt/m

in)

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

50

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

y = 0,0565x - 9,7146

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

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

51

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

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00

r.p.m.

Cau

dal (

Lt/m

in)

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

52

En la figura 3.16 se muestra la regresión utilizada para pasar de r.p.m. de la

turbina a valor de caudal en Lt / min. El gráfico se puede observar que esta

es la curva que mejor relaciona estas dos variables.

En este proyecto se construyeron cuatro sensores de flujo: uno con turbina

de 8 álabes, otro con turbina de 6 álabes y dos con turbinas de 4 álabes (

uno grande y otro pequeño ). El acople sensor tarjeta de lectura puede verse

en el figura 3.21.

En la práctica, los sensores con los que se está realizando mediciones

poseen turbina Pelton de 4 álabes.

Figura 3.21 Fotografía del sensor y la tarjeta de lectura

53

3.2.4 Ventajas

Estos sensores permiten su desarrollo a menor costo que los del mercado.

Están sujetos a mejorías. Pueden asociarse con la tarjeta de adquisición de

datos (futura aplicación), mencionada más adelante, con el fin de enviar

datos de caudal y temperatura al computador con propósitos estadísticos.

3.2.5 Desventajas

Estos están diseñados para trabajar en el rango de 1 a 200 lt / min, pero se

ha observado que para caudales muy pequeños se presentan problemas. Se

tiene la plena convicción que si se construyen no tan artesanalmente las

pérdidas disminuirán considerablemente.

El sistema de rodadura es un pequeño eje de relojería que mostró poco

rozamiento con el acrílico. A este sistema se le adecuaron unos bujes

bastante imprecisos debido a la pequeñez del eje.

54

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)

4.1 DEFINICIÓN

La aplicación de métodos digitales en los procesos implica el desarrollo de un

sistema electrónico que se encargue de llevar información de las variables

del proceso al sistema digital que recibe los datos.

Cuando se habla de la entrada de la información hacia del sistema digital, se

refiere a adquisición de datos.

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

Señales digitales, las cuales pueden tomar dos estados (bajo o alto) y

pueden ser usadas para determinar la presencia o ausencia de un evento (el

paso de una persona, por ejemplo), cambio de posición de un interruptor

(abrir o cerrar una puerta, ejemplo también válido).

Señales análogas, que pueden tomar cualquier valor entre un mínimo y un

máximo y que por lo general varían en el tiempo de acuerdo con las

condiciones del proceso. Estas señales provienen, en la mayoría de los

casos, de sensores o transductores; también, en vez de recibirlas, se pueden

enviar hacia un actuador.

La habilidad del sistema para preservar la exactitud e integridad de las

señales originales que van desde o hacia el sistema digital es la principal

medida de su calidad.

55

4.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA

Un sistema de adquisición de datos se compone básicamente ( figura 4.1 )

de:

Sensores o transductores

Circuito de acondicionamiento de señales

Circuito de muestreo y retención

Multiplexor analógico

Conversores Análogo - Digital (A/D)

Conversores Digital - Análogo (D/A)

A continuación se hace un estudio general de cada uno de estos

subsistemas.

Sensor

Acondicionamiento de señal

Multiplexor analógico

Muestreo y retención

Conversor A / D

Salida digital

Recepción de datos

Figura 4.1 Esquema general de un SAD

56

4.2.1 Sensores o transductores

Corresponde al primer elemento del sistema y es el que mide la magnitud de

interés. Su función es la de convertir energía de una forma física que puede

ser mecánica, térmica, magnética, etc. en una señal eléctrica.

La cantidad de energía convertida por un transductor es pequeña, de manera

que hay que acondicionarla para adaptarla a la etapas posteriores.

Si la cantidad de energía convertida, y por ende, extraída del proceso, es

muy grande, se podría perturbar el funcionamiento del proceso en forma

indeseada.

4.2.2 Circuito de acondicionamiento de señales

Por lo general, los rangos de las señales entregadas por los transductores no

están acordes con los de las entradas que ofrece el SAD; e igualmente los

niveles de tensión y de corriente que requieren los actuadores, en caso de

haberlos, son mayores que los que está en capacidad de ofrecer un sistema

de distribución de señales (este proyecto no distribuye señales), por tanto, se

hace imprescindible una etapa intermedia llamada acondicionamiento de

señales. Este circuito se encarga de la amplificación, filtrado y adaptación de

señales de los transductores al SAD. Dado que maneja sólo señales

eléctricas, el acondicionador de señales constituye lo que se denomina una

interfaz, la cual se encarga de garantizar que todas las señales de entrada

tengan un rango dinámico similar, y las de salida se adapten a las

necesidades del actuador.

57

4.2.3 Circuito de muestreo y retención (Sampled and Hold)

Este circuito se encarga de tomar una muestra (Sample) y mantenerla (Hold)

durante el tiempo que dura su conversión a código digital.

Este se hace necesario siempre y cuando la señal de entrada sufra

variaciones apreciables durante el tiempo que dura la conversión.

4.2.4 Multiplexor analógico

Este circuito actúa como un interruptor rotatorio de varias posiciones que

periódicamente selecciona una señal de entrada y la enruta al circuito de

muestreo y retención.

El proceso de muestreo involucra al multiplexor analógico y al circuito de

muestreo y retención (S&H).

4.2.5 Conversor Análogo – Digital (A/D)

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

Señal análoga

Señal digital

Tiempo

Figura 4.2 Señal digitalizada

58

Vent (puede variar desde cero hasta un valor máximo llamado Vref) y que

entrega una palabra digital con una precisión y una resolución dadas que se

obtienen mediante la comparación de dicha entrada con el voltaje de

referencia Vref. La figura 4.2 muestra una señal digitalizada debido al

conversor A / D.

El proceso de conversión implica dos etapas: la cuantificación de la señal y la

codificación de la misma.

Cuantificación : consiste en representar la amplitud de la señal análoga

mediante un número finito de valores distintos en un instante de tiempo

determinado. Si el convertidor es de “n” bits, se pueden representar 2n

estados; el error máximo cometido por el convertidor es la mitad de la

distancia existente entre dos valores de salida, así:

Emax = 0,5*Vref / 2n Ec. (8)

Codificación : es la representación del valor asignado a la señal mediante

combinaciones de estados lógicos altos y bajos.

El voltaje análogo medido es una fracción del voltaje de referencia igual a la

fracción que forma el valor digital con respecto al valor binario máximo:

Vent / Vref = valor digital de salida / 2n Ec. (9)

El valor digital de salida se expresa de la siguiente forma:

b1*2n-1 + b2*2

n-2 + b3*2n-3 + ...... + bn*2

0 Ec. (10)

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

b1 el más significativo).

59

Las principales especificaciones de los conversores A/D son:

Número de bits : es la longitud de bits de la palabra de salida.

Voltaje de referencia : corresponde al valor máximo que puede tener el valor

análogo de entrada.

Resolución : corresponde al mínimo valor de voltaje en la entrada que causa

una variación en la salida digital.

Resolución = Vref / 2n Ec. (11)

Tiempo de conversión : tiempo desde el comienzo hasta el final de la

conversión.

Tensión de alimentación : algunos conversores A/D requieren una sola

fuente, otros necesitan una dual.

Señales de digitales de control : CS (conversión start), es un pulso que se

envía al convertidor para indicarle un proceso de conversión; EOC (end of

conversión), es un pulso que se origina del convertidor para avisar a la

unidad externa que ya ha terminado el proceso de conversión.

Los conversores A/D más conocidos considerando sus ventajas y su

implementación en una gran cantidad de sistemas son: el de tipo escalera, el

de aproximaciones sucesivas y de voltaje a frecuencia.

Tipo escalera : este incorpora un convertidor digital analógico cuya salida se

denota Vx.

Inicialmente el valor de este voltaje es de cero, la salida del comparador está

en alto y la compuerta AND deja pasar los pulsos del reloj al contador;

cuando se activa el contador mediante la señal CS enviada por el circuito de

control, suministra un valor digital binario que empieza en cero y se va

incrementando en una unidad con cada pulso del reloj, figura 3.3. Este valor

60

digital pasa al convertidor D/A que entrega un voltaje Vx que aumenta en

forma escalonada. Cuando el voltaje Vx supere el valor análogo de entrada,

la salida del comparador cambia de un valor lógico alto a uno bajo, por lo

cual la compuerta AND no deja pasar más pulsos al reloj del contador

terminando así la conversión.

Para comenzar otra conversión se debe dar un “reset” al contador.

Aproximaciones sucesivas : al igual que el anterior incorpora también un

convertidor D/A.

El circuito de control coloca un 1 en el bit más significativo (MSB) b1

manteniendo los otros bits con el valor lógico cero. El convertidor D/A realiza

la conversión y envía un valor de voltaje Vx al comparador, si el voltaje de

entrada resulta mayor que el voltaje Vx el valor alto permanece como valor

definitivo para el b1; pero si el voltaje Vent resulta menor que Vx entonces el

circuito de control remueve el valor alto y coloca un cero que permanece

como valor definitivo para b1, figura 4.4.

Contador

Conversor A/D

Salida digital

AND

Reloj

Entrada análoga

Vx + -

Figura 4.3 Conversor A/D tipo escalera

61

Voltaje a frecuencia (V/F) : Este tipo de convertidores permite obtener una

buena conversión a bajo costo y con una buena resolución (puede ser

superior a ocho bit).

El convertidor V/F entrega un tren de pulsos cuya frecuencia es proporcional

al voltaje de entrada.

La frecuencia F que entrega el contador es:

F = Kf * Vent Ec. (12)

siendo Kf la constante del convertidor V/F.

Si se cuentan esos pulsos durante un tiempo determinado, se obtiene un

valor digital proporcional a su frecuencia y por consiguiente proporcional al

valor análogo de entrada.

Este conteo se hace para una base de tiempo fija “ts”.

El número de pulsos N que pasa al contador es:

N = F * ts Ec. (13)

Algunos de estos convertidores entregan directamente código BCD (Binario

Codificado Decimal) para facilitar el uso del display.

Lógica de control

Conversor D/A

Comparador Entrada análoga

Salida digital

Figura 4.4 Conversor A/D de aproximaciones sucesivas

62

4.2.6 Conversor Digital – Análogo (D/A)

Este dispositivo transforma un dato de entrada dado como una palabra

binaria de “n” bits en un nivel de tensión proporcional a dicha palabra Vsal,

que se ubica en un rango entre cero y el Vref.

Debido a que se dispone de un número limitado de bits en la entrada, se

dispone también de un número limitado de niveles análogos en la salida del

dispositivo, por lo cual la señal de salida será análoga discreta.

La salida análoga es una fracción del voltaje de referencia igual a la fracción

que forma el valor binario de entrada con respecto al valor binario máximo

Vsal / Vref = valor digital de entrada / 2n Ec. (14)

de donde el valor digital de entrada se puede expresar como en la Ec. (10).

Las principales especificaciones de los conversores D/A son:

Número de bits : es la longitud en bits de la palabra de entrada al convertidor.

Voltaje de referencia : es el valor máximo que puede alcanzar el voltaje

análogo de salida.

Resolución : es la variación en voltios que experimenta el voltaje análogo de

salida al cambiar el bit menos significativo (LSB) del valor digital de entrada.

Resolución = Vref / 2n Ec. (15)

Tiempo de asentamiento (Setting time): es el tiempo que transcurre desde el

momento en que se produce un cambio en la entrada que involucre al dígito

más significativo hasta el momento en que la salida se estabiliza en un nuevo

valor.

63

Tensión de alimentación : algunos conversores D/A requieren de una fuente

simple, en cambio otros necesitan una dual.

Voltaje de desplazamiento (offset) : algunos conversores presentan un voltaje

de desplazamiento cuando la entrada digital es nula, debido al amplificador

operacional que se encuentra en su salida; por ello generalmente existen

terminales para compensación de voltaje de desplazamiento.

Los principales tipos de conversores D/A son:

Conversor con red de resistencias R – 2R : utiliza un sumador con tantos

canales de entrada como bit posee el convertidor y cada uno de ellos es

seleccionado por el valor del bit correspondiente. Éste usa un amplificador

operacional para obtener en la salida una señal de voltaje proporcional al

nivel de corriente de su entrada.

Este convertidor puede presentar problemas debido a la precisión de las

resistencias.

Conversor de resistencias ponderadas : consta de una red de resistencia en

la que la corriente que circula por cada resistencia es la mitad de la corriente

que circularía por la resistencia correspondiente al bit inmediatamente

superior.

Cada resistencia proporciona una corriente con un valor determinado que se

suma con las contribuciones de corriente de las otras resistencias en la

entrada del amplificador operacional, el cual entrega un nivel en su salida

proporcional a la suma de corrientes.

Conversor por modulación de ancho de pulso : primero se convierte el dato

de “n” bits de entrada en una serie de pulsos con un determinado ancho.

Se usa un comparador con dos canales de “n” bits, uno de los cuales es el

código binario de entrada y el otro es el valor binario de un contador interno

de “n” bits, el cual está aumentando su cuenta gracias a un oscilador y

cuando las dos entradas del comparador son iguales el comparador bascula

64

su salida y el proceso vuelve a empezar basculando de nuevo la salida al

finalizar, con lo cual se obtiene un tren de pulsos con una ancho determinado

por el tiempo en que el reloj alcanza el dato de entrada.

Después de un tren de pulsos se pasa a través de un filtro pasabajos y se

obtiene la señal de salida del convertidor.

La principal desventaja de este convertidor es el número elevado de pasos

que se debe realizar.

4.3 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN SAD

Las características más sobresalientes para evaluar la configuración de un

sistema de adquisición de datos son:

El número de canales analógicos y digitales de entrada y salida.

Exactitud : este parámetro involucra la resolución, la cual indica la desviación

de la medida respecto al valor real. Debe englobar los efectos de la

resolución de los conversores y los diferentes errores de linealidad, offset y

ganancia de todos los elementos del sistema.

Velocidad de muestreo : está dada por el tiempo entre dos lecturas

consecutivas de una misma variable. Éste depende de: el tiempo que

necesite el multiplexor para seleccionar y conectar el canal, el tiempo que

necesite el conversor A/D para realizar la conversión, el tiempo que tarde la

comunicación con el microprocesador, el tiempo promedio que tarda el

microprocesador en procesar cada variable y el número de variables

muestreadas.

65

4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SAD’s

Existen diversas clasificaciones de los SAD’s. Éstas dependen de : su

arquitectura, tipo de bus a que están conectados, etc.

En esta sección sólo se dará la clasificación de acuerdo con el tipo de bus

usado.

