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Construcción de un Medidor de Caudal de Tipo Industrial Portátil

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Academic year: 2020

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(1):. CONSTRUCCIÓN DE UN MEDIDOR DE CAUDAL DE TIPO INDUSTRIAL PORTATIL. PORTABLE DIGITAL FLOW METER Carlos Enrique Pita Alarcón, Edison Giancarlo Prieto Gómez**, Lely Adriana Luengas ***,. Resumen: Este artículo muestra el diseño y construcción de un instrumento de medida de caudal para el sistema de control de temperatura de marca AMATROL. Dicho dispositivo se compone de una placa de orificios que produce una diferencia de presión del agua que fluye a través de la tubería. La presión generada se convierte en una señal eléctrica proporcional al caudal, mediante un sensor de presión diferencial. La señal obtenida se procesa usando un microcontrolador PSoC, mediante el cálculo de una ecuación de ajuste lineal para determinar el valor del caudal. Se incorporó al dispositivo un transmisor de corriente de 4-20 mA, lo que permite elegir, mediante un selector, el parámetro de medición que se desea observar en la salida, voltaje o corriente. Los valores estimados de presión diferencial, el caudal, el voltaje o la corriente, se visualizan mediante una pantalla LCD. Adicional, se diseñó una interfaz gráfica de usuario mediante el software CassyLab utilizando la tarjeta de. . Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: cepitaa@correo.udistrital.edu.co . Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: egprietog@correo.udistrital.edu.co ***. Ingeniera electrónica, Universidad Autónoma, Bogotá, Colombia, Magister en Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, PhD en Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Colombia, Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia e-mail: lelyluco@gmail.com.

(2) adquisición de datos Profi-Cassy, para observar el comportamiento en el tiempo de las variables mencionadas. Palabras clave: Sensor, presión diferencial, caudal, adquisición de datos. Abstract: The design and construction of a measuring instrument for the AMATROL brand temperature control system is shown. The device is composed of an orifice plate, which produces a pressure difference of water flowing through the pipe. The pressure generated is converted into an electrical signal proportional to the flow, by means of a differential pressure sensor. With a PSoC microcontroller, the signal was processed, a linear adjustment equation to determine the flow rate was used. A 4-20 mA current transmitter was incorporated, which is the most widely used way to transmit signals in industrial instrumentation today; depending on the application or the use that the user is giving the device, you can choose by a selector if you want the output voltage or current, estimated values of differential pressure and flow are displayed by an LCD. During the development of this work, a graphical user interface was designed using CassyLab software using the Proffi-Cassy data acquisition device to test the operation of the current loop and its operation for flow measurement. Key Words: Sensor, differential pressure, volumetric flow, data acquisition. 1. Introducción En la laboratorio de electrónica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se tienen 4 sistemas de control de proceso de marca AMATROL (pH, nivel, temperatura, presión); sin embargo, actualmente, el sistema de control de temperatura, no cuenta con un sistema de medición digital o analógo de caudal, que es un.

(3) :. parámetro de medición importante en varias áreas de aplicación en la industria e ingeniería, un ejemplo puntual es su aplicación en la ingeniería de perforación en la exploración de pozos petroleros [1]. Debido a la problemática expuesta, este documento muestra el desarrollo de una herramienta de tipo didáctico, que permite realizar prácticas donde se involucren mediciones de caudal, simulando la aplicación a un proceso industrial en el sistema de control de temperatura de marca AMATROL. Dicha herramienta está compuesta de un sensor de caudal, un circuito de linealización de la señal generada, una indicación digital, un circuito de escalización a corriente y una interfaz gráfica que muestra el proceso y la variación del caudal. El dispositivo realiza la medición de caudal de manera indirecta, induciendo una diferencia de presión diferencial que se genera por medio de una placa de orificios; el método fue elegido apelando a la relación lineal entre las variables caudal y presión diferencial, lo cual llevó a que el acondicionamiento de la señal eléctrica generada sea menos complejo y al mismo tiempo más económico, a diferencia de otros métodos de medición de caudal.[2]. 2. Marco Teórico 2.1 Conceptos físicos: 2.1.1 Flujo volumétrico En física e ingeniería, en particular la dinámica de fluidos y la hidrometría, el caudal volumétrico (también conocido como, caudal de fluido o velocidad de volumen) es el volumen de fluido que pasa por unidad de tiempo; usualmente representado por el símbolo Q (a veces V̇). La unidad SI es m³/s (metros cúbicos por segundo). Otra unidad utilizada es sccm.

