Ingeniería en Control y Automatización
Diseño e implementación de un módulo de entrenamiento aplicado al
monitoreo y manipulación de nivel
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO EN CONTROL Y
AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
Gómez Delgado Eduardo Vega Curintzita Marco Antonio
Escartín Reyes Rodrigo David
ASESORES:
M. en C. Miriam Gómez Álvarez M. en C. Pedro Francisco Huerta González
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 2
ÍNDICE
RESUMEN. ... 8
Capítulo 1 ... 10
1.0 INTRODUCCIÓN. ... 11
1.1 OBJETIVOS. ... 13
1.1.1 GENERAL. ... 13
1.1.2 PARTICULARES. ... 13
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 14
1.3 JUSTIFICACIÓN. ... 15
1.4 ANTECEDENTES. ... 15
Capítulo 2 ... 17
2.0 INTRODUCCIÓN. ... 18
2.1 MEZCLA. ... 18
2.1.1 MEZCLADO. ... 19
2.2 LAZO DE CONTROL. ... 20
2.3 MEDICIÓN DE NIVEL. ... 21
2.3.1 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS ... 21
2.4 SENSOR ... 23
2.5 TRANSMISOR ... 24
2.5.1 TRANSMISOR DE NIVEL ULTRASÓNICO ... 24
2.6 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL ... 28
2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS ... 30
2.8 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS... 30
2.8.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ... 31
2.9 BOMBAS. ... 33
2.9.1 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS. ... 34
2.9.1.1 CLASIFICACIONES DE BOMBAS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Y SUS APLICACIONES. ... 34
2.9.1.2 SEGÚN SU ACCIONAMIENTO. ... 36
2.10 VÁLVULA. ... 37
2.10.1 VÁLVULA DE SOLENOIDE. ... 38
Capítulo 3 ... 39
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 3
3.1 CONTENEDORES. ... 45
3.2 TUBERÍAS ... 51
3.3 SENSOR ULTRASÓNICO ... 54
3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR ... 55
3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR. ... 57
3.4 BOMBAS ... 58
3.5 VÁLVULAS ... 60
3.6.1 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ... 61
3.6.2 SOFTWARE CONTROLADOR ... 64
3.6.3 SOFTWARE DE APLICACIÓN ... 64
3.7 CONEXIÓN ELÉCTRICA ... 64
3.7.1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA SELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA. ... 65
3.7.2 SELECCIÓN DEL RELEVADOR ... 66
3.7.3 SELECCIÓN DEL SUPRESOR DE VOLTAJE ADECUADO. ... 67
3.7.4 SELECCIÓN DEL TRANSISTOR 2N2222. ... 69
3.7.5 SELECCIÓN DE RESISTENCIA PARA ACTIVACIÓN DEL TRANSISTOR 2N2222 ... 71
3.7.6 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA ADECUADA PARA EL CIRCUITO DE CONMUTACIÓN ... 71
3.8 DISEÑO FISICO DEL CIRCUITO DE ELECTRONICA DE POTENCIA ... 72
3.10 DIAGRAMA DE FUERZA ... 76
Capítulo 4 ... 81
4.0 INTRODUCCIÓN ... 82
4.1 INTERFAZ GRÁFICA... 82
4.2 ADQUISICIÓN DE DATOS DESDE LABVIEW® ... 89
4.3 DESSARROLLO DEL PROGRAMA ... 96
4.3.1 CICLO DE LLENADO ... 105
4.3.1.1 PROGRAMA PARA LA SOLUCIÓN AL 10% ... 106
4.3.1.2 CICLO DE VACIADO. ... 109
4.4 PROGRAMA DEL BLOQUE 1 ... 114
4.5 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 ... 119
4.6 PROGRAMA DEL BLOQUE 3. ... 120
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 4
4.7.1PROGRAMA DEL BLOQUE 1 (SOLUCIÓN AL 30%) ... 127
4.7.2 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%). ... 128
4.7.3 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%) ... 129
4.8 ENVÍO DE DATOS AL EXTERIOR ... 130
Capítulo 5 ... 137
5.1 MÓDULO TERMINADO. ... 138
5.2 PRUEBA CON SIMULADOR DE SEÑAL EXTERNO. ... 139
5.3 CONEXIÓN DE LA DAQ CON LOS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ... 144
5.4 CONEXIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA ... 146
5.5 TABLERO DE IDENTIFICACIÓN ... 146
5.6 CONEXIÓN DEL SENSOR ... 148
5.6.1 CALIBRACIÓN DEL SENSOR. ... 149
5.7 MÓDULO PUESTO EN MARCHA ... 150
Capítulo 6 ... 155
6.1 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO ... 156
6.2 COSTOS ... 156
6.2.1 COSTO DE MATERIALES Y ELEMENTOS QUE SE UTILIZARON ... 157
6.2.2 COSTO DE MANTENIMIENTO INCLUYENDO REPARACIONES ... 159
BENEFICIOS ... 160
CONCLUSIONES
... 161
APARTADO 1. CARACTERÍSTICAS DE LOS RELEVADORES
... 164
APARTADO 2. ESPECIFICACIONES DE LA DAQ
... 165
APARTADO 3. DATOS DEL SENSOR.