Basado en bus externo : estos sistemas están formados por varios

instrumentos interconectados a través de algún bus, como puede ser el:

GIPB, VXI, etc. En estos sistemas el ordenador actúa como controlador

del sistema; éste se encarga de gestionar todas las operaciones que se

realizan en el BUS.

Basado en bus interno : Estos consisten en tarjetas de adquisición de

datos que se conectan al bus del sistema a través de uno de los slots de

expansión de la tarjeta madre.

Circuitos integrados de adquisición de datos : tiene circuitos integrados

que incorporan la mayor parte de los subsistemas necesarios para

realizar la adquisición de las señales analógicas (amplificador,

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

4.5 ERRORES QUE SE PRESENTAN EN LA DIGITALIZACIÓN D E

SEÑALES

Muestreo :

Una señal análoga se muestrea observando y memorizando su amplitud

instantánea a intervalos regulares e ignorándola el resto del tiempo, figura

3.2.

La velocidad a la cual se realiza la actualización de las muestras se

denomina rata o frecuencia de muestreo (Fs). El teorema de Nyquist dice que

la rata de muestreo del sistema debe ser mayor que dos veces la

66

componente de más alta frecuencia presente en las señales de entrada

multiplicada por el número de canales análogos.

Fs ≥ 2 * Fc * N Ec. (15)

El uso de una frecuencia de muestreo inferior a la establecida por el criterio

de Nyquist cusa pérdida de información debido a que el número de muestras

por ciclo resultante es insuficiente para reconstruir todas las señales de

entrada; esta condición se denomina submuestreo o error de aliasing.

El error promedio de muestreo se obtiene comparando el área bajo la curva

de un semiciclo de la señal reconstruida con el área bajo la curva del

semiciclo de la señal original.

Ruido :

Debido a la interferencia electromagnética, las señales que van desde los

transductores hasta el microprocesador puede presentar ruido, la cual origina

errores en los datos muestreados. Este factor es muy importante cuando se

trabaja en ambientes industriales debido a que puede afectar severamente el

control de los procesos.

Alinealidad :

Los conversores A/D y D/A presentan un error de Alinealidad del voltaje de

entrada y el código de salida. Este error se obtiene de la diferencia del valor

que entrega el conversor y la línea recta ideal. La única forma de evitar este

error es utilizando conversores de alta calidad.

En muchas ocasiones el comportamiento del transductor el no lineal. Esta

característica se puede corregir por software, con el programa de control, o

por hardware, mediante circuitos que contienen linealizadores como

extractores de raiz cuadrada, amplificadores logarítmicos, etc.

67

5. SENSORES DE TEMPERATURA

El conocimiento y selección apropiada de los elementos de instrumentación

industrial es un factor muy importante en el desarrollo de cualquier proceso

donde se haga estudio de variables, y más, si se realiza un proceso de

control y automatización.

La calidad de los instrumentos utilizados y el conocimiento de las condiciones

de operación son factores que afectan en gran medida el desempeño del

sistema que se implemente.

En el capítulo 3 se habló acerca de las tarjetas de adquisición de datos, las

cuales se encargan de tomar señales provenientes de sensores o

transductores y hacerle una serie de acondicionamientos, con el fin de que

los dispositivos posteriores puedan entenderlas. En este capítulo se pretende

mostrar una aplicación del SAD’s con sensores de temperatura.

5.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS

Antes de empezar con la aplicación de las SAD’s es necesario conocer los

parámetros más relevantes con los que debe cumplir un instrumento de

medida :

Precisión : es la tolerancia de medida del instrumento y define los

límites del error cuando éste se emplea en condiciones normales de

servicio. Generalmente se da en unidades de la variable medida.

Resolución : se refiere al cambio más pequeño que puede detectar el

instrumento.

Repetibilidad : es la habilidad del instrumento para mostrar la misma

indicación (Vm) cuando se presente el mismo valor (Vr). Se da en

porcentaje.

68

Sensibilidad : es la relación entre el incremento de la lectura y el

incremento de la variable que la ocasiona; si la sensibilidad es grande

en todo el rango se dice que el transductor es lineal.

Rango : es el intervalo de valores de la variable de entrada que se

puede medir.

Alcance : es la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo que

se puede medir.

Histéresis : es la diferencia máxima que se observa en los valores

indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo

de medida cuando la variable recorre toda la escala en los dos

sentidos, ascendente y descendente.

5.2 SENSORES DE TEMPERATURA

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

procedimientos más comunes y de mayor importancia. En el mercado se

puede encontrar una gran variedad de sensores o transductores de

temperatura, entre ellos se pueden mencionar : termómetro de vidrio,

termómetro bimetálico, termómetro de bulbo y capilar, termómetro de

resistencia, termistor, termopar y pirómetro de radiación, entre otros.

A continuación se explica brevemente el principio de funcionamiento de los

transductores de temperatura cuya señal puede ser fácilmente digitalizada.

Punto importante si se sabe que en muchas ocasiones es más ventajoso

tomar los datos obtenidos y enviarlos a un computador para graficarlos en

lugar de mostrarlos en un display.

Termopar : su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck, es decir, al

unir dos alambres de diferente metal, por un extremo, dejando las otras

dos puntas libres. Luego, si los extremos unidos están a una temperatura

(T1) diferente a la temperatura (T2) de los extremos libres, se genera entre

69

estos dos últimos una diferencia de potencial (e) que depende de los

materiales empleados en los dos alambres y la diferencia de temperatura.

Termistor : es un elemento semiconductor en el que pequeños cambios

de temperatura ocasionan cambios muy grandes en la resistencia

eléctrica, la cual disminuye al aumentar la temperatura. Debido a lo

anterior, éste es un dispositivo de alta sensibilidad.

El tiempo de servicio es un factor que afecta la respuesta de este tipo de

sensores, con la cual va cambiando el porcentaje de aumento de la

resistencia. Este efecto se conoce como envejecimiento.

Detector resistivo : su sistema de funcionamiento es bastante parecido al

del Termistor, la única diferencia es que tiene un coeficiente de variación

de la resistencia positivo, es decir, que su resistencia aumenta al

aumentar la temperatura, y adicionalmente esta relación es lineal.

Circuito integrado : es de tamaño reducido y se encuentra en diferentes

tipos de encapsulado: metálico, plástico, montaje superficial, etc.

Su principio de funcionamiento se deriva de la influencia que ejerce la

temperatura sobre las características eléctricas de los semiconductores.

La salida es lineal con la temperatura. Son fáciles de usar debido a que

no requieren una gran cantidad de dispositivos externos para su

operación y los rangos de salida dan buena inmunidad al ruido.

5.3 TIPO DE SENSOR UTILIZADO

Para el siguiente trabajo se utilizará el sensor integrado LM35. Éste es

barato, sólo necesita una etapa de amplificación, contrario al termopar que

necesita mayor amplificación debido al valor de voltaje tan pequeño que

envía. Además, los rangos de temperatura trabajados en el laboratorio están

dentro del rango para el cual están diseñados los LM35.

70

5.4 CONFORMACIÓN DE LA TARJETA ( SAD’s ) PARA SENSO RES DE

TEMPERATURA

Debido a la necesidad que se tiene en algunas ocasiones de visualizar

valores de temperatura en diferentes posiciones de una máquina térmica, o a

veces, enviar esos mismos valores a un computador a intervalos de tiempo

demasiado pequeños, se ha planteado una solución con el fin de suplir tales

necesidades. La solución viene con el diseño de una tarjeta que recibe 5

señales análogas de temperatura y las procesa en dos modalidades:

visualización en un display y envío serial al computador.

La tarjeta viene conformada por varias etapas.

5.4.1 Etapa de acondicionamiento

Ésta etapa está conformada en subetapas de amplificación no inversoras, es

decir, cada una de ellas recibe una señal análoga de temperatura del orden

de los milivoltios y la pasa al rango de 0 a 5 V ( valores TTL para que los

pueda entender el microcontrolador ). Dependiendo de los voltajes de

alimentación de los amplificadores, el rango de amplificación puede ser

cambiado ( en futura aplicación donde se necesite de 0 a 24 V ) mediante la

manipulación de potenciómetros de precisión contenidos en la tarjeta, figura

5.1.

71

72

5.4.2 Tarjeta principal

Esta etapa contiene inicialmente un microcontrolador PIC 16C74B de

MICROCHIP la cual se encarga de procesar toda la información proveniente

de la tarjeta de acondicionamiento. El PIC tiene un algoritmo que recibe

señales análogas de temperatura y las procesa enviándolas al PC o a un

display para ser interpretada por el usuario. El valor de temperatura puede

ser expresado en grados Celsius o en grados Fahrenheit. Esta misma etapa

contiene una subetapa para realizar comunicación serial mediante el chip

MAX232 y otra subetapa de acondicionamiento para enviar datos a un

display de 7 segmentos, figura 5.2.

Figura 5.1 Fotografia etapa de acondicionamiento

73

74

5.4.3 Etapa de visualización

Esta es la etapa más sencilla y simplemente contiene una configuración triple

de displays dobles de 7 segmentos, las cuales reciben señal de la tarjeta

principal para visualizar temperaturas ya sean en grados Celsius o en grados

Fahrenheit, figura 5.3.

Figura 5.2 fotografía tarjeta principal con las subetapas

Figura 5.3 Fotografia etapa de visualizacion

75

La tarjeta completa permite realizar tres tareas opcionales :

Modo sólo display : en este caso, la tarjeta recibe las señales de

temperatura, les aplica una regresión y finalmente muestra el resultado de

76

la regresión en un display, únicamente. En este modo la temperatura se

visualiza en grados Celsius o Fahrenheit, dependiendo de lo deseado,

ver en figura 5.4 la configuración de los suiches.

Modo sólo serial : en esta selección, la tarjeta recibe las señales de

temperatura y envía los resultados al computador vía puerto serial,

únicamente, ver en la figura 5.5 la configuración de los suiches.

Modo display y serial : si se escoge esta opción se combinan las dos

anteriores. Es decir, en un momento dado está visualizando la

temperatura en el display’s y casi simultáneamente, se envían

serialmente al computador. Es importante anotar que el display sólo está

en capacidad de visualizar una temperatura a la vez, ver en la figura 5.6

la configuración de los suiches.

Figura 5.4 Fotografía de la tarjeta mostrando modo solo display

77

5.4.1 Ventajas

Esta tarjeta ofrece la ventaja de ser portátil, algo semejante al lector de

termocuplas, en el cual se conecta la termocupla tipo J o K y el lector arroja

el valor de la temperatura medida en un display. La ventaja de la tarjeta es

Figura 5.5 Fotografía de la tarjeta mostrando modo solo serial

Figura 5.6 Fotografía de la tarjeta mostrando modo display y serial

78

que ésta puede tomar lecturas de 5 temperaturas sin necesidad de estar

conectando y desconectando los sensores como ocurre con el lector (sólo

puede leer una temperatura al tiempo). Se hace énfasis en que la tarjeta

puede visualizar una temperatura a la vez, pero constantemente está

haciendo la lectura de las 5 temperaturas, excepto en el modo de sólo

display.

La tarjeta está compuesta por módulos : acondicionamiento, sistema de

lectura, comunicación serial, es decir, los módulos no se han integrado con el

fin de realizar futuras aplicaciones. Por ejemplo, actualmente se trabaja con

sensores LM35 que entregan 10 mV por cada grado Celsius; en caso que se

quiera tomar lecturas de termocuplas éste arrojaría un error, en caso de

integrar los módulos, debido a que las termocuplas y los LM35 necesitan

ganancias diferentes para alcanzar los 5 V. Luego, si a 50 °C, por ejemplo, el

LM35 entrega 500 mV, la termocupla entrega un valor mucho menor; ahora,

cuando pasa por el módulo de acondicionamiento, la señal proveniente del

LM35 entregaría alrededor de 2,5 V mientras que la de la termocupla no

alcanzaría este rango. Finalmente, el conversor A/D recibe cada señal y

arrojaría un error para la lectura de la termocupla, debido a que la ganancia

fue realizada para los LM35. Análogamente, si se calcula una ganancia para

señal de termocupla puede ocurrir un daño en el sistema. Éste consiste en

que como la señal LM35 es mayor que la de la termocupla, por haberse

realizado el acondicionamiento para una señal más pequeña, la ganancia es

mayor que antes; la consecuencia de esto es que la amplificación sobre el

LM35 arrojará más de 5 V, fatal para el microcontrolador.

Otra ventaja de la tarjeta es que permite visualizar valores de temperatura en

un display (muy cómodo para el usuario que simplemente desea conocer

como se está comportando cierto proceso), y además, si se desea, puede

enviar los datos serialmente a un computador (bastante útil para estudiantes

79

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

estadísticas.

La tarjeta es susceptible de modificaciones (es lo ideal) con el fin de

mejorarla. Éste es tal vez el punto más importante en este proyecto, debido a

que lo importante en los proyectos realizados por la universidad es que se

estén realizando constantemente mejorías para retardar la llegada de la

inminente obsolescencia.

Actualmente se está realizando un proyecto de grado para trabajar con

sensores de presión. La tarjeta puede ser habilitada más adelante para que

reciba señales de presión logrando así un sistema más integrado de lectura

en procesos en donde presión y temperatura juegan un papel preponderante.

5.4.2 Desventajas

Debido a que la tarjeta no está integrada (ya se vio el por qué de su ventaja)

hace que la velocidad de lectura se disminuya, aunque según las

proyecciones, las exigencias futuras no se verán afectadas de manera

considerable.

Por otra parte, se hace hincapié, en que si se fuera a realizar control en

procesos de alta precisión, la tarjeta se encontraría en serios problemas de

restricción, es decir, la velocidad con la que se muestrea es muy baja y por

tanto el sistema reacciona lento.

El sistema de filtrado es demasiado sencillo (entre las proyecciones está en

que no va a afectar considerablemente la lectura) y en caso de ponerla a

80

trabajar en ambientes sumamente contaminados por ruido podría arrojar

muchos errores.

81

6. SENSORES DE FLUJO : MODO DE UTILIZACIÓN Y FUT URAS

MODIFICACIONES

6.1 CUIDADOS PARA USAR EL SENSOR DE FLUJO

Para la manipulación de los sensores es necesario tener ciertos cuidados.

Una parte del sensor va a estar constantemente en la red de la tubería y una

tapa impedirá que cuando no se esté utilizando el sensor salga agua por

dicho lugar. Es conveniente que esto permanezca tapado.

Se recomienda que el sensor después de utilizado se saque de la cubierta y

se seque.