(4) (cúbicos estándar por minuto). En unidades usuales de los Estados Unidos y unidades imperiales, el caudal volumétrico se expresa a menudo como ft³/s (pies cúbicos por segundo) o galones por minuto (definiciones estadounidenses o imperiales).[3] Se puede definir también como se observa en la Ecuación (1) (1). Donde v es la velocidad de Flujo y A es el área de la sección [4]. 2.1.4 Placa de orificios Es una placa delgada con un agujero en ella, que generalmente se coloca en una tubería. Cuando un fluido pasa a través del orificio, su presión se acumula ligeramente antes del orificio, pero a medida que el fluido es forzado para pasar a través del orificio, la velocidad aumenta y el fluido la presión disminuye. El flujo alcanza su punto de convergencia máxima en la vena contracta donde la velocidad alcanza su máximo y la presión alcanza su mínimo. Posteriormente, el flujo se expande, la velocidad cae y la presión aumenta. Mediante la medición de la diferencia en la presión del fluido se puede obtener el caudal a partir de la ecuación de Bernoulli utilizando coeficientes establecidos con las investigaciones. [5] El flujo a través de una placa de orificios se puede obtener mediante la ecuación (2):. 2) Donde: Cd = coeficiente de descarga, sin dimensiones, típicamente con un valor entre 0.6 y 0.85. β. = razón entre el diámetro del orificio y la tubería , sin dimensiones.. ε. = factor de expansibilidad, es 1 para la mayoría de líquidos y gases.. d. = diámetro interno del orificio en metros, m..

(5) :. ρ. = densidad del fluido en kg/m³ Δp = Presión diferencial en Pa (Pascal).. El esquema de una placa de orificio se muestra en la figura (1). Fig 1: Esquema de Placa de orificio [6]. 2.2 Marco Ingenieril 2.2.1 Adquisición de Datos La adquisición de datos es el proceso de muestreo de señales que miden las condiciones físicas del mundo real y convierten las muestras resultantes en valores digitales numéricos que pueden ser manipulados por una computadora. Los sistemas de adquisición de datos, abreviados por las siglas DAS o DAQ, normalmente convierten las formas de onda analógicas en valores digitales para su procesamiento. Los componentes de los sistemas de adquisición de datos que se muestran en la figura (2) incluyen: -Sensores, para convertir parámetros físicos en señales eléctricas. -Circuito de acondicionamiento de señal, para convertir señales de sensor en una forma que puede ser convertida a valores digitales..

(6) -Convertidores. analógico-digital,. para. convertir. las. señales. de. los. sensores. acondicionados en valores digitales. [7]. Fig 2. Diagrama que describe los componentes en un proceso de adquisición de datos [8]. 2.2.2 Sensor de presión diferencial MPVX5004DP El transductor piezoresistivo de la serie MPVX5004 de Freescale ilustrado en la figura 3 es un sensor de presión de silicio monolítico diseñado para una amplia gama de aplicaciones, pero particularmente para aquellos que emplean un microcontrolador o un microprocesador con entradas de A / D. Este sensor cuenta un medidor de deformación implantado de alta sensibilidad, metalización de película delgada y procesamiento bipolar para proporcionar una señal de salida analógica que es proporcional a la presión aplicada entre 0 y 3.92 kPa. [9].

(7) :. Fig. 3 Sensor MPXV5004DP [10]. 2.2.3 PSoC 4 (Programmable System-on-Chip). es. una. familia. de. circuitos. integrados. de. microcontroladores por Cypress Semiconductor. Estos chips incluyen un núcleo de CPU y arreglos de señal mixta de periféricos analógicos y digitales integrados configurables. Un circuito integrado PSoC está compuesto por un núcleo, bloques analógicos y digitales configurables, y enrutamiento e interconexión programables. Los bloques configurables en un PSoC son la diferencia más grande de otros microcontroladores. PSoC tiene tres espacios de memoria separados: SRAM paginado para datos, memoria Flash para instrucciones y datos fijos y registros de E / S para controlar y acceder a los bloques y funciones lógicas configurables. El dispositivo se crea utilizando la tecnología SONOS. [11] 2.2.4 Tarjeta de adquisición de datos Profi-CASSY La tarjeta Profi-Cassy ilustrada en la figura (4) permite conexión al puerto USB de un ordenador, es controlado por microprocesador con el sistema operativo CASSY (fácilmente actualizable mediante software para mejoras de funciones). Puede usar como.