... 167
INSTRUCCIONES RÁPIDAS ... 168
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 5
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura No. 2.1 Sensores de Nivel ... 23
Figura No. 2.3 Funcionamiento de un transmisor ultrasónico ... 25
Figura No. 2.4 Factores que afectan la medición de Nivel ... 27
Figura No. 2.6 Error por crosstalk ... 28
Figura No. 2.8 Lazo de Control Cerrado ... 20
Figura No. 3.1 DTI del módulo ... 44
Figura No. 3.2 Diseño final de los tanques ... 45
Figura No. 3.3 Ubicación de los barrenos ... 47
Figura No. 3.4 Tanques terminados ... 48
Figura No. 3.5 Base de los tanques ... 48
Figura No. 3.6 Base y cinturón de los tanques ... 49
Figura No. 3.7 Base con yugo de montaje para el sensor ... 50
Figura No. 3.8 Fotografía de la base terminada ... 50
Figura No. 3.9 Diagrama de colocación de los tanques ... 51
Figura No. 3.10 Diagrama de tubería para llenado ... 53
Figura No. 3.11 Diagrama de tubería para la descarga ... 53
Figura No. 3.12 Tubería instalada sin válvulas. ... 54
Figura No. 3.13 Función y diseño del sistema. ... 56
Figura No. 3.14 Diagrama de conexión del sensor ... 57
Figura No. 3.15 Diagrama se succión y descarga de la bomba ... 59
Figura No. 3.16 Bomba instalada ... 59
Figura No. 3.17 Conexión de válvula ... 60
Figura No. 3.18 Válvula instalada. ... 61
Figura No. 3.19 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211 ... 63
Figura No. 3.20 Etapas del sistema ... 65
Figura No. 3.21 Dimensiones en mm del relevador. ... 67
Figura No. 3.22 Diagrama electrónico de relevador ... 67
Figura No. 3.23 Conexión en paralelo del supresor de voltaje ... 68
Figura No. 3.24 Funcionamiento de un supresor de voltaje ... 68
Figura No. 3.25 Diagrama de conexión del transistor 2N2222 ... 70
Figura No. 3.26 Circuito de potencia diseñado en pcv wizard ... 73
Figura No. 3.27 Circuito de potencia con vista a las pistas de conducción ... 73
Figura No. 3.28 Placa fenólica con terminales soldadas ... 75
Figura No. 3.29 Tarjeta de potencia terminada ... 75
Figura No. 3.30 Diagrama de control ... 76
Figura No. 3.31 Diagrama de fuerza ... 77
Figura No. 3.32 Diagrama de potencia e indicación ... 78
Figura No. 3.33 Bosquejo del tablero de control. ... 79
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 6
Figura No. 4.1 Bosquejo del Prototipo en AutoCad®... 83
Figura No. 4.2 Pantalla principal de LabVIEW® ... 84
Figura No. 4.3 Panel frontal de LabVIEW® ... 84
Figura No. 4.4 Indicadores para los tanques ... 85
Figura No. 4.5 Pantalla del Symbol Factory® ... 86
Figura No. 4.6 Interfaz con elementos principales y auxiliares ... 87
Figura No. 4.7 Interfaz con Tuberías Conectadas ... 87
Figura No. 4.8 Interfaz con Leds ... 89
Figura No. 4.9 Diagrama de Adquisición De Datos ... 90
Figura No. 4.10 Ventana de dialogo con las opciones de entradas al sistema ... 91
Figura No. 4.11 Configuración del canal analógico ... 92
Figura No. 4.12 Configuración interna de la DAC ... 93
Figura No. 4.13 Resultado de la primera prueba al canal analógico ... 94
Figura No. 4.14 Bloque de la señal analógica de entrada ... 94
Figura No. 4.15 Valor fundamental de la señal de entrada ... 95
Figura No. 4.16 Acondicionamiento y amplificación de la señal ... 95
Figura No. 4.17 Indicador del valor amplificado ... 96
Figura No. 4.18 Diagrama de flujo del programa ... 97
Figura No. 4.19 Pantalla donde se selecciono la estructura principal del programa ... 99
Figura No. 4.20 Proceso para introducir un Tab Control ... 100
Figura No. 4.21 Ventana de diálogo del Menú ... 100
Figura No. 4.22 Casos anidados ... 102
Figura No. 4.23 Insertar variable local ... 103
Figura No. 4.24 Asignación de nombre a la variable local ... 103
Figura No. 4.25 Variable local dentro del Caso Principal ... 104
Figura No. 4.26 Variable local del valor rms value ... 105
Figura No. 4.27 Comparación para encender bomba 1 ... 106
Figura No. 4.28 Comparación para encender bomba 3 ... 