Evite quitar los imanes ubicados en los álabes de la turbina, éstos son de

vital importancia en el funcionamiento del sensor.

Al momento de realizar medidas de caudal haga lo siguiente:

Tome el sensor e introdúzcalo en la cubierta teniendo cuidado de

colocarlo de acuerdo con el pasador de posición. Él sensor entra

fácilmente, así que no hay que forzarlo, esto podría provocar el quiebre

de la turbina.

Gire la tapa de ajuste para evitar fugas durante la medición.

Conecte el cable apantallado tanto al sensor como al sistema de lectura.

Alimente con 5 V ( no exceder este valor ) el sistema de lectura.

Escoja la unidad de medida oprimiendo el botón indicado.

82

6.2 MODO EN QUE REALIZA INTERNAMENTE LA MEDICIÓN

El sistema de lectura está basado en el uso del microcontrolador PIC 16F84

de MICROCHIP. Éste dispositivo tiene 13 puertos I/O de los cuales 12 se

usan para visualizar en el display y uno para realizar el cambio de unidades

(litros por minutos o galones por minutos). En general se puede decir que un

PIC es como una pequeña computadora que se programa para que realice

una determinada tarea.

Este PIC maneja interrupciones, de las cuales se están usando dos : una por

pin externo y otra por rebose del temporizador.

Interrupción por pin externo : el microcontrolador empieza a realizar el

algoritmo programado y cuando por el pin RB0/INT ocurre un cambio, ya

sea de alto a bajo o viceversa, el PIC suspende el algoritmo inicial y se

pone a realizar otro. Este otro algoritmo es el que cuenta giros de la

turbina. En el programa de adelante se verá más claramente de que se

está hablando.

Como inicialmente se van a medir r.p.m. ( como cada álabe tiene un imán

los r.p.m. aparecen cuadruplicados ), se sabe que si se miden

revoluciones durante 6 segundos y lo multiplico por 10, entonces se

obtienen r.p.m.

Interrupción por rebose del temporizador : ésta ocurre cuando un registro

llamado TMR0 se rebosa (de 0 a 255 o viceversa). El rebose ocurre

porque con cada ciclo de instrucción el registro se va incrementando o

decrementando en una unidad. Esta es la interrupción para realizar la

temporización de los 6 segundos.

La rutina general del PIC es la de llenar un registro (interrupciones debido al

giro de la turbina) y asociarlo con un valor de caudal, la cual se ha

determinado previamente mediante la obtención de curvas Caudal Vs. r.p.m.

83

Si se analiza bien el programa se le pueden realizar modificaciones para

aumentar las funciones del programa, por ejemplo: mostrar el caudal es más

de dos unidades, realizar comunicación serial etc.

La siguiente es la rutina para realizar la medición de caudal de agua. Ésta

utiliza interrupción por pin externo y por tmr0.

Se realiza una regresión lineal para relacionar CAUDAL y RPM. La regresión

es: CAUDAL = 0,056*RPM - 9,7. Para la tarea se uso el microcontrolador PIC

16f84.

NOTA: El programa para el microcontrolador puede ser realizado en lenguaje

ensamblador MPASM del MPLab o en lenguaje C propio de

microcontroladores MPC que trabaja también con el MPLab.

84

7. TARJETA SAD PARA SENSORES DE TEMPERATURA : MODO DE

UTILIZACIÓN Y FUTURAS MODIFICACIONES

7.1 CUIDADOS PARA USAR LA TARJETA

La tarjeta para realizar adquisición de datos está basada en la tecnología del

microcontrolador PIC 16C74B de MICROCHIP. Este está contiene 33 puertos

I/O, maneja comunicación serial, posee conversor A/D de 8 canales a 8 bits.

Éste es de mayor capacidad que el utilizado para los sensores de flujo.

Por otra parte, es importante saber que el circuito del microcontrolador debe

ser alimentado con 5 V (no se debe exceder este valor) al igual que el

módulo para realizar la comunicación serial. En cambio, para el módulo de

acondicionamiento se hace necesario tener una fuente dual: +10 V y –10 V.

Para utilizarlo se deben seguir los siguientes pasos:

Conectar los sensores por los que se van a tomar lecturas. Tener cuidado

que no vayan a estar en corto, esto ocurre frecuentemente con conectores

de mala calidad.

Verificar que el pin RA4/TOCKI esté en alto para visualizar en que modo se

va a trabajar.

Escoger entre las tres operaciones posibles de manipulación del algoritmo.

Activar la temperatura que se quiere visualizar, en caso de estar con modo

display. Si se activan todas, la tarjeta visualizará todas a intervalos muy

pequeños de tiempo, por tal efecto, es recomendable visualizar una a la vez.

Alimentar la tarjeta con los voltajes correspondientes

85

7.2 FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LA TARJETA

El algoritmo de trabajo es bastante parecido al de los sensores de flujo con la

diferencia de que acá se realiza conversión A/D y comunicación serial,

ambos implementados en el PIC desde la fábrica.

Inicialmente el PIC recibe señales análogas de temperatura, éste realiza la

conversión A/D y la envía a un registro. Éste último es enviado a una rutina

para pasarlo a valor de temperatura (se usa una regresión). Posteriormente,

dependiendo del modo de operación, el PIC muestra la temperatura (en

Celsius o Fahrenheit) y/o la envía serialmente al computador.

En la tarjeta se pueden encontrar una serie de suiches para escoger unidad

de la temperatura, otros para seleccionar las temperaturas y otro para

visualizar el modo de trabajo.

Más adelante aparece la rutina del microcontrolador.

La siguiente es la rutina para realizar la adquisición de datos por parte del

SAD

86

8. SOFTWARE PARA PROGRAMAR MICROCONTROLADORES PIC

Los microcontroladores PIC con los que se realizaron las tarjetas son de la

fábrica MICROCHIP. Dependiendo de la tarea que se les va a asignar éstos

deben ser programados con un algoritmo propio de la tarea que va a realizar.

De fábrica, ellos vienen sin ningún tipo de algoritmo grabado. Para realizar la

programación de los PIC’s se utiliza el software MPLAB, el cual ofrece varias

herramientas para la simulación del algoritmos antes de grabarlos, figura 8.1.

Éste es un punto importante si se tiene en cuenta que hay PIC’s que sólo

Figura 8.1 Ventana de inicio del MPLAB

87

admiten una grabación; en caso de quedar mal el algoritmo habría que

desechar el chip.

Para empezar a elaborar un programa se le da la opción New Source del

menú File, figura 8.2.

Figura 8.2 Opción para crear un programa

Figura 8.3 Opción para definir procesador

88

Debido a que hay diferentes tipos de PIC’s se debe escoger el tipo con el

cual se va a trabajar. Para esto se escoge la opción Development Mode, del

menú Options , figura 8.3. Enseguida el software despliega una ventana

para escoger el tipo de procesador ( tipo de PIC ), figura 8.4.

Figura 8.5 Opción para salvar el programa fuente

Figura 8.4 Ventana indicando tipo de procesador escogido

89

Luego de escoger las opciones preliminares se empieza a escribir el

algoritmo; posteriormente se debe salvar con un nombre fácil de reconocer,

para esto se escoge la opción Save As , del menú File , figura 8.5. El software

despliega ventana para ingresar el nombre del programa o algoritmo, figura

8.6.

Figura 8.6 Ventana para dar nombre al programa

Figura 8.7 Opción para crear un proyecto

90

Cuando ya se ha salvado el programa se procede a crear un proyecto; éste

último contiene información de archivos de: error, estímulos, ventanas etc.

Para esto se escoge la opción New Project , del menú Project , figura 8.7.

Figura 8.8 Ventana para dar nombre al proyecto

Figura 8.9 Ventana adicionar programa(s) fuente al proyecto

91

El software despliega ventana para escoger nombre del proyecto, figura 8.8.

Después de aceptar se abre otra ventana para escoger el nombre del

programa fuente (el mismo que se creó al principio); este paso es importante

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

En caso de haber varios programas se deben adicionar los diferentes

nombres, figura 8.9. Para las tarjetas construidas sólo se tiene un programa

fuente.

El proceso final es la compilación del proyecto con el fin de saber si se tienen

errores sintácticos (errores en escritura); para esto se escoge la opción Make

Project (cuando se tiene un programa fuente) o Buid All (cuando se tienen

varios programas fuentes), ambos en el menú Project , figura 8.10.

Al final, el software despliega una ventana indicado si la compilación fue

exitosa o no, figura 8.11; en caso de no serlo, aparecen los errores y las

Figura 8.10 Opción para compilar el proyecto

92

líneas en donde se encuentran. Después de corregirlos se debe reiniciar la

compilación. Es importante recalcar que el software sólo corrige errores

sintácticos; los errores de algoritmo están bajo la responsabilidad de la

persona que va a programar.

Figura 8.11 Ventana indicando éxito en la compilación

Figura 8.12 Opción para activar programador

93

Cuando la compilación es exitosa y se sabe ( debe se 100% en caso de

usarse PIC de una sola grabación) que no hay errores de algoritmo,

entonces se puede proceder a programar el PIC. Esta tarea la realiza un

programador Picstart Plus de MICROCHIP que se conecta al puerto serial

(por defecto es el Comm1, pero se puede reconfigurar en software). La

activación se realiza ejecutando la opción Enable Programmer del menú

Picstart Plus , figura 8.12.

Es conveniente hacer saber que los PIC’s se pueden programar usando

lenguaje ensamblador, cuyos archivos fuentes quedan con la extensión *.

asm o usando lenguaje C propio de PIC, en cuyo caso la extensión es *.C.

La primera opción se puede realizar con el sólo MPLAB, pero la segunda

necesita del MPC para asociarlo con el MPLAB. Para mayor información se

deben consultar los catálogos del MPLAB y del MPC.

94

9. CONCLUSIONES

Con el anterior proyecto, fabricación de sensores de flujo y temperatura,

se pudo constatar que dentro de la universidad se pueden realizar

diferentes proyectos bastante buenos.

Con respecto a los sensores de flujo, se puede observar un gran avance,

pero definitivamente hay mucho por mejorar. Este proyecto puede

perfeccionarse más con el fin de obtener mediciones todavía más

precisas; para tal efecto, se necesita fabricar accesorios con muy buenos

acabados. Además, explorando otros materiales los resultados podrían

ser mejores.

La tarjeta para los sensores de temperatura ofrece comodidades en el

momento de realizar toma de datos, pero puede ser mejorada respecto al

filtrado de la señal, ya que actualmente tiene un filtro supersencillo la deja

pasar un poco de ruido ( para las condiciones de diseño esto no afecta )

que para futuras aplicaciones sería un problema.

Los dispositivos anteriormente construidos necesitan de cuidados con el

fin de evitar su avería. Es muy importante tener esto en cuenta.

95

APÉNDICE A

ALGORITMO PARA REALIZAR MEDICIÓN DE CAUDALES

ESPECIFICACIONES DEL PROCESADOR

#pragma option v;

#pragma __CONFIG @ 0x2007 = 0x3FF9;

ASIGNACIÓN DE LIBRERÍAS PROPIAS DEL MPC

#include <16f84.h>

#include <Delay14.h>

#include <math.h>

ASIGNACIÓN DE FUNCIONES Y VARIABLES DE TRABAJO

int vueltas;

int temporizador_1;

int decimales;

int unidades;

int decenas;

int centenas;

void handle_EXTERN();

void handle_TMR0();

int funcion(int num);

RUTINA QUE ADMINISTRA LAS INTERRUPCIONES

void __INT(void)

SaveContext();

if (INTCON.INTF)

INTCON.INTF = 0;

handle_EXTERN();

if (INTCON.T0IF)

INTCON.T0IF = 0;

temporizador_1 += 1;

96

if (temporizador_1 > 0x5A)

handle_TMR0();

RestoreContext();

RUTINA PRINCIPAL PARA MANIOBRAR DISPLAY'S

void main()

OPTION = 0x87;

INTCON = 0xB0;

TRISB = 1;

TRISA = 0x10;

PORTB = 0;

PORTA = 0;

centenas = 17;

decenas = 10;

unidades = 18;

decimales = 19;

temporizador_1 = 0;

TMR0 = 0;

vueltas = 0;

while(1)

PORTA = 0x08;

PORTB = funcion(decimales);

Delay_Ms_4MHz(5);

if (temporizador_1 > 0x5A)

temporizador_1 = 0;

PORTA = 0x04;

PORTB = funcion(unidades);

Delay_Ms_4MHz(5);

if (temporizador_1 > 0x5A)

temporizador_1 = 0;

97

PORTA = 0x02;

PORTB = funcion(decenas);

Delay_Ms_4MHz(5);

if (temporizador_1 > 0x5A)

temporizador_1 = 0;

PORTA = 0x01;

PORTB = funcion(centenas);

Delay_Ms_4MHz(5);

if (temporizador_1 > 0x5A)

temporizador_1 = 0;

CADA VEZ QUE PASA UN IMAN MARCA

void handle_EXTERN()

vueltas += 1;

REALIZA LA REGRESIÓN DESPUÉS DE 6 SG

void handle_TMR0()

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

int vuelta1,vuelta2,temporal1,temporal2,uno_temp;

int temporalent,temporaldec;

temporal1 = vueltas/100;

if (temporal1 == 0)

temporal2 = vueltas/10;

temporalent = vueltas%10;

else

temporalent = vueltas%100;

temporal2 = temporalent/10;

98

temporalent = temporalent%10;

temporal1 = temporal1*10;

vuelta1 = temporal1 + temporal2;

vuelta2 = temporalent;

if (vuelta1 > 25)

centenas = 10; //L

decenas = 11; //i

unidades = 12; //m

decimales = 13; //S

else

if (vuelta1 < 7)

if (vuelta1 == 0)

if (vuelta2 == 0)

centenas = 17; //F

decenas = 10; //L

unidades = 18; //U

decimales = 19; //J

else

centenas = 10; //L

decenas = 11; //i

unidades = 12; //m

decimales = 14; //I

else

temporal1 = vuelta1*5;

temporal2 = vuelta1*6;

temporal2 = temporal2/10;

99

temporaldec = vuelta1*6;

temporaldec = temporaldec%10;

temporaldec = temporaldec*10;

temporalent = temporal2+temporal1;

temporal1 = vuelta2*5;

vuelta1 = temporal1%10;

vuelta1 = vuelta1*10;

temporal1 = temporal1/10;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec + vuelta1;

temporal1 = vuelta2*6;

temporaldec = temporaldec + temporal1;

temporal1 = temporaldec/100;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec%100;

temporalent = temporalent - 9;

if (temporaldec < 70)

temporalent = temporalent - 1;

temporaldec = 30 + temporaldec;

else

temporaldec = temporaldec - 70;

centenas = temporalent/100;

if (centenas > 0)

uno_temp = centenas*100;

temporalent = temporalent-uno_temp;

else

centenas = 15;