(8) unidad de benchtop, consola o demostración (también en el marco de panel CPS / TPS). Para la admisión y evaluación de datos se utiliza Cassy Lab. [12]. Figura 4 Tarjeta Profi-Cassy[13]. 2.2.5 PROTEUS Proteus. Design. Suite es un. software de automatización. de. diseño. electrónico,. desarrollado por Labcenter Electronics Ltd, que consta de los dos programas principales: Ares e Isis, y los módulos VSM y Electra. [14]. 3. DESARROLLO DEL PROYECTO 3.1. DIAGRAMA DE BLOQUES En la figura 5 se observa el diagrama de bloques implementado para el desarrollo del dispositivo digital para la medición de caudal. Se tienen cuatro bloques: construcción del dispositivo, implementación al sistema de control de proceso, interfaz gráfica e indicación digital y manual de usuario..

(9) :. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO. IMPLEMENTACIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS. INTERFAZ GRÁFICA E INDICACIÓN DIGITAL. MANUAL DE USUARIO. Figura 5. Diagrama del desarrollo del proyecto. 3.1.1. CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO 3.1.1.1. DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA PLACA DE ORIFICIOS El diseño del montaje de la placa se realizó mediante el software SolidWorks, en el cual se tienen en cuenta las dimensiones que posee el sistema de control de temperatura de marca AMATROL donde se reemplazará el segmento de tubería PVC de alta presión existente por el dispositivo cuando sea necesario para realizar prácticas que involucren mediciones de caudal..

(10) Posteriormente se realizó la fabricación de la pieza mediante procesos de mecanizado, como las bridas de sujeción, que se realizaron con material de polietileno UHMW debido a que este material soporta temperaturas hasta de 130°C y además su costo es inferior al de otros materiales; se realizaron dos perforaciones, una a cada brida para acoplar un racor donde se conectan dos mangueras a las entradas del sensor de presión diferencial. También se realizaron procesos de mecanizado en los extremos de la tubería para la realización del respectivo acople por medio de roscas; un extremo de cada tubo se acopla a la brida mientras el otro lo hace a la planta por medio de una unión universal de 1/2”. En medio de las bridas se encuentra ubicada la placa de orificios que está hecha en material de acero inoxidable debido a que la placa está en contacto frecuente con fluidos como el agua. La placa es de tipo concéctrica debido a que este tipo de placas es usada comúnmente para líquidos límpios, a diferencia de la placa de tipo excéntrica, que es usada para gases y la tipo segmentada que es usada para líquidos con sólidos y otro tipo de perturbaciones. Basándonos en la ecuación (2) escogimos el valor del diámetro del orificio de la placa, despejando la variable d; para nuestro caso específico se ingresaron en la ecuación los siguientes valores: 4kPa de presión diferencial que es el límite máximo de funcionamiento óptmo del transductor, 998. que es la densidad del agua a 20°C, 0.6 en el coeficiente de. descarga que es un valor que puede ser tomado como estándar para las placas de orificio, y el valor del caudal es 2.3 porque es el valor máximo estimado que se puede medir en la escala del rotámetro sin que este instrumento tenga una alteración mecánica en su funcionamiento. El resultado obtenido fue de 9.52 mm, por esta razón se utilizó una broca de 3/8” ya que se ajusta al valor calculado. Finalmente para evitar el filtrado de fluido fuera del dispositivo se instalaron dos empaques de silicona en medio de las bridas y la placa de orificios, además se aseguraron las bridas.

(11) :. con 3 tornillos para acoplar todo el sistema y generar mayor hermeticidad en la unión. En la figura 6 se muestra la fotografía de la pieza construida y la indicación de sus partes.. Figura 6: Componentes del acople de la placa de orificios. 1. Unión de ½ “. 2. Tubería PVC de alta presión. 3. Brida de sujeción. 4. Empaque de silicona. 5. Racor de 1/8”. 6. Placa de orificios. 7. Manguera transparente. 8. Tornillos. 3.1.1.2 FASE DE SENSADO Se utilizó el sensor de presión diferencial MPXV5004DP, debido a su bajo costo y su alta sensibilidad, proporciona una señal de voltaje entre 1 y 5v proporcional a la presión diferencial medida que está limitada a valores entre 0 y 3.92 kPa, la figura 7 muestra la.