100

decenas = temporalent/10;

unidades = temporalent%10;

decimales = temporaldec/10;

vueltas = 0;

vuelta1 = 0;

vuelta2 = 0;

temporal1 = 0;

temporal2 = 0;

FUNCION PARA CARGAR ENCENDIDO DE LEDS

int funcion(int num)

int value;

switch (num)

case 0: value = 0xBE; //Para el 0;

break;

case 1: value = 0x12; // 1;

break;

case 2: value = 0x7C; // 2;

break;

case 3: value = 0x76; // 3;

break;

case 4: value = 0xD2; // 4;

break;

case 5: value = 0xE6; // 5;

break;

case 6: value = 0xEE; // 6;

break;

case 7: value = 0x32; // 7;

break;

case 8: value = 0xFE; // 8;

break;

case 9: value = 0xF6; // 9;

break;

case 10: value = 0x8C; // Para la "L"

break;

case 11: value = 0x08; // "i"

break;

case 12: value = 0x4A; // "m"

101

break;

case 13: value = 0xE6; // "S"

break;

case 14: value = 0x12; // "I"

break;

case 15: value = 0; // "espacio"

break;

case 16: value = 0x4C; // "c"

break;

case 17: value = 0xE8; // "F"

break;

case 18: value = 0x9E; // "U"

break;

case 19: value = 0x1E; // "J"

break;

return (value);

#include <Delay14.lib>

102

APÉNDICE B

ALGORITMO PARA REALIZAR MEDICIÓN DE TEMPERATURAS

ESPECIFICACIONES DEL PROCESADOR

#pragma option v;

ESPECIFICACIÓN DE LIBRERIAS

#include <16c74a.h>

#include <Ser14.h>

#include <Ad74.h>

#include <Delay14.h>

#include <math.h>

DECLARACION DE FUNCIONES Y VARIABLES

int funcion(int num);

void multiplicacion(unsigned char analogo);

unsigned char conversion(registerx canal);

void muestra(int letra,int fin);

unsigned char canal0,canal1,canal2,canal3,canal4,canal5,canal6,canal7;

int vueltas;

int temporizador_1;

int centenas,decenas,unidades,decimales;

int conver255;

int contador;

int valor;

void handle_TMR0();

RUTINA PRINCIPAL DEL MICROCONTROLADOR

void main()

Setup_Async_Mode(51); Rata baudios = Fosc/64(SPBRG +1)

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

INIT_A2D(ANA5_VDDN,FRC); Para 5 canales análogos y oscilador RC

TRISA = 0x3F; Todos como entrada

TRISB = 0x01; RB7:RB1 salida - RB0 entrada

103

TRISC = 0x8F; RC3:RC0-RC7 (I) RC6:RC4 (O)

TRISD = 0x0F; RD7:RD4 (O) RD3:RD0 (I)

TRISE = 0x07; RE2:RE0 (I)

INTCON = 0;

while(PORTA.4 == 1)

if (PORTD.3 == 0)

if (PORTD.2 == 0)

Mensaje de solo Display

centenas = 18; //o

decenas = 1; //l

unidades = 13; //d

decimales = 24; //i

muestra(20,20); //S y S

else

Mensaje de Display y Serial

centenas = 24; //i

decenas = 20; //S

unidades = 20; //S

decimales = 14; //E

muestra(13,21); //D y r

else

if (PORTD.2 == 0)

Mensaje de solo Serial

centenas = 18; //o

decenas = 1; //l

unidades = 20; //S

decimales = 14; //E

104

muestra(20,21); //S y r

else

Mensaje de Futura Aplicacion

centenas = 26; //u

decenas = 27; //t

unidades = 10; //A

decimales = 28; //P

muestra(15,1); //F y L

centenas = 0;

decenas = 0;

unidades = 0;

decimales = 0;

OPTION = 0x87;

while(1)

if (PORTD.3 == 0)

if (PORTD.2 ==0)

RUTINA PARA MOSTRAR EN DISPLAY

if (PORTC.0 == 1)

canal0 = conversion(Ch0);

multiplicacion(canal0);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(10,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

105

if (PORTC.1 == 1)

canal1 = conversion(Ch1);

multiplicacion(canal1);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(11,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

if (PORTC.2 == 1)

canal2 = conversion(Ch2);

multiplicacion(canal2);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(12,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

if (PORTC.3 == 1)

canal3 = conversion(Ch3);

multiplicacion(canal3);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(13,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

106

if (PORTD.0 == 1)

canal4 = conversion(Ch4);

multiplicacion(canal4);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(14,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

else

RUTINA PARA MOSTRAR EN DISPLAY Y ENVIAR A SERIAL

canal0 = conversion(Ch0);

Transmit(canal0);

canal1 = conversion(Ch1);

Transmit(canal1);

canal2 = conversion(Ch2);

Transmit(canal2);

canal3 = conversion(Ch3);

Transmit(canal3);

canal4 = conversion(Ch4);

Transmit(canal4);

if (PORTC.0 == 1)

multiplicacion(canal0);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

107

muestra(10,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

if (PORTC.1 == 1)

multiplicacion(canal1);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(11,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

if (PORTC.2 == 1)

multiplicacion(canal2);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(12,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

if (PORTC.3 == 1)

multiplicacion(canal3);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(13,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

108

if (PORTD.0 == 1)

multiplicacion(canal4);

INTCON = 0xA0;

while(contador < 16)

muestra(14,0);

INTCON = 0;

contador = 0;

else

if (PORTD.2 == 0)

RUTINA PARA SOLO ENVIAR DATOS VIA PUERTO SERIAL

NOTA: Aqui se realizan todas las conversiones A/D

de los 5 canales y se envian al computador. El PC

decide cuantas temperaturas de las cinco posibles

va a recibir

if (PORTC.0 == 1)

canal0 = conversion(Ch0);

Transmit(canal0);

if (PORTC.1 == 1)

canal1 = conversion(Ch1);

Transmit(canal1);

if (PORTC.2 == 1)

109

canal2 = conversion(Ch2);

Transmit(canal2);P

if (PORTC.3 == 1)

canal3 = conversion(Ch3);

Transmit(canal3);

else

RUTINA PARA FUTURA APLICACION

Mensaje de Futura Aplicacion

centenas = 26; //u

decenas = 27; //t

unidades = 10; //A

decimales = 28; //P

muestra(15,1); //F y L

FUNCION PARA ENVIAR LA INFORMACION A LOS PUERTOS

void muestra(int letra,int fin)

PORTC = 0;

PORTD = 0x80;

PORTB = funcion(letra);

Delay_Ms_4MHz(5);

PORTC = 0;

PORTD = 0x40;

PORTB = funcion(centenas);

Delay_Ms_4MHz(5);

110

PORTC = 0;

PORTD = 0x20;

PORTB = funcion(decenas);

Delay_Ms_4MHz(5);

PORTC = 0;

PORTD = 0x10;

PORTB = funcion(unidades);

Delay_Ms_4MHz(5);

PORTC = 0x20;

PORTD = 0;

PORTB = funcion(decimales);

Delay_Ms_4MHz(5);

if (PORTA.4 == 1)

PORTD = 0;

PORTC = 0x10;

PORTB = funcion(fin);

Delay_Ms_4MHz(5);

else

if (PORTB.0 == 0)

PORTD = 0;

PORTC = 0x10;

PORTB = funcion(12); //Muestra la C

Delay_Ms_4MHz(5);

else

PORTD = 0;

PORTC = 0x10;

PORTB = funcion(15); //Muestra la F

Delay_Ms_4MHz(5);

111

FUNCION PARA CARGAR ENCENDIDO DE LEDS

int funcion(int num)

int value;

El valor del digito en binario debe ser cargado en el puerto B

retardo = 2ms

Estos son los valores de los puertos que controlan los transistores

RC4 = D6, RC5 = D5, RD4 = D4, RD5 = D3, RD6 = D2, RD7 = D1

switch (num)

case 0: value = 0x7E; // Para el 0

break;

case 1: value = 0x0C; // 1

break;

case 2: value = 0xB6; // 2

break;

case 3: value = 0x9E; // 3

break;

case 4: value = 0xCC; // 4

break;

case 5: value = 0xDA; // 5

break;

case 6: value = 0xFA; // 6

break;

case 7: value = 0x0E; // 7

break;

case 8: value = 0xFE; // 8

break;

case 9: value = 0xDE; // 9

break;

case 10: value = 0xEE; // A

break;

case 11: value = 0xF8; // B

break;

case 12: value = 0x72; // C

break;

112

case 13: value = 0xBC; // D

break;

case 14: value = 0xF2; // E

break;

case 15: value = 0xE2; // F

break;

case 16: value = 0xFA; // G

break;

case 17: value = 0xEC; // H

break;

case 18: value = 0xB8; // o

break;

case 19: value = 0xA8; // m

break;

case 20: value = 0xDA; // S

break;

case 21: value = 0x62; // r

break;

case 22: value = 0; // Espacio

break;

case 23: value = 0x10; // Raya

break;

case 24: value = 0x08; // i

break;

case 25: value = 0xB0; // c

break;

case 26: value = 0x38; // u

break;

case 27: value = 0xF0; // t

break;

case 28: value = 0xE6; // P

break;

return (value);

ESTA RUTINA FUE REALIZADA PARA PASAR EL VALOR DE 8 BITS DEL CONVERSOR

A UN VALOR DE TEMPERATURA CENTIGRADA.

TEMPERATURA(C) = analogo*90/255 = analogo*0.353

113

TEMPERATURA(F) = 1.8(analogo*0.353) + 32

void multiplicacion(unsigned char analogo)

int vuelta1,vuelta2;

int temporal1,temporal2,uno_temp;

int temporalent,temporaldec;

centenas = 0;

decenas = 0;

unidades = 0;

decimales = 0;

if (PORTB.0 == 0)

RUTINA PARA MOSTRAR LA TEMPERATURA EN GRADOS CENTIG RADOS

temporal1 = analogo/100;

if (temporal1 == 0)

temporal2 = analogo/10;

temporalent = analogo%10;

else

temporalent = analogo%100;

temporal2 = temporalent/10;

temporalent = temporalent%10;

temporal1 = temporal1*10;

vuelta1 = temporal1 + temporal2;

vuelta2 = temporalent;

temporal1 = vuelta1*3; //5

temporal2 = vuelta1*5; //6

114

temporal2 = temporal2/10;

temporaldec = vuelta1*5; //6

temporaldec = temporaldec%10;

temporaldec = temporaldec*10;

temporalent = temporal2+temporal1;

temporal1 = vuelta2*3; //5

vuelta1 = temporal1%10;

vuelta1 = vuelta1*10;

temporal1 = temporal1/10;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec + vuelta1;

temporal1 = vuelta2*5; //6

temporaldec = temporaldec + temporal1;

temporal1 = temporaldec/100;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec%100;

centenas = temporalent/100;

if (centenas > 0)

uno_temp = centenas*100;

temporalent = temporalent-uno_temp;

else

centenas = 22;

decenas = temporalent/10;

unidades = temporalent%10;

decimales = temporaldec/10;

else

115

RUTINA PARA MOSTRAR LA TEMPERATURA EN GRADOS FARENH EIT

temporal1 = analogo/100;

if (temporal1 == 0)

temporal2 = analogo/10;

temporalent = analogo%10;

else

temporalent = analogo%100;

temporal2 = temporalent/10;

temporalent = temporalent%10;

temporal1 = temporal1*10;

vuelta1 = temporal1 + temporal2;

vuelta2 = temporalent;

temporal1 = vuelta1*6; //5

temporal2 = vuelta1*3; //6

temporal2 = temporal2/10;

temporaldec = vuelta1*3; //6

temporaldec = temporaldec%10;

temporaldec = temporaldec*10;

temporalent = temporal2+temporal1;

temporal1 = vuelta2*6; //5

vuelta1 = temporal1%10;

vuelta1 = vuelta1*10;

temporal1 = temporal1/10;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec + vuelta1;

116

temporal1 = vuelta2*3; //6

temporaldec = temporaldec + temporal1;

temporal1 = temporaldec/100;

if (temporal1 > 0)

temporalent = temporalent + temporal1;

temporaldec = temporaldec%100;

temporalent = temporalent + 32;

centenas = temporalent/100;

if (centenas > 0)

uno_temp = centenas*100;

temporalent = temporalent-uno_temp;

else

centenas = 22;

decenas = temporalent/10;

unidades = temporalent%10;

decimales = temporaldec/10;

analogo = 0;

vuelta1 = 0;

vuelta2 = 0;

temporal1 = 0;

temporal2 = 0;

RUTINA PARA REALIZAR CONVERSIÓN A/D

unsigned char conversion(registerx canal)

int suma;

Select_A2D_Ch(canal);

Delay_10xUs_4MHz(20);

117

valor = ConvertAD();

return(valor);

RUTINA REALIZADA CON CADA INTERRUPCION

void __INT(void)

SaveContext();

if (INTCON.T0IF)

INTCON.T0IF = 0;

contador ++;

RestoreContext();

#include <Ser14.lib>

#include <Delay14.lib>

#include <Ad14.lib>

118

APÉNDICE C

MANUAL PARA LA FABRICACION DE TARJETAS ELECTRONICAS

1. INTRODUCCIÓN

La universidad a través de los años ha tenido la necesidad de adquirir equipos

útiles para el desarrollo o elaboración de prácticas de laboratorio con el fin de

acercar al estudiantado más a la realidad. En este proceso se encuentran grandes

restricciones, una de ellas es el factor económico determinado por el presupuesto.

En el mercado se pueden encontrar dispositivos de alta calidad construidos a

través de muchos años de investigación e inversión de capital. Con el presente

proyecto, y con muchos otros, lo que se pretende es desarrollar nuevas

tecnologías, mejorarlas progresivamente, y por qué no, adaptar otras ya existentes

dándole un toque personal para lograr la economía.

En este proyecto se desarrollaron tarjetas para sensores de flujo y de temperatura;

dichas tarjetas se pueden mandar a fabricar, pero el costo es bastante alto. Por

tanto, este manual está enfocado a motivar a los estudiantes para que se

introduzcan en el amplio mundo de la electrónica , y por supuesto, proporcionar

ideas de cómo fabricar tarjetas que funcionen aceptablemente (siempre que sea

viable) evitando tener que realizar trabajos costosos por fuera de la universidad.

119

2. TEORÍA BÁSICA

Con el fin de hacer una inducción en el tema de la electrónica, es necesario

mencionar una teoría básica para aquellas personas que les gustaría ingresar a

este mundo, pero que no saben por donde empezar. Entre los conceptos básicos

están:

• Materia: todo lo que se ve a nuestro alrededor está hecho de materia. El

escritorio, el lapicero, el papel, el agua, etc. La materia es algo que tiene masa

y ocupa espacio. Se puede encontrar en tres estados: sólido, gaseoso y

líquido.

• Elementos: la materia está hecha de elementos, las cuales son sustancias que

se encuentran normalmente en el universo, tales como: carbono, oxígeno,

plata, oro, etc.

• Átomos: cada elemento está hecho de átomos. Estos últimos poseen un

corazón central llamado núcleo, lleno con partículas cargadas positivamente

conocidas como protones. En las órbitas del núcleo se encuentran partículas

cargadas negativamente llamadas electrones. Todos los átomos están así

constituidos, sin importar si conforman un núcleo como el hidrógeno o el oro.

La única diferencia importante, es el número de electrones y protones que

posee cada átomo, ver figura 2.1.

Figura 2.1

120

Los tres conceptos anteriores se tocaron muy someramente y pueden parecer

irrelevantes, pero si se analiza uno de los componentes que revolucionó la

electrónica, es decir el transistor, se puede constatar que éste está fabricado a

base de elementos llamados semiconductores (silicio,

germanio); estos últimos, están compuestos por neutrones, protones y electrones

(de electrón viene el nombre de electrónica).

Los grandes inventores han llegado a la conclusión que del conocimiento de las

pequeñas cosas surgen las grandes ideas.

2.1 LOS ELECTRONES Y LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Por definición, la electrónica es la parte de la física que estudia el movimiento de

los electrones. La corriente electrónica es el movimiento de millones de electrones

a través de un conductor (cable).

Cuando usted conecta una batería a una bombilla, la lámpara se ilumina, puesto

que una corriente electrónica circula a través de ella. Lo que realmente ocurre, es

que en el lado negativo de la batería, usted tiene millones y millones de electrones

en exceso, y en el lado positivo usted tiene un déficit o falta de ellos. Por tanto, los

electrones fluyen desde el terminal negativo de la batería, al positivo (es decir, de

donde hay más electrones hacia donde hay menos), pasando a través de la

lámpara. Esto, constituye una corriente electrónica, la cual hace que se encienda

la lámpara, ver figura 2.2.

Figura 2.2

121

2.2 IDENTIFICACIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Ya conociendo en que consiste y como se produce la corriente, es relevante

familiarizarse con cada uno de los componentes que pueden integrar un circuito

electrónico. En un circuito de estos lo que se hace es combinar esos

componentes, para jugar con corrientes y voltajes; en el momento en que se

manipulen los tiempos de aparición de corrientes y voltajes (como también su

aumento o disminución) es cuando surgen las llamadas acciones de control; estas

últimas son las responsables de que se enciendan dispositivos automáticamente,

entre muchas aplicaciones. De los componentes electrónicos se pueden

mencionar:

• Batería o pila: esta se encarga de almacenar energía eléctrica, ver figura 2.3.

La batería proporciona la diferencia de potencial eléctrico que hace que los

electrones se desplacen de un lugar a otro produciendo la corriente. Imagínese

que el efecto de la batería es como la altura para que se produzca una caída

de agua, si no hay diferencia de alturas, el agua permanece quieta (no hay

cascada). Luego, sin este elemento, no se presenta corriente electrónica.

Apariencia Símbolo

Figura 2.3

122

• Interruptor o suiche: este dispositivo se encarga de abrir y cerrar un circuito

eléctrico para fluya o deje de fluir corriente en un circuito, ver figura 2.4.

Figura 2.4

• Resistencia o resistor: esta se usa para limitar o controlar la corriente que fluye

a través de un circuito, presentando una oposición o resistencia al paso de la

corriente, ver figura 2.5. Esto es semejante a un carro que va a una velocidad

(corriente) de 80 km/h y se choca contra una pared (resistencia). Después del

choque el carro sigue corriendo a 10 Km/h; esto quiere decir que la pared

controló la velocidad del auto. Luego, entre más robusta (alta resistencia) sea

la pared, menor va a ser la velocidad después del choque.

Figura 2.5

123

• Potenciómetro: este es una resistencia variable, es decir, se utilizan cuando se

requieren valores más precisos de resistencias, ver figura 2.6.

Figura 2.6

• Fotocelda: esta es un tipo especial de resistencia que varía de acuerdo con la

intensidad de la luz que incida en su superficie, ver figura 2.7.

Figura 2.7

124

• Capacitor o condensador de cerámica: este actúa como una batería temporal,

pues almacena electricidad. Los de cerámica almacenan pequeñas cantidades

de electricidad y no tienen polaridad (es decir, no importa el sentido en que se

conecten), ver figura 2.8.

Figura 2.8

• Capacitor o condensador electrolítico: estos almacenan cantidades

relativamente grandes de electricidad. Estos si poseen polaridad, lo que

significa que tienen un terminal positivo y uno negativo, por ende, se debe

tener cuidado al conectarlos en un circuito (instalarlo en la posición correcta),

ver figura 2.9.

Figura 2.9

Apariencia Símbolo

125

• Diodo: este es un dispositivo que permite el paso de corriente solo en una

dirección. Este se puede comparar con una calle de una sola vía, o una válvula

cheque.

Posee dos terminales: uno es el ánodo (terminal +) y el otro es el

cátodo(terminal -). El cátodo se indica con una banda que rodea el cuerpo del

diodo, ver figura 2.10.

Figura 2.10

• Diodo emisor de luz (LED): este es una clase especial de diodo que emite luz

cuando fluye una corriente a través de él. Tiene dos terminales: ánodo y

cátodo, ver figura 2.11.

Figura 2.11

126

• SCR: este permite el paso de corriente, solo si se le aplica un voltaje positivo a

uno de sus terminales llamado puerta o gate. Posee tres terminales: ánodo,

cátodo y gate, ver figura 2.12.

Figura 2.12

• Transistor: este es utilizado para conmutar y para amplificar electricidad. Tiene

tres terminales: base, colector y emisor.

De acuerdo con su fabricación los hay: NPN y PNP, ver figura 2.13.

Apariencia Símbolo

Figura 2.13

Circuito integrado: este contiene muchos componentes (transistores, diodos,

resistencias, condensadores etc) colocados dentro de un paquete muy

pequeño llamado chip. Cada clase de circuitos integrados, efectúa una función

127

distinta de acuerdo con los componentes que posea y a la forma como están

conectados con otros componentes. Estos dispositivos revolucionaron la

electrónica ya que uno o varios circuitos complejos pueden ser condensados

en un solo chip, ver figura 2.14.

Figura 2.14

• Parlante: su propósito es producir sonido, convirtiendo la corriente que fluye a

través de él, en ondas sonoras. Se puede usar como micrófono convirtiendo

las ondas sonoras en corriente, ver figura 2.15.

Apariencia Símbolo

Figura 2.15

128

2.3 USO DE LA TABLA DE CONEXIONES SIN SOLDADURA (protoboard)

Este es un dispositivo que permite ensamblar circuitos electrónicos sin uso de

soldadura. Esto hace posible conexiones rápidas y fáciles, y es útil para

experimentos puesto que permite el montaje y desmontaje de componentes sin

ningún problema. Ésta es usada por principiantes y científicos.

En la figura 2.16 se puede observar que la protoboard tiene muchos orificios

pequeños en cada tramo. Cada orificio aloja un terminal de un componente o un

cable. Todos los cinco huecos en cada grupo vertical o juego, están

interconectados. Así que cada grupo vertical está en contacto. Dos o más cables o

terminales conectados en alguno de los 5 huecos, se conectará o estará en

contacto con el otro. Hay 60 juego de huecos, ver figura 2.17.

Figura 2.16

Figura 2.17

129

Un canal central separa o divide la tabla en mitades. Los circuitos integrados son

conectados a través del canal.

Sobre la protoboard hay impresos números y letras para ayudar con la

identificación de cada orificio durante el proceso de ensamble, ver figura 2.18.

Figura 2.18

Para entender más acerca del manejo de la protoboard imagínese que desea

conectar una pila, una resistencia y un led en serie. En la figura 2.19 aparece el

diagrama esquemático, en la figura 2.20 aparece el diagrama de conexiones al

aire y en la figura 2.21 aparece el diagrama de conexiones sobre la protoboard;

observe la diferencia y sus ventajas.

Figura 2.19

130

Figura 2.20

Figura 2.21

131

3. INDUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

En el capítulo anterior se proporcionó una teoría básica sobre principios y

componentes electrónicos. En esta sección se pretende dar una inducción acerca

de los microcontroladores (este está contenido dentro de la familia de chip’s y se

pueden programar). Juegan un papel importante en el diseño y construcción de

tarjetas inteligentes, tales como: tarjetas receptoras de señales análogas de

temperatura, presión etc; tarjetas transmisoras de señales de control, o tarjetas

que realizan las dos tareas anteriores, y mucho más. Como se puede apreciar,

estos pequeños integrados son unas computadoras condensadas.

En el mercado se pueden encontrar diferentes tipos de microcontroladores de

todas las marcas y complejidad.

Para entrar a conocer un poco sobre estos dispositivos se tomará como base el

microcontrolador PIC16F84 (PIC significa Controlador de Interface Periférico) es

bastante sencillo y permite una familiarización rápida. Este último punto es muy

importante, ya que hay microcontroladores de gran complejidad que en primera

instancia podrían desmotivar a la persona que intentara manipularlo. Siempre es

mejor ir de lo sencillo a lo complejo.

Hay dos familias de microcontroladores: los de memoria EPROM y los de memoria

FLASH. La diferencia es que los primeros para reprogramarlos se hace necesario

borrarlos con luz ultravioleta (requiere un dispositivo para borrado ultravioleta),

mientras que la segunda familia se borra con pulsos

eléctricos (enviados por software).

132

3.1 TERMINOLOGÍA BÁSICA

Para entrar a conocer progresivamente los PIC, es necesario mencionar cierta

terminología:

• Pin: cada una de las patas de sostén del chip. El número de estos depende del

tamaño y complejidad del encapsulado.

• Oscilador (reloj): configuración electrónica que permite enviar un tren de pulsos

al PIC a una determinada frecuencia. Los hay: RC (resistencia – condensador),

XT (cristal) , etc. Este es útil para la ejecución de cada instrucción del algoritmo

de programación del PIC.

• Cristal: fragmento de cuarzo encapsulado en cuerpo metálico que envía un tren

de pulsos a determinada frecuencia de alta precisión (más preciso que el RC).

• Puerto: conjunto de líneas que pueden ser configuradas como entrada o como

salida, es decir, para recibir o para enviar señales, respectivamente. Los

puertos son el puente entre el microcontrolador y el exterior.

• Línea: pin que hace parte de un puerto.

• Interrupción: cambio de tarea en un algoritmo, provocado por la ejecución de

un evento especial.

• Evento: acción provocada por un agente externo o interno al PIC. Este chip

maneja cuatro tipo de eventos asociado a interrupciones. Hay PIC’s que traen

hasta 13 tipos de eventos.

• Memoria volátil: es aquella que se borra cuando no se encuentra alimentado el

chip.

• Memoria EEPROM (diferente a la EPROM): esta permite guardar información

incluso si se quita la alimentación.

• Registro: posición de memoria para guardar información valiosa. Está

conformado por 8 bits.

133

• Bit: memoria individual que almacena un alto o bajo (referido a los voltajes

usados para representar números binarios, es decir, 5 voltios = alto (1), 0

voltios = bajo (0)).

• Reset: acción con la que se obliga al PIC a comenzar nuevamente el algoritmo

de programación.

• Arquitectura: esto se refiere a los bloques funcionales internos que conforman el

microcontrolador y la forma en que están conectados.

• Memoria de datos: es aquella donde aparecen los registros de propósito general

(para guardar datos valiosos mientras se ejecutan líneas de código) y registros

de funciones especiales (guardan datos de configuración, por ejemplo: la

configuración de los puertos, como entrada o salida, etc). Este PIC tiene

además un tipo de memoria destinada a guardar datos EEPROM.

• Memoria de programa: es donde se encuentran guardadas las líneas de código.

• Bus: es un conjunto de líneas que transportan información entre dos o más

módulos.

• Módulo: bloque que realiza una tarea dentro de la arquitectura general del PIC.

3.2 CONSTITUCIÓN DE UN MICROCONTROLADOR

Este microcontrolador está fabricado con tecnología CMOS, tiene un consumo

bajo de potencia, y además, es completamente estático, es decir, que el reloj

puede detenerse (esto es diferente a quitar la alimentación) y los datos de la

memoria no se pierden.

La configuración de los pines puede apreciarse en la figura 3.1.

134

Figura 3.1

Al PIC16F84 se le pone un reloj de 4 MHz (puede ser de otra frecuencia) para

mayor facilidad. El reloj manda pulsos cuadrados al PIC, este último los recibe, y

por cada 4 pulsos recibidos ejecuta una línea de código. Así:

Fejec = Freloj / 4

De donde:

Freloj = es la frecuencia del reloj seleccionado

Fejec = es la frecuencia de ejecución de las líneas de código

Tejec = 1 / Fejec

De donde:

Tejec = es el tiempo que demora la ejecución de cada línea de código

Por ejemplo: si se tiene un reloj de 4 MHz ¿Cuánto demora ejecutándose cada

línea de código ?

135

Fejec = 4 000 000 Hz / 4 = 1 000 000 Hz

Tejec = 1 / 1 000 000 Hz = 1 x 10 E –6 seg = 1µSeg

Esto quiere decir que cada línea de código se demora 1 millonésima de segundo,

un tiempo bastante pequeño. Aquí radica la importancia de estos chip’s

programables, es decir, realizan tareas sumamente rápidas que ningún humano

podría reemplazar; por tal motivo se usan como dispositivos de control.

Para funcionar, como se dijo anteriormente, necesita de un oscilador. Este se

conecta como se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2

Este posee dos puertos: el A con 5 líneas (RA0 – RA4) y el B con 8 líneas (RB0

– RB7). Cada pin de los puertos puede proporcionar por si sólo 25 mA y puede

recibir 20 mA. Estos valores tienen que respetarse para evitar daños internos,

ver figura 3.3

136

Figura 3.3

Hay veces en que se necesita reiniciar el programa del PIC, para tal operación se

debe resetear (hacer reset) mandando a bajo voltaje el pin llamado MCLR (master

clear), ver figura 3.4.