(12) gráfica entre el nivel de voltaje de salida y la presión diferencial; se evidencia que la relación es lineal.. Figura 7: Salida en voltaje vs Presión diferencial [15]. Debido a la linealidad de la señal, la fase de acondicionamiento resultó más sencilla, ya que no fue necesario una fase de linealización ni de amplificación, en la figura 8 se muestra el circuito que incluye el desacople y el filtrado.. Figura 8: Circuito de acondicionamiento del sensor [16]. 3.1.1.3 PROCESAMIENTO DIGITAL Para el procesamiento digital se implementaron dos fases principales de programación, la primera es un conversor análogo a digital, por medio del cual se tomó el valor de voltaje de.

(13) :. la salida del sensor y se convirtió en un valor de presión diferencial, posteriormente se obtuvo el valor de caudal basándose en la ecuación de ajuste a partir de los datos tomados de la calibración. Debido a que la la calibración del sensor arrojó una función logarítmica, se utilizó la librería math.h para poder usar la función necesaria en este caso. La segunda fase de programación corresponde a la indicación digital, que se realizó con una pantalla LCD Nokia 5110, un dispositivo de diversas funciones diseñada para una alimentación de 3.3 v, se programó mediante el componente creado específicamente para funcionar como driver del controlador PCD8544 interno en esta LCD, el bloque se basa en SPI (Serial Peripheral Interface), un estándar de comunicaciones usado principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. Esta librería cuenta con varias funciones para trabajar con la LCD, entre ellas se encuentra la posibilidad de trabajar con distintas fuentes para texto y el uso de gráficos e imágenes. Se implementó una interrupción digital con el fin de leer un pulsador como entrada, cuyo fin es cambiar la pantalla para poder visualizar de manera individual los valores de caudal, voltaje, corriente y presión diferencial. La figura 9 ilustra el programa implementado. Figura 9: Esquema del programa. Fuente: elaboración propia Este algoritmo se implementó en un micro-controlador PSoC4 mediante el kit programable de la marca Cypress CY8CKIT-049 4200. El micro-controlador requiere de la plataforma PSoC Creator, que es el entorno de diseño y programación [17]. En la figura 10 se muestra el esquema tomado desde el entorno PSoC Creator en su pantalla “TopDesign”, donde se.

(14) muestran los bloques de programación previamente explicados de los que se compone la parte digital del proyecto.. Figura 10: Bloques digitales en PSoC Creator. Fuente: elaboración propia. 3.1.2 IMPLEMENTACIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS 3.1.2.1 CALIBRACIÓN Y AJUSTE DEL DISPOSITIVO Para la calibración del sensor se tomó como patrón el rotámetro con el que cuenta el sistema de control de temperatura del laboratorio de control de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, dicho rotámetro tiene dos escalas de medida, una en galones por minuto (gpm) y la otra en litros por minuto (lpm). Se midió la salida en voltaje del sensor de presión diferencial en 10 valores de caudal y se repitió este procedimiento 4 veces por cada escala, 2 de manera ascendente y 2 de manera descendente. Se obtuvo el promedio de valores de voltaje medidos en cada escala y finalmente se generó una gráfica de dispersión con los 20 datos promedio obtenidos, Figura 11. En la tabla 1 se muestra la toma de datos de medición de voltaje en la escala de galones por minuto (gpm) del rotámetro. Caudal. Medidas. Medidas. Medida.

(15) :. en gpm. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2. ascendentes de voltaje de salida 1 2 1.23 1.31 1.28 1.38 1.4 1.51 1.56 1.68 1.92 1.9 2.16 2.17 2.48 2.54 2.82 2.85 3.2 3.3 3.78 3.87. descendentes de voltaje de salida 1 2 1.22 1.26 1.44 1.35 1.52 1.47 1.72 1.64 1.92 1.87 2.18 2.13 2.53 2.49 2.85 2.88 3.23 3.3 3.72 3.84. Promedio. 1.255 1.3625 1.475 1.65 1.9025 2.16 2.51 2.85 3.2575 3.8025. Tabla 1: Mediciones de voltaje con la escala en galones por minuto (gpm).. En la tabla 2 se muestra la toma de datos de medición de voltaje en la escala de litros por minuto (lpm) del rotámetro.. Caudal Caudal convertido en lpm a gpm 0.8 1.6 2.4 3.2 4 4.8 5.6 6.4 7.2 8. 0.2113383 0.4226766 0.6340149 0.8453532 1.0566915 1.2680298 1.4793681 1.6907064 1.9020447 2.113383. Medidas ascendentes de voltaje de salida 1 2 1.3 1.35 1.37 1.41 1.46 1.54 1.72 1.75 1.95 2 2.29 2.24 2.62 2.65 3 3.16 3.54 3.6 4.2 4.11. Medidas descendentes de voltaje de salida 1 2 1.27 1.29 1.36 1.35 1.5 1.47 1.72 1.68 1.93 1.93 2.27 2.25 2.65 2.65 3.09 3 3.61 3.57 4.21 4.14. Medida Promedio 1.3025 1.3725 1.4925 1.7175 1.9525 2.2625 2.6425 3.0625 3.58 4.165. Tabla 2: Mediciones de voltaje con la escala en galones por minuto (lpm).. En la tabla 3 se muestran los valores promedio de las mediciones de voltaje en 20 valores de caudal arrojados por el rotámetro.. Caudal en gpm 0.2000. Promedios de mediciones de voltaje 1.2550. Presión diferencial basada en datasheet 0.2550.

(16) Caudal en gpm 0.2113 0.4000 0.4227 0.6000 0.6340 0.8000 0.8454 1.0000 1.0567 1.2000 1.2680 1.4000 1.4794 1.6000 1.6907 1.8000 1.9020 2.0000 2.1134 Tabla 3:. Promedios de mediciones de voltaje 1.3025 1.3625 1.3725 1.4750 1.4925 1.6500 1.7175 1.9025 1.9525 2.1600 2.2625 2.5100 2.6425 2.8500 3.0625 3.2575 3.5800 3.8025 4.1650. Presión diferencial basada en datasheet 0.3025 0.3625 0.3725 0.4750 0.4925 0.6500 0.7175 0.9025 0.9525 1.1600 1.2625 1.5100 1.6425 1.8500 2.0625 2.2575 2.5800 2.8025 3.1650. Promedios de mediciones de voltaje. Tomando como base la tabla anterior de los promedios de mediciones de voltaje de salida del sensor, se generó una gráfica de dispersión por medio de Microsoft Excel, posteriormente se agregó una línea de tendencia con el fin de hallar la ecuación característica del comportamiento del sensor de caudal (3) en función de voltaje.. (3). Se observa que la ecuación es de tipo logarítmica. La gráfica característica del sensor de caudal se muestra en la figura 11.

(17) :. Figura 11: Gráfica de voltaje de salida medido vs caudal en gpm. Fuente: elaboración propia. La ecuación característica fue usada en el procesamiento digital para la obtención del valor de caudal, en la figura 12 se observa un fragmento del programa donde se obtiene caudal a partir del valor de voltaje obtenido del bloque conversor análogo-digital..

(18) Figura 12: Bloque del programa del convesor análogo-digital y la ecuacíon característica. Fuente: Elaboración propia. 3.1.2.2 ESCALIZACIÓN DE LA SALIDA EN UN ESTÁNDAR INDUSTRIAL EN UN RANGO DE 4-20 mA. El sistema de control de temperatura de marca AMATROL cuenta con unas terminales a las que se les conectó la salida del dispositivo construido, el usuario tiene la posibilidad de elegir mediante un selector si desea la salida en voltaje o en corriente dependiendo de la aplicación y el uso que le esté dando al sensor. La manera más usada para transmitir señales en instrumentación industrial, es el estándar 4 a 20 miliamperios DC. Ésta es una señal estándar, que significa que la señal de corriente usada es usada proporcionalmente para representar señales de medidas o salidas. Debido a que el sensor de presión diferencial MPXV5004DP arroja una salida en voltaje desde 1 a 5 v como se explicó previamente, fue necesario realizar la conversión a corriente de manera proporcional y lineal en el rango de 4-20 mA. Para la escalización se utilizó un circuito de amplificación de transconductancia variable, Figura 13, en el cual la tensión diferencial de entrada produce una corriente de salida, por lo tanto, es una fuente de corriente controlada por voltaje. Debido a la retroalimentación negativa se tiene un corto circuito virtual por lo que en la Figura 13 se tiene que Vi = VR y que IL = IR. Por lo tanto IR = VR/R = Vi/R. La corriente de salida (en la carga) es función del voltaje de entrada, multiplicado por el factor de transconductancia [18]. Esta configuración funciona apropiadamente con un rango de valores de resistencia de carga de hasta 400 Ω, este valor fue de manera práctica y mediante la simulación de proteus y se explicará en la sección de resultados..