Figura 3.4

El PIC durante la ejecución de instrucciones está realizando una cantidad de

operaciones inimaginables que son una realidad debido a la arquitectura general;

en ella aparecen la conexión de puertos, las memorias de datos y de programa,

bloques especiales, temporizadores de arranque, el oscilador, etc.

137

Todos los elementos se conectan entre si por medio de buses, ver figura 3.5.

Figura 3.5

138

El esquema de la memoria de programa, mostrado en la figura 3.6, tiene una

capacidad para 1Kbyte (1024 líneas de código), y es de tipo FLASH. Esta se

puede direccionar desde la posición 0000h hasta 03FFh, y además de

memorizar las líneas de código, es útil para guardar gran cantidad de

constantes con el fin de reservar la memoria de datos que son bastante

valiosas en la ejecución del programa.

Figura 3.6

En la memoria de programa aparecen dos vectores: el de reset y el de

interrupción. El primero es apuntado cada vez que se resetea el PIC y el segundo,

cuando ocurre una interrupción; en este último, debe aparecer la etiqueta hacia

donde debe dirigirse para ejecutar la rutina de interrupción.

139

El esquema de la memoria de datos, mostrado en la figura 3.7, tiene una

capacidad para direccionar 128 posiciones (aunque sólo aparecen 80

implementadas), de las cuales 12 son registros que cumplen un propósito

especial en el control del PIC y los otros 68 son registros de uso general en el que

se pueden guardar datos temporales. Cada registro especial tiene sus

correspondientes bits que realizan tareas distintas.

Figura 3.7

Se puede mencionar someramente lo que contiene cada registro especial para

lograr mayor motivación en las personas, así:

• TMR0: registro que se va incrementando o decrementando (se configura a

voluntad) con la ejecución de determinado número líneas de código, la cual

depende del preescalador (este determina si el TMR0 cambia cada 2, 4,

8,....,256 líneas de código ejecutadas).

140

• PCL: este pertenece al contador de programa y determina la posición de la

línea de código, en la memoria de programa, que actualmente se está

ejecutando.

• STATUS: este contiene el estado aritmético de la ALU (Unidad Lógica

Aritmética), la causa del reset y los bits de protección de página para la

memoria de datos.

• FSR: con este se trabajan apuntadores.

• PORTA y PORTB: estos guardan el estado actual (bajo o alto) de las líneas del

puerto A y B, respectivamente.

• EEDATA: este almacena el dato leído o escrito en la memoria de datos

EEPROM.

• EEADR: esta almacena la posición sobre la que se va a leer o escribir en la

memoria de datos EEPROM.

• INTCON: este se encarga de decir cuales interrupciones se van a habilitar e

informar en que momento han ocurrido.

• OPTION: este determina el tipo de preescalador a utilizar y los flancos (bajada

o subida) para señales externas respecto al llenado del TMR0.

• TRISA y TRISB: estos guardan el estado de la configuración de los puertos A y

B (entrada o salida), respectivamente.

Cuando ya se tiene claro lo que se quiere hacer en el programa, se empieza a

escribir en el software compilador, en el cual se crea un proyecto para simular y

verificar la lógica del algoritmo (para saber si va a funcionar en la realidad). El

compilador utilizado es el MPLAB de MICROCHIP (encontrado ,con manuales, en

el laboratorio de microprocesadores, Universidad Nacional). Para familiarizarse

con el manejo de este software, se debe consultar el texto principal de la tesis:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO DE LÍQU IDOS Y

SENSORES DE TEMPERATURA CON SALIDA DIGITAL .

141

Sería inútil extender las explicaciones acerca de todo lo que se puede hacer con el

PIC y cual es su constitución completa. Por ende, si se quiere conocer

exhaustivamente todo sobre este PIC, o sobre otro en especial, se recomienda

visitar la página www.microchip.com en donde se podrá obtener toda la

información pertinente.

142

4. FABRICACIÓN DE TARJETAS ELECTRÓNICAS

( Circuitos impresos )

Vista ya la teoría básica y algunas aplicaciones dentro de la electrónica, es

sabido que como paso siguiente a la selección del circuito deseado es la

conexión de elementos en una protoboard; esto con el fin de observar su

funcionamiento y prever futuros cambios. La protoboard (llamada también tabla

de conexión sin soldadura) ofrece grandes ventaja en circuitos susceptibles de

cambios, pero para aplicaciones definitivas presenta una restricción, ya que

sus elementos quedan expuestos a las manos de personas inescrupulosas que

terminan por averiar parcial o totalmente (en caso de no existir diagramas

esquemáticos) la aplicación. Con el fin de suplir tales necesidades se recurre a

los circuitos impresos (aplicado en las tarjetas electrónicas) la cual están

diseñados para fijar elementos por medio de soldadura (en este caso se usa

estaño).

CIRCUITOS IMPRESOS

Son líneas metálicas fijadas en un material llamado baquelita que forma, a

través de uniones, las llamadas líneas de circuitos de la aplicación. La

elaboración de estas líneas son más exigentes que en la protoboard, ya que

aquí no están permitidas la “ sobre posición de líneas ” (puentes de cables) y

mucho menos la modificación del circuito; esto porque el diagrama obtenido no

se puede cambiar por ningún motivo, a menos que se imprima nuevamente el

circuito.

143

CONCEPTOS BÁSICOS

Para comenzar, es necesario exponer algunos conceptos básicos para

entender mejor lo que se va a hacer.

• Baquelita: placa de resina sintética obtenida por condensación de un fenol

en presencia de formol. Sobre esta se pone una capa de cobre con la que

se hacen las líneas del circuito. Estas placas pueden ser de dos tipos:

Perforada: en esta se hacen líneas semejantes a la de las protoboard

para unir con soldadura. En esta se permite la realización de puentes y

futuras modificaciones. La desventaja es que el circuito al igual que en la

protoboard tiende a quedar desordenado.

Virgen: esta viene totalmente cubierta en cobre y mediante procesos

químicos u ópticos se imprime el circuito. Esta no permite

modificaciones, pero el circuito que mucho más presentable y ordenado.

Para nuestras aplicaciones se usará este tipo.

• Percloruro férrico: óxido de hierro utilizado para realizar el ataque químico a

la capa de cobre de la baquelita. Esta es la solución de ataque.

• Tinta indeleble: tinta usada para proteger las líneas de circuito del ataque

químico.

• Acetato: material plástico en el que se hace la primera impresión del

circuito. Sobre éste se adhiere la tinta de la fotocopiadora, la cual es un

polvillo derretido por calor.

• Plancha: dispositivo usado para calentar los acetatos.

• Circuito base: dibujo del circuito realizado manualmente, por medio de

instrumentos o con software especializado. La forma como se realice este

no es muy importante siempre y cuando se haga claro. No se menciona un

software en especial para realizarlo, ya que cada día sale uno nuevo, pero

entre ellos están: Eagle, AutoCad, Winboard, etc.

144

• Choque térmico: diferencial de temperatura aplicado para desprender la

tinta del acetato y provocar su adherencia a la capa de cobre de la

baquelita.

PROCEDIMIENTO

Para empezar, se debe realizar el circuito base, la cual contiene todas las

conexiones hechas en la protoboard, pero en forma ordenada. Este debe ser

revisado minuciosamente con el fin de evitar futuros errores, o en el mejor de los

casos, perfeccionarlo, ver figura 4.1.

Obtenido el circuito base revisado, se procede a imprimirlo en un acetato. Este

proceso se realiza aprovechando las ventajas obtenidas al sacar las fotocopias;

esta viene en polvo, y por medio de calentamiento, se derrite y se pega en el

acetato. Algo semejante se hará con la plancha, más adelante.

Debido a que las primeras impresiones en la baquelita seguramente no saldrán

bien, mientras se aprende, se recomienda fotocopiar varias veces el circuito sobre

Circuito

Hoja

Figura 4.1

145

el acetato para aprovecharlo al máximo (para mayor economía, sobre todo si son

circuitos pequeños), ver figura 4.2.

Ahora se procede a tomar la baquelita virgen y cortarla de acuerdo con el tamaño

del circuito del acetato. Este paso es importante porque la solución férrica atacará

todo el cobre descubierto de la baquelita, y entre más cobre descubierto, se

requiere mayor tiempo de ataque y se presenta mayor desgaste de la solución.

La placa se puede cortar con un bisturí común haciéndole varias pasadas, y

posteriormente doblándola sobre una superficie plana, ver figura 4.3.

Después de cortada la placa, se procede a limpiarla para quitarle el mugre y la

grasa que pueda tener (se debe evitar ponerle los dedos). Para tal operación se

debe usar esponjilla metálica fina y jabón de loza.

Línea de corte

Fuerza aplicada para el doblez

Placa con las dimensiones deseadas

Figura 4.3

Figura 4.2

Acetato

Circuito base

146

Ahora se debe tomar una mesa totalmente plana y cómoda a la estatura del

operador; ubíquela cerca de un grifo que suministre agua para hacer el choque

térmico en el momento preciso.

Tome la baquelita y ubíquela sobre la mesa con la capa de cobre hacia arriba, ver

figura 4.4.

Sobre la capa de cobre ubique el acetato con la tinta en contacto con el cobre.

Ponga sobre la placa y el acetato una toalla gruesa o material que permita

transferencia de calor de la plancha a la baquelita y que proteja el acetato del

calor, ver figura 4.5.

Capa de cobre

Placa de baquelita

Figura 4.4

147

Empiece a calentar el conjunto anterior con la plancha (al máximo) por espacio de

10 minutos, procurando pasarla por toda el área, ver figura 4.6.

Después del tiempo estipulado, retire la plancha y la toalla. Enseguida, tome la

placa y el acetato, pegados, y póngalos debajo del chorro de agua para provocar

el choque térmico, esto hará que la tinta se desprenda del acetato y se pegue en

la baquelita. En caso de no haber un grifo cercano, deposite la placa y el acetato

en un platón con agua para provocar el mismo choque.

Plancha

Toalla

Mesa

Baquelita Acetato

Figura 4.6

Placa de baquelita

Mesa

Toalla gruesa

Acetato

Figura 4.5

148

Desprenda el acetato y verifique el estado de la tinta que quedó sobre la baquelita.

Si quedó totalmente continua, este proceso ha finalizado sino repita todas las

operaciones anteriores. Si se observan unas pocas líneas discontinuas, éstas se

pueden rellenar con marcador de tinta indeleble, con el fin de evitar repetir los

procesos anteriores.

Ahora, tome el agua tibia (40 C) y eche la solución de percloruro férrico (una

bolsita estándar por litro de agua) y disuélvala bien. Meta totalmente la baquelita

en la solución de ataque y muévalo constantemente hasta que observe que las

capas de cobre, excepto las del circuito, hayan desaparecido totalmente, ver figura

4.7.

Cuando finalice el ataque, tome la esponjilla metálica y raspe para quitar la tinta

que quedó sobre el circuito. Después de este paso se observará el circuito de la

aplicación totalmente impreso en cobre.

Por último, proceda a perforar los agujeros pertinentes para finalmente soldar los

elementos del circuito.

Baquelita (Contiene circuito adherido en tinta indeleble)

Figura 4.7

Solución de ataque (Percloruro férrico)

149

5. APLICACIÓN PRACTICA

En los capítulos anteriores se trataron conceptos básicos de electrónica; además,

se explicó lo que era una tarjeta electrónica y las ventajas que se obtienen al

construirla. También, se tocó tangencialmente el tema de los microcontroladores

PIC a manera de inducción: su arquitectura y su aplicabilidad. En este capítulo, se

pretende reunir todos esos conceptos con el fin de realizar una aplicación práctica.

En la siguiente sección se planteará un problema para resolverlo paso a paso.

5.1 Planteamiento de un problema

Se necesita tomar temperaturas en diferentes puntos de un intercambiador de

calor (dispositivo que permite la transferencia de calor de un fluido a otro). Este

dispositivo maneja temperaturas en el rango de 15°C (temperatura ambiente

promedio de Bogotá) y 95°C. Los valores de las temp eraturas deben ser enviadas

a un computador, y este último, debe realizar un algoritmo para finalmente retornar

una señal que permita cerrar o abrir una válvula que controle el paso de agua

caliente (fluido que transfiere el calor). Esto con el fin de que la transferencia de

calor se realice cumpliendo con las exigencias de temperatura del agua fría (fluido

que recibe el calor), una de ellas es el caudal que se esté manejando.

En un sistema de este tipo, primordialmente se deben sensar (tomar la lectura)

cuatro temperaturas, ver figura 5.1. Con estos valores, y con otros de caudal y de

geometría, se puede realizar el estudio del intercambiador de calor, es decir,

analizar como es su eficiencia.

150

TEntFría = Temperatura de entrada del agua fría

TSalFría = Temperatura de salida del agua fría

TEntCal = Temperatura de entrada del agua caliente

TSalCal = Temperatura de salida del agua caliente

5.2 Diagrama de bloques

Estos diagramas son realizados para realizar como están relacionadas las

diferentes etapas (bloques) con las que se va a resolver el problema, ver figura

5.2.

Para empezar a entender lo que en realidad se va a hacer, es importante estudiar

cada bloque. El bloque del intercambiador no es necesario porque ya fue

mencionado.

TEntFría

TSalCal

TEntCal

TSalFría

Intercambiador de Calor

Figura 5.1

151

Intercambiador de calor

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Sensor 4

TEntFría

TSalFría

TEntCal

TSalCal

Sensores

Acondicionador de señales

Interface Intercambiador - PC

Fuente regulada

Acondicionador de la señal de

control

Válvula que controla el paso del agua caliente

Señal del PC a la Interface (señal de control digital)

Señal de la Interface a la válvula (señal de control análoga). De 0 a 5 V.

Señal de 0 a – 0.5 V

Figura 5.2

152

5.2.1 Sensores

Este está constituido por otros cuatro sub-bloques, cada uno de los cuales, se

refiere a los dispositivos utilizados para pasar valores de temperatura a señales

eléctricas manipulables, es decir, son los transductores Temperatura-Voltaje .

Los transductores usados son los LM35, la cual tienen la apariencia de un

transistor, ver figura 5.3. Tienen tres pines: alimentación, tierra y señal análoga.

Esta última, es una señal que mantiene un valor continuo en el tiempo,

presentando una gran gama de valores; contrario a la señal digital que sólo

presenta dos valores: alto y bajo. Por ejemplo, supóngase que cuando un reóstato

(resistencia variable ubicada, por ejemplo, para saber el nivel de apertura de una

puerta) cambia de posición, dos transductores, uno análogo y otro digital, envían

ambos una señal máxima de 2 voltios (la mínima es de 0 voltios).

Si se analizan los dos transductores se observará que el de tipo análogo permite

conocer con mayor exactitud la posición de la puerta, ya que éste puede arrojar

muchos valores de voltaje (asociados con la ubicación de la puerta) entre 0 y 2 V,

por ejemplo, 0 , 0.5 , 1.5 y 2 V, que quiere decir que la puerta está totalmente

cerrada, abierta al 25%, abierta al 75% y totalmente abierta, respectivamente.

Tierra Alimentación

Señal análoga

LM35

Figura 5.3

153

Mientras que un transductor digital sólo envía 0 v o 2 V, es decir, la puerta está

totalmente cerrada o totalmente abierta, ver figura 5.4.

Como se vio anteriormente, los transductores análogos son mucho más

ventajosos que los digitales por la gama de valores ofrecida; pero, cuando se

quiere visualizar la temperatura medida en un dispositivo, el valor análogo por sí

sólo no se puede utilizar si no se le realizan cambios, ya que los dispositivos de

visualización como displays, computadores, etc., reciben sólo señales digitales. Es

On

Off

Señal Transductor digital

t

2 V

0 V

100% abierto

100% cerrado

100% abierto

75% abierto 1.5 V

0.5 V

Señal Transductor análogo

t

2 V

0 V 100% cerrado

25% abierto

Figura 5.4

154

por esto que surge la necesidad de expresar los valores análogos en digitales

(esto lo hacen los conversores A/D).

Un sistema siempre está restringido por las consideraciones de diseño, es decir,

como se planteó inicialmente el problema. El rango de trabajo está entre 15 y

95°C (para esta aplicación se pondrá entre 0 y 95° C, contando que se puede

bombear agua a 0°C) ,y éste, debe ser tenido en cue nta para interpretar los

resultados de la conversión A/D (Análoga a Digital).

Ahora, tomando el transductor ejemplo, la cual es lineal y tiene una salida:

Voltaje = 0.0211 * Temperatura

Donde la temperatura está en grados Celsius.

Es común encontrar en los dispositivos electrónicos registros de 8 bits (visto

anteriormente) y estos pueden la realización de 256 combinaciones de valores: de

00000000 hasta 11111111.

Si se va a trabajar de 0 a 95°C, se puede obtener la longitud de trabajo así:

95 – 0 = 95.

Para hallar la precisión de la conversión A/D se hace:

Longitud de trabajo / #Combinaciones = 95 / 256 = 0.37

Lo que quiere decir que la variación de temperatura más pequeña que puede

registrar el conversor A/D es de 0.37°C. El transdu ctor envía la señal al conversor

A/D para que cada uno de los posibles valores de temperatura entre 0 y 95°C

tenga su valor digital asociado, en la figura 5.5 se pueden ver algunos ejemplos.

155

Salida del Transductor Salida del Conversor A/D

Señal análoga (V) °°°°C Valor binario Valor decimal

0 0 00000000 0

0.0078 0.37 00000001 1

0.3158 15 00101000 40

0.9474 45 01111001 121

2 95 11111111 255

En la realidad, el LM35 arroja 10 mV/°C (contrario al del ejemplo), trabaja entre –

55°C y 150°C, se puede alimentar entre 4 y 30 V y su precisión es de 0.5 V. Esto

último quiere decir que el transductor registrará temperaturas como: 0.5, 10.5, 10,

90.5°C, etc., pero nunca registrará: 10.8 ni 90.1°C, etc. Si se compara el LM35 con

el conversor A/D, se puede corroborar que habrá combinaciones que nunca se

van a registrar, por ejemplo, 0.37°C, ya que el conversor A/D es capaz de hacerlo,

pero la precisión del transductor no lo permite. Para esta aplicación, el LM35 es

aceptable y es barato, pero para otras, sería mejor consultar catálogos de

transductores con el fin de observar toma la gama de precisiones.

Como se puede ver, el LM35, para 45°C arrojará una señal de 45°C*10mV/°C =

450mV, en lugar de 0.9474 V (este era un ejemplo).

5.2.2 Acondicionador de señales de los transductores Temperatura-

Voltaje

Debido a que la señal de los LM35 está en valores muy pequeños de voltaje (mV)

y debe ser enviada a un dispositivo de lectura TTL (maneja de 0 a 2V = bajo y 2.4

a 5 V = alto), ésta debe ser acondicionada. Esta tarea se realiza con base en los

Figura 5.5

156

amplificadores operacionales. Estos son integrados que permiten diferentes

funciones dependiendo de la configuración utilizada entre resistencias y

condensadores. Estas funciones pueden ser: amplificador inversor, no inversor,

seguidor unitario, sumador, integrador, diferenciador (para mayor información leer

cualquier libro de amplificador operacionales). Para esta aplicación se usará la

función de amplificador no inversor, cuya salida está en fase con la entrada y la

ganancia puede ser mayor o menor que 1 (es decir, puede salir más grande o más

pequeña).

Por ejemplo, si la entrada es de 150mV y se requiere una salida de 2000mV (2 V).

2000 = (1 + Rf / R1)*150, de donde, Rf / R1 = 12.33. Esto quiere decir que la

relación entre esas dos resistencias sea de 12.33 y de esta forma la configuración

siempre amplificará 13.33 veces la señal de entrada.

En la aplicación se debe tener cuidado que cuando la temperatura sea de 95°C

(máxima) el voltaje amplificado sea de 5 V (máximo), de lo contrario se dañaría el

dispositivo de lectura TTL. Luego, Rf puede ser un potenciómetro (porque se

puede cuadrar a propósito) de 5kΩ o una resistencia fija de 4KΩ; y R1 de 1kΩ.

Así:

Vo = (1 + 4kΩ/1kΩ)*950 mv = 4750 mV ≈ 4.75 V

El integrado usado es el LF347N (para mayor información de éste o de otro

integrado consultar Manual de Reemplazos ECG). Este trae cuatro amplificadores.

En la figura 5.6 aparece el diagrama esquemático.

157

Señal proveniente de los LM35 sin acondicionar

Señal de los LM35 acondicionada

Lugar donde se pueden ubicar filtros para evitar el ruido (puede ser tipo RC

o con amplificadores operacionales, aunque estos últimos son complejos)

Nota : Los valores de + Vcc y – Vcc dependen del tipo de amplificador utilizado.

Los valores de Rf y R1 son externas al integrado.

Θ

Figura 5.6

+ -

Rf R1

+ -

Rf R1

+ -

Rf R1

+ -

Rf R1

- Vcc

+ Vcc

Θ

Θ

Θ

Θ

LF 347N

158

5.2.3 Fuente regulada

Esta es la que se encarga de alimentar todos los circuitos integrados (MAX232,

amplificadores operacionales, microcontrolador, LM35, etc.) con los voltajes

respectivos. Ella puede ofrecer 10, -10 y 5 V, corriente continua. El diagrama

esquemático aparece en la figura 5.7.

5.2.4 Interface Intercambiador - PC

Está constituida por un microcontrolador PIC que se encarga de recibir las señales

análogas, convertirlas en digitales y enviarlas finalmente al PC (computador

personal).

Transformador LF 317T

LF 347T

TAB

1 µF

+ + + +

+ +

+ + 2200 µF

1 µF

100 µF

1 µF 1 µF

2200 µF

220 Ω

5 kΩ 5 kΩ

Tierra

+ Vcc - Vcc

Figura 5.7

159

Como el microcontrolador maneja voltajes TTL ( de 0 a 5 V) y debe enviar

información al PC (maneja voltajes RS232, de –12 a 12 V), debe utilizarse una

etapa intermedia conformada por el MAX232, la cual convierte un 0 V (TTL) en un

–12 V (RS232) y un 5 V (TTL) en un 12 V(RS232) para que el PC pueda

entenderlo.

El conector DB9 va unido al PC. Este recibe señales digitales de temperatura del

sistema y las envía al PC para alimentar el algoritmo de control.

Todo la Interface Intercambiador – PC se puede ver en la figura 5.8.

RXTTL = Señal TTL del PC al microcontrolador

TXTTL = Señal TTL del microcontrolador al PC

RX232 = Señal RS232 del PC al microcontrolador

TX232 = Señal RS232 del microcontrolador al PC

Algo importante es la señal de control. Esta se obtiene de la siguiente forma:

La señal que retorna el PIC es una PWM (pulso de ancho modulado) que pudo ser

sustituida por un conversor D/A (contrario al conversor A/D) para retornar una

señal análoga. El valor del registro PWM controla el ancho de los pulsos digitales

que con por medio de una configuración R-C se asemeja a una señal análoga, ver

figura 5.9.

En el caso A, el registro se llena casi con el máximo valor, en cambio, en el caso

B, es casi el valor mínimo. Si se analizan los dos casos, es los mismo que enviar

señales análogas proporcionales al ancho de pulso, entre 0 y 5 V, que es el rango

de trabajo del microcontrolador.

160

Figura 5.8

1

6

1

1

22 pF por 2

10 µµµµF por 5

MAX232

PIC 16C74B o semejante

Cristal XT 4 MHz

5V

5V

5V

Entrada Señales Análogas acondicionadas

Conector DB9 al PC

RXTTL

TXTTL

TX232

RX232

+

Señal de control análoga Filtro

161

≈≈≈≈

Señal PWM Voltaje señal análoga asociada

ON

OFF

≈≈≈≈

Voltaje señal análoga asociada Señal PWM

ON

OFF

Figura 5.9

+

+

Figura 5.10

162

6. ESTRATEGIAS DE CONTROL

En el capítulo anterior se mostró paso a paso como se debía armar el hardware

para sensar las temperaturas y realizar acciones de control sobre la válvula. En

este capítulo se pretende mencionar someramente dos estrategias de control con

el fin de motivar al estudiante en esta área.

Finalidad de una estrategia de control

Cuando uno va a realizar medidas frecuentes en un proceso, es muy dispendioso

poner a una persona a realizar dicha tarea. Es empíricamente imposible que un ser

humano esté en diferentes partes, simultáneamente, tomando medidas de

diferentes variables, comparar los resultados, y por último, manipular un accesorio

para lograr estabilizar el sistema. Son en estas situaciones donde se hace

indispensable tener un hardware (circuitos mostrados en el capítulo anterior -

parte física) que sirva de puente para que un software (programa en el que se

hace la estrategia de control – parte intangible) pueda actuar sobre los accesorios

que logran estabilizar el sistema en cuestión (para el caso, es la válvula neumática

que regula el paso del agua caliente).

Hay muchas estrategias de control, pero en este caso sólo se mencionarán dos:

Control con redes neuronales y Control con PID.

163

6.1.1 Control con redes neuronales

Este tipo de control es una emulación del sistema cerebral de los seres humanos.

Los humanos a lo largo de su existencia va recibiendo estímulos y los va

guardando en los respectivos espacios de memoria. A medida que se van

presentando situaciones, el cerebro, dependiendo de la cantidad de estímulos que

haya recibido reaccionará más rápido o más lento para resolver el problema. En el

control con redes neuronales se hace algo semejante, es decir, se estudia el

sistema, se escoge un determinado número de neuronas (nodos de la red) y se le

hace un entrenamiento para que reaccione de determinada forma ante ciertos

estímulos.

Este sistema es un poco complejo, pero si se desea conocer más a fondo sobre el

tema, hay bastante literatura relacionada con el Control con Redes Neuronales.

En las siguientes líneas aparece como se hace en Visual Basic el software para esta

estrategia de control:

DECLARACION DE LAS VARIABLES PÚBLICAS Y ARREGLOS

'-------------------------------------------------------------

Public Tem

Public eP

Public B

Public Tmax

Public x

Public dis

Public color

Public Suma

Public derivada

Public eOld

Public e

Public uTemp

Public A

164

Public d

Public Rango

Public V1

Public V2

Public V3

Public V4

Public V5

Public V6

Dim TempV(0 To 7) As Integer

Dim xlApp As Object

Dim Dia As String 'Nombre de la base de datos

Dim Hora As String 'Nombre de la tabla de trabajo

Dim NewWs As Workspace 'Epacios de trabajo

Dim NewDB As Database

Dim DbOpts As Long, DbName As String

Dim NewTbl As TableDef

Dim Fld(1 To 12) As Field 'Campos de la tabla

Dim NewDyn As Recordset

Dim lll As Workspace

Dim Datos(1 To 12) As String 'Datos de la comunicación

Dim Campos(1 To 12) As String

PROCEDIMIENTO PARA OCULTAR O HACER VISBLE POTENCIOMETROS

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdCalibrar_Click()

If cmdCalibrar.Caption = "Calibrar" Then

cmdCalibrar.Caption = "Ocultar C."

For i = 0 To 6

Potenciometro(i).Visible = True

Next

Else

cmdCalibrar.Caption = "Calibrar"

For i = 0 To 6

Potenciometro(i).Visible = False

Next

End If

End Sub

CIERRE DEL PUERTO SERIAL

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdCerrarP_Click()

' Cerrar el puerto serial

MSComm1.PortOpen = False

165

End Sub

BORRADO DE CURVA ACTUAL

'---------------------------------------------------------

Private Sub Command1_Click()

Grafica.Cls

Grafica.CurrentX = t

Grafica.CurrentY = txtT(4).Text

Grafica.CurrentX = t

End Sub

CARGA ULTIMAS CONSTANTES DE INTERES

'---------------------------------------------------------

Private Sub Form_Load()

txtTmuestreo_Change

cmdAplicar = True

Grafica.Scale (0, 70)-(1000, 0)

'Cargar ultima calibracion de los potenciometros

For i = 0 To 6

Potenciometro(i) = GetSetting(App.EXEName, "Potenciometro", i,Potenciometro(i))

Next

Kp = GetSetting(App.EXEName, "Constatntes", "Kp", Kp)

Ki = GetSetting(App.EXEName, "Constatntes", "Ki", Ki)

Kd = GetSetting(App.EXEName, "Constatntes", "Kd", Kd)

maximodelta = GetSetting(App.EXEName, "Constatntes", "MaximoDelta", maximodelta)

Minimo = GetSetting(App.EXEName, "Constatntes", "Minimo", Minimo)

'Número de caracteres a leer en cada entrada

MSComm1.InputLen = 1

color = 1

eOld = 0

muestra = 0

MSComm1.CommPort = 2

MSComm1.Settings = "1200,N,8,1"

End Sub

GUARDA ULTIMAS CONSTANTES DE INTERES

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdSalir_Click()

For i = 0 To 6

SaveSetting App.EXEName, "Potenciometro", i, Potenciometro(i)

166

Next

SaveSetting App.EXEName, "Constatntes", "Kp", Kp

SaveSetting App.EXEName, "Constatntes", "Ki", Ki

SaveSetting App.EXEName, "Constatntes", "Kd", Kd

SaveSetting App.EXEName, "Constatntes", "MaximoDelta", maximodelta

SaveSetting App.EXEName, "Constatntes", "Minimo", Minimo

Unload Me

End

End Sub

DIBUJA GRAFICO DE LA CAJA DE TEXTO SELECCIONADA

'---------------------------------------------------------

Private Sub PintarLineas()

Grafica.ForeColor = vbRed

For i = 1 To 7

Grafica.Line (0, 255 * i)-(200, 255 * i)

Next

Grafica.ForeColor = vbGreen

End Sub

FIJA PARAMETROS PARA LA COMUNICACION SERIAL

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdAplicar_Click()

' Usar el puerto especificado por el usuario

MSComm1.CommPort = 2 'txtPuerto.Text

' 9600 baud, no parity, 8 data, and 1 stop bit.

MSComm1.Settings = "1200,N,8,1" 'txtBaudios.Text & "," & txtParidad.Text & "," & txtBitDatos.Text & "," &

txtBitParada.Text

End Sub

PONE EN MANUAL O AUTOMATICO

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdAutomatico_Click()

If cmdAutomatico.Caption = "Automatico" Then

cmdAutomatico.Caption = "Manual"

MSComm1.PortOpen = True

Call ciclo

MSComm1.PortOpen = False

Else

cmdAutomatico.Caption = "Automatico"

167

End If

End Sub

LLAMA EL ALGORTIMO PARA RECIBIR Y ENVIAR DATOS EN MODO MANUAL

'---------------------------------------------------------

Sub ciclo()

While cmdAutomatico.Caption = "Manual"

Call Enviar

Wend

End Sub

ALGORITMO PARA EMPEZAR A CREAR LA BASE DE DATOS

LUEGO PROCEDE A RECIBIR Y ENVIAR DATOS

'---------------------------------------------------------

Private Sub cmdenviar_click()

'Abrir el puerto

CrearDB

MSComm1.PortOpen = True

Call Enviar

'Cerrar el puerto

MSComm1.PortOpen = False

End Sub

ALGORITMO PARA RECIBIR Y CONTROLAR CON REDES NEURONALES

'-------------------------------------------------------

Private Sub Enviar()

Dim Entrada(0 To 7) As Variant

Dim Nom(0 To 7) As Integer

Dim Valor(0 To 7) As Integer

' Send the attention command to the modem.

MSComm1.Output = Chr(RB.Text)

tt = Chr(u.Text)

tt = Asc(tt)

MSComm1.Output = Chr(u.Text)

' Wait for data to come back to the serial port.

'Numero de canales a usar

Tmax = txtTmaxima.Text

168

n = 7

A PARTIR DE AQUI SE EMPIEZA A REALIZAR LA ADQUISICIÓN DE DATOS

Do

DoEvents

Loop Until MSComm1.InBufferCount >= n

For i = 0 To n

V(i).Text = ""

Entrada(i) = MSComm1.Input

Next

t = t + 1

d = d + 1

If t > 1000 Then

Grafica.Refresh

t = 0

Grafica.CurrentY = x

Grafica.CurrentX = 0

End If

A = A + 1

If A >= B Then

A = 0

GoTo Llenar

End If

listo:

For i = 0 To n - 1

If Entrada(i) = "" Then

V(i).Text = "0" 'El cero se aproxima

Else

If Potenciometro(i) = "" Or Potenciometro(i) = "-" Then Potenciometro(i) = "0"

V(i) = Asc(Entrada(i)) + Potenciometro(i)

'filtro de señal

If muestra < 1 Then

txtT(i).Text = (V(i) * Tmax) / (255)

TempV(i) = V(i)

Else

J = Abs(V(i) - TempV(i))

169

K = Filtro.Text

'se cambia el valor del filtro, colocando un numero entre 0 a 255

If J > 5 Then

'detecta que hay ruido y:

txtT(i).Text = (TempV(i) * Tmax) / (255)

Else

'No hay ruido y puede colocar el valor de V(i) en pantalla

txtT(i).Text = (V(i) * Tmax) / (255)

TempV(i) = V(i)

End If

End If

End If

'TempV(i) = V(i)

Nom(i) = i

Valor(i) = V(i)

Next i

AQUI EMPIEZA EL ALGORITMO DE CONTROL '---------------------------------------------------------

ESTE MUESTRA EL NUMERO DE NEURONAS USADAS

V1 = R.Text

V3 = V2

V2 = txtT(4).Text

V6 = V5

V5 = u

B2 = (V1 - 12.3333) * 0.035294

B3 = (V2 - 9.95765) * 0.032403

B4 = (V3 - 9.95765) * 0.032403

B5 = (V5 + 62.15991) * 0.002522

B6 = (V6 + 62.15991) * 0.002522

B7 = 1

I2 = (-1) * (B2 * 1.2383 + B3 * 3.8207 + B4 * 0.27523 + B5 * -4.9377 + B6 * -2.0382 + B7 * 0.34929)

I3 = (-1) * (B2 * 0.43275 + B3 * 2.4483 + B4 * 1.4683 + B5 * 5.2239 + B6 * -0.32586 + B7 * -1.6974)

I4 = (-1) * (B2 * -0.87645 + B3 * 1.2681 + B4 * -0.014347 + B5 * 0.20294 + B6 * 1.11434 + B7 * 1.8012)

I5 = (-1) * (B2 * 5.1108 + B3 * -3.9979 + B4 * 2.5169 + B5 * 1.8462 + B6 * -0.71331 + B7 * -3.6779)

J2 = 1 / (1 + Exp(I2))

J3 = 1 / (1 + Exp(I3))

J4 = 1 / (1 + Exp(I4))

170

J5 = 1 / (1 + Exp(I5))

J6 = 1

J11 = (-1) * ((-1.6395 * J2) + 2.9752 * J3 + (-1.321 * J4) + 2.6468 * J5 + (-1.3677 * J6))

G11 = 1 / (1 + Exp(J11))

'UNEURO' ES LA SEÑAL DE CONTROL

Uneuro = G11 / 0.002522 - 62.15991

u = Uneuro

If u > 255 Then

u = 255

End If

If u < 90 Then

u = 90

End If

txteOld = eOld

txtE = e

txtsumaacum = Suma

muestra = d

Grafica.Line -(t, txtT(4).Text)

Exit Sub

Llenar:

Asignacion

Llenar_Tabla

GoTo listo

End Sub

CIERRA LA BASE DE DATOS

'-------------------------------------------------------

Private Sub SalirDB()

NewDB.Close

End

End Sub

171

ASIGNA VALORES A MOSTRAR EN LA BASE DE DATOS

'-------------------------------------------------------

Private Sub Asignacion()

Datos(1) = Format(Now, "h:mm:ssa/p")

Datos(2) = (d)

Datos(3) = (txtT(0))

Datos(4) = (txtT(1))

Datos(5) = txtT(3)

Datos(6) = txtT(4)

Datos(7) = u

Datos(8) = e

Datos(9) = derivada

End Sub

Public Sub Llenar_Tabla()

Dim Rst As Recordset

Dim i As Integer, Msg As String

Msg = DbName & ".mdb"

With NewTbl

On Error GoTo cantidad

Set Rst = NewDB.OpenRecordset(Hora)

Rst.AddNew

For i = 1 To 9

If Datos(i) = "" Then

Datos(i) = "Vacio"

End If

Rst(Campos(i)) = Datos(i)

Next i

End With

Rst.Update

NewWs.Databases.Refresh

Exit Sub

cantidad:

MsgBox Err.Description

Err.Clear

NewWs.Databases.Refresh

NewDB.Close

Set NewDB = NewWs.OpenDatabase(Msg, True)

Set NewDyn = NewDB.OpenRecordset(Hora)

172

End Sub

IDENTIFICA LAS COLUMNAS DE LA BASE DE DATOS

'-------------------------------------------------------

Public Sub CrearDB()

Dim Msg As String, i As Integer

'******************************

Campos(1) = "Hora"

Campos(2) = "muestra"

Campos(3) = "Tem_Ent_Cal"

Campos(4) = "Tem_Sal_cal"

Campos(5) = "Tem_Ent_fría"

Campos(6) = "Tem_sal_fría"

Campos(7) = "salida u"

Campos(8) = "error"

Campos(9) = "deriv_del err"

'Sintaxis para el metodo CreateDatabase

Set NewWs = DBEngine.Workspaces(0)

Set lll = DBEngine.Workspaces(0)

Dia = Format(Now, "mmm-dd")

Hora = Format(Now, "h:mm:ssa/p")

DbName = "C:\" & Dia

If Dir(DbName) = " " Then

Abrir:

Msg = "Abriendo" & Dia

MsgBox Msg

Msg = DbName & ".mdb"

Set NewDB = NewWs.OpenDatabase(Msg, True)

Set NewTbl = NewDB.CreateTableDef(Hora)

'Especificar el nombre, tipo, tamaño con el metodo

Set Fld(1) = NewTbl.CreateField(Campos(1), dbText, 250)

Set Fld(2) = NewTbl.CreateField(Campos(2), dbText, 250)

Set Fld(3) = NewTbl.CreateField(Campos(3), dbText, 250)

Set Fld(4) = NewTbl.CreateField(Campos(4), dbText, 250)

Set Fld(5) = NewTbl.CreateField(Campos(5), dbText, 250)

Set Fld(6) = NewTbl.CreateField(Campos(6), dbText, 250)

Set Fld(7) = NewTbl.CreateField(Campos(7), dbText, 250)

Set Fld(8) = NewTbl.CreateField(Campos(8), dbText, 250)

Set Fld(9) = NewTbl.CreateField(Campos(9), dbText, 250)

173

' Set Fld(10) = NewTbl.CreateField(Campos(10), dbText, 250)

' Set Fld(11) = NewTbl.CreateField(Campos(11), dbText, 250)

' Set Fld(12) = NewTbl.CreateField(Campos(12), dbText, 250)

'Añadir campos a la definición de la tabla mediante el metodo

For i = 1 To 9

NewTbl.Fields.Append Fld(i)

Next i

NewDB.TableDefs.Append NewTbl

Else

On Error GoTo Abrir

Set NewDB = NewWs.CreateDatabase(DbName, dbLangGeneral) ', dbEncrypt)

Set NewTbl = NewDB.CreateTableDef(Hora)

'Especificar el nombre, tipo, tamaño con el metodo

Set Fld(1) = NewTbl.CreateField(Campos(1), dbText, 10)

Set Fld(2) = NewTbl.CreateField(Campos(2), dbText, 10)

Set Fld(3) = NewTbl.CreateField(Campos(3), dbText, 10)

Set Fld(4) = NewTbl.CreateField(Campos(4), dbText, 10)

Set Fld(5) = NewTbl.CreateField(Campos(5), dbText, 10)

Set Fld(6) = NewTbl.CreateField(Campos(6), dbText, 10)

Set Fld(7) = NewTbl.CreateField(Campos(7), dbText, 10)

Set Fld(8) = NewTbl.CreateField(Campos(8), dbText, 10)

Set Fld(9) = NewTbl.CreateField(Campos(9), dbText, 10)

'Set Fld(10) = NewTbl.CreateField(Campos(10), dbText, 10)

'Set Fld(11) = NewTbl.CreateField(Campos(11), dbText, 10)

'Set Fld(12) = NewTbl.CreateField(Campos(12), dbText, 10)

'Añadir campos a la definición de la tabla mediante el metodo

For i = 1 To 9

NewTbl.Fields.Append Fld(i)

Next i

NewDB.TableDefs.Append NewTbl

End If

NewWs.Databases.Refresh

End Sub

Private Sub Minimo_Change()

End Sub

174

IMPIDE QUE SE EMPIECE A LLENAR LA BASE DE DATOS

'-------------------------------------------------------

Private Sub txtTmuestreo_Change()

If txtTmuestreo.Text = "0" Then

B = 100000000

End If

If txtTmuestreo.Text = "" Then

B = 100000000

Else

B = Val(txtTmuestreo.Text)

End If

End Sub

En el procedimiento Sub_Enviar se encuentra inicialmente la parte que

permite recibir los datos de las variables medidas (este es igual para el control

con PID) y luego aparece un fragmento de algoritmo concerniente al Control

Neuronal (este fragmento es lo que lo diferencia del Control con PID).

6.1.2 Control con PID

En este caso se sabe que si se tiene que controlar una variable se debe

comparar un valor real (obtenido durante el proceso) con un valor teórico

(asignado desde el inicio del proceso). Mientras transcurre la operación se

presentan desviaciones (comúnmente llamada errores) que deben corregirse

para logra estabilizar el sistema. Así, pueden surgir tres tipos de desviaciones:

Proporcional, Integral y Derivativo.

Desviación Proporcional = en este se analiza la proporción de la desviación.

= Error actual – Error anterior

Ejemplo: e = (R.Text - txtT(4)) / (Rango)

Desviación Integral = en este se analiza como se va acumulando con el

tiempo el error.

175

Ejemplo: Suma = Suma + e

Desviación Derivativa = en este se analiza como varía con el tiempo el error.

Ejemplo: derivada = (e - eOld)

El algoritmo que realiza el control con PID, es el mismo que para Redes

Neuronales, excepto por el correspondiente fragmento azul (aquí también se

puso en azul para indicar que es lo que se tiene que sustituir).

If Max.Text = "" Then Max = 45

If Min.Text = "" Then Min = 15

Rango = Max - Min

eOld = e

e = (R.Text - txtT(4)) / (Rango)

Suma = Suma + e

derivada = (e - eOld)

uTemp = Kp * e + Ki * Suma + Kd * derivada

u = uTemp * 255

If u > 255 Then

u = 255

End If

If u < 90 Then

u = 90

End If

Para lograr mayor familiarización con este proceso se pueden consultar libros

de control, la cual son numerosos. Además, se puede consultar la tesis:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE

PLACAS PARALELAS. De esta manera se logra un acercamiento bastante

bueno con la realidad.

También se debe consultar acerca de la programación en Visual Basic

(cualquier versión).