(19) :. Un amplificador operacional LF353 fue usado para esta configuración, este circuito integrado requiere de una alimentación de 15v para una óptima operación, por ende se usó el regulador de voltaje LM7815 para obtiene un voltaje fijo regulado.. Figura 13: Esquema del circuito amplificador de transconductancia variable implementado. [19]. 3.1.2.3 MONTAJE EN EL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS El acople mecánico de la placa de orificios es portátil, lo cual implica que puede ser puesto y removido de la planta por medio de uniones universales de ½”. La parte electrónica del proyecto se implementó en una tarjeta de circuito impreso (PCB) que se encuentra protegida por una carcasa, la cual puede ser puesta y removida de la planta AMATROL al igual que el acople de la placa de orificios. La alimentación del dispositivo se realizó mediante la fuente de 24VDC que posee el sistema de control de proceso AMATROL; la conexión entre la planta y el dispositivo se estableció con un cable de instrumentación industrial. En la figura 14 se muestra dispositivo terminado e implementado en el sistema de control de proceso de temperatura donde se puede observar la indicación de la medición en la LCD. además de. los interruptores de encendido/apagado y selector voltaje/corriente,. además del botón selector de pantalla..

(20) Figura 14:Dispositivo terminado e implementado en el sitema de control de proceso. Fuente: Elaboración propia. 3.1.2.2.1 TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO La tarjeta del circuito impreso (PCB) se diseño con la ayuda del software Proteus, el esquema del circuito se realizó con el programa ISIS y se ilustra en la figura 15, en la que se muestran todas las fases ya explicadas, la fase de sensado, la etapa de regulación de voltaje, el amplificador de transconductancia, el kit programable de PSoC CY8CKIT-049 4200 y la pantalla LCD Nokia 5110..

(21) :. Figura 15: Esquema en Proteus del circuito electrónico del dispositivo. Fuente: Elaboración propia. 1. Alimentación del dispositivo y regulación de 15v 2. Amplificador de transconductancia 3. Regulación de 5v 4. Regulación de 3.3v 5. Fase de sensado 6. Conectores de la pantalla LCD Nokia 5110 7. Esquema del Kit programable para PSoC 4. El circuito impreso se diseño por medio del programa CAD de proteus ARES, el esquema de la PCB se muestra en la figura 16, y la fotografía se ilustra en la figura 17.

(22) Figura 16: Diseño de la PCB en proteus. Fuente: Elaboración propia. Figura 17: Fotografía del circuito impreso. Fuente: Elaboración propia. 3.1.3 INTERFAZ GRÁFICA E INDICACIÓN DIGITAL Para la indicación digital se utilizó una pantalla LCD Nokia 5110 debido a su capacidad de ilustrar gráfico e imágenes y su bajo costo, su programación se explicó con anterioridad. En la figura 18 se muestra la pantalla..

(23) :. Figura 18: Pantalla LCD NOKIA 5110 [20]. Se realizó una interfaz gráfica mediante el uso del software Cassy Lab 2, el cual permite el uso de datos que toma la tarjeta de adquisición de datos Profi-Cassy en la que se usó una terminal de entrada análoga de voltaje, en este caso el voltaje de salida del dispositivo construido, la figura 19 muestra el entorno de trabajo de Cassy Lab 2.. Figura 19: Entorno de Cassy Lab 2. Fuente: Elaboración propia..

(24) 3.1.4 MANUAL DE USUARIO Se realizó un manual de usuario en el que se muestra el proceso adecuado para el uso del dispositivo, las prácticas que puedan afectar el dispositivo y además muestra 3 prácticas para estudiantes que requieren mediciones de caudal.. 4 RESULTADOS 4.1 SENSOR Para obtener el error se realizaron pruebas de medición de caudal en el sistema de control de temperatura AMATROL, se usó el rotámetro que esta planta posee como patrón de medida y se fijó el flujo de agua en 10 valores fijos, posteriormente se tomaron 5 muestras en cada uno de los valores. En la tabla 4 se muestran los resultados de las medidas.. Patrón (gpm) 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Patrón (gpm) 2,00 1,80 1,60 1,40. PRUEBAS DE MEDIDA DE CAUDAL Muestras ADC del PSoC (gpm) 2,00 2,06 2,02 2,03 2,01 1,84 1,77 1,84 1,79 1,84 1,64 1,58 1,59 1,58 1,63 1,38 1,39 1,44 1,38 1,41 1,20 1,17 1,23 1,17 1,21 0,97 0,99 0,97 0,99 0,99 0,78 0,80 0,78 0,79 0,79 0,60 0,60 0,58 0,59 0,60 0,41 0,40 0,39 0,42 0,39 0,21 0,22 0,20 0,23 0,20 Muestras Interfaz gráfica Cassy-Lab (gpm) 2,03 2,04 2,07 2,01 2,05 1,80 1,81 1,83 1,79 1,81 1,62 1,58 1,60 1,63 1,59 1,41 1,36 1,43 1,39 1,46. Promedio 2,02 1,82 1,60 1,40 1,20 0,98 0,79 0,59 0,40 0,21 2,04 1,80 1,60 1,41.

(25) :. 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20. 1,17 0,99 0,78 0,58 0,41 0,22. 1,14 0,99 0,80 0,58 0,40 0,21. 1,18 0,98 0,79 0,56 0,39 0,20. 1,17 0,94 0,78 0,58 0,38 0,22. 1,19 0,98 0,79 0,60 0,36 0,22. 1,17 0,97 0,78 0,58 0,39 0,21. Tabla 4: Pruebas de medidas de caudal. El cálculo del error se realizó mediante la ecuación (4). (4). Donde. es el promedio de las muestras y. es el patrón; obteniendo los valores que se. muestran en la tabla 5. CALCULO DEL ERROR Patrón (gpm) ADC(PSoC) Interfaz Cassy Lab. 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20. 1,19 0,83 0,24 0,00 -0,28 -1,70 -1,57 -1,37 0,25 5,40. 1,89 0,24 0,14 0,60 -2,45 -2,64 -1,90 -3,33 -3,60 7,20. Tabla 5: Cálculo del error. 4.2 ESCALIZACIÓN DE LA SALIDA A CORRIENTE El amplificador de transconductancia usado para la conversión de voltaje a corriente tiene un límite físico en la ecuación que se calcula mediante la ecuación 5. (5).

(26) En donde se halla la resistencia de carga máxima, Vcc es el voltaje de alimentación, en este caso 15v, Vi es el voltaje de entrada, en este caso la salida del sensor, y R es la resistencia previamente calculada de 250Ω. El valor obtenido de forma teórica fue de 937.5Ω, sin embargo al realizar pruebas, se observó que el dispositivo funciona de manera óptima con una resistencia de carga de hasta 400Ω aproximadamente, se observó que a partir de este valor el valor máximo de corriente del conversor que es lineal respecto al voltaje de entrada, empieza a decaer, el comportamiento del valor máximo de linealidad óptima se muestra en la figura 20, teniendo como voltaje de entrada 5v, el valor máximo que arroja el sensor.. Figura 20: Resistencia de carga vs corriente de salida En la figura 21 se muestra la simulación del amplificador de transconductancia y su funcionamiento a 5 v.

(27) :. Figura 21: Simulación del circuito amplificador de transconductancia variable en el software Proteus. Fuente: elaboración propia.. 4.3 INTERFAZ GRÁFICA.

(28) El software Cassy-Lab permite la visualización gráfica de variables a través del voltaje tomado por la tarjeta de adquisición de datos Profi-Cassy, en este caso se usó la salida de voltaje del sensor y a partir de este valor se obtuvo el valor de caudal, corriente y presión diferencial de manera similar al programa de PSoC, la interfaz muestra los valores instantáneos de las variables y los grafica en el tiempo, además es posible la toma de datos en una tabla con un intervalo de tiempo ajustable. La figura 22 muestra la interfaz gráfica resultante.. Figura 22: Interfaz gráfica en Cassy-Lab 4.4 INDICACIÓN DIGITAL La indicación digital por medio de la pantalla LCD Nokia 5110 se ilustra en la figura 23, los valores de las cuatro variables se muestran en pantallas distintas a través de un pulsador selector, las unidades de medida que se muestran para caudal, presión diferencial, voltaje y corriente son galones por minuto(gpm), kPa(kilopascales), voltios(v) y miliamperios(mA)..

(29) :. Figura 23: Funcionamiento de la indicación digital en la LCD Nokia 5110 4.5 IMPLEMENTACIÓN AL SISTEMA DE CONTROL AMATROL. El acople de la placa de orificios al tubo de la planta T5553 se observan en la figura 24, en la que se observa también el rotámetro.. Figura 24: Placa de orificios acoplada al sistema de control AMATROL. La totalidad del dispositivo que incluye la parte electrónica sin su carcasa y la parte mecánica se observa en la figura 25.

(30) Figura 25: Dispositivo de medición de caudal. 5 CONCLUSIONES  Se logró un dispositivo digital capaz de realizar mediciones de caudal para el sistema de control de temperatura AMATROL.  Se logró una herramienta didáctica para actividades que requieran la medición de caudal, con el fin de simular a un proceso industrial.  Se observó que en el dispositivo la relación entre las variables de caudal y presión diferencial es logarítmica.  Se logró una interfaz gráfica que permite la visualización del comportamiento de las variables caudal, presión diferencial, voltaje y corriente de manera fácil y amigable al usuario.. Referencias [1]L. Ge,G. Wei,Q. Wang” Novel Annular Flow Electromagnetic Measurement System for Drilling Engineering” [Online] , Base de datos IEEE, 2017, disponible en:.

(31) :. http://ieeexplore.ieee.org.bdigital.udistrital.edu.co:8080/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7997 894. [2]. M. Richter, M. Wackerle, P. Woias, B. Hillerich “A novel flow sensor with high time resolution based on dijferential pressure principle Sensor type 1 psi” Base de datos IEEE 2017, disponible en:. http://ieeexplore.ieee.org.bdigital.udistrital.edu.co:8080/stamp/stamp.jsp?arnumber=746783&t ag=1. [3] Acheson, D. J.. “Elementary Fluid Dynamics” Clarendon Press,1990 p.20. [4] Engineers Edge, LLC. "Fluid Volumetric Flow Rate Equation" [Online] 2016, disponible en: http://www.engineersedge.com/fluid_flow/volumeetric_flow_rate.htm [5] Linford, A . Flow Measurement & Meters (2da ed.). 1961, p. 81 [6] Tomado el 28 de septiembre de 2017 disponible en: http://www.sapiensman.com/tecnoficio/electricidad/instrumentacion_industrial6.php [7] P, Ramón: "Adquisición y Distribución de Señales". Editorial Marcombo.1993 p. 35 [8] “Adquisición de datos” [Online] https://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos#/ media/File:Diagrama_Adquisici%C3%B3n_ de_Datos.svg. disponible. en:. [9] “MPxx5004, 0 to 3.92 kPa, Differential and Gauge, Integrated Pressure Sensor” [Online] disponible en: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MPXV5004G.pdf [10] “MPxx5004, 0 to 3.92 kPa, Differential and Gauge, Integrated Pressure Sensor” [online] disponible en: https://www.nxp.com/products/sensors/pressure-sensors/differential-gauge-up-to-10-kpa/0-to3.92kpa-differential-and-gauge-integrated-pressure-sensor:MPXx5004 [11] “PSoC microcontrollers” [online] disponible en: http://www.cypress.com/products/microcontrollers-mcus [12] “Leybold Profi-CASSY” [Online] disponible en: https://www.leyboldshop.com/technology/electrical-engineering/control-and-automation-technology/automationtechnology/plc-applications/equipment-simulator-single-user-license-plc-with-profibus/proficassy-524016.html.

(32) [13] “Profi-Cassy” [Online] disponible en: https://www.lddidactic.de/software/524221en/Content/CASSYs/Profi-CASSY/Introduction.htm [14] “PROTEUS” [Online] disponioble en: https://www.labcenter.com/ [15] “Datasheet MPXV5004DP” [Online] disponible en: https://www.nxp.com/docs/en/datasheet/MPXV5004G.pdf [16] “Datasheet MPXV5004DP” [Online] disponible en: https://www.nxp.com/docs/en/datasheet/MPXV5004G.pdf [17] “PSoC® 4: PSoC 4200M Family Datasheet” [online] disponible en: http://www.cypress.com/documentation/datasheets/psocr-4-psoc-4200m-family-datasheetprogrammable-system-chip-psocr-ja [18] “A Short Discussion of the Operational Transconductance Amplifier (OTA)”[online] disponible en: http://www.schmitzbits.de/ota3080.html [19] “Convertidor de voltaje a corriente con carga flotante” [online] disponible en: https://unicrom.com/convertidor-voltaje-corriente-con-carga-flotante/ [20] “LCD Nokia 5110 + sistem Arduino” [online] disponible en: https://sunupradana.info/tkr/2017/07/23/lcd-nokia-5110-sistem-arduino/.

(33)

Figure

Fig 1: Esquema de Placa de orificio [6]
Fig 2.  Diagrama que describe los componentes  en un proceso de adquisición de datos [8]
Fig. 3 Sensor MPXV5004DP [10]
Figura 4 Tarjeta Profi-Cassy[13]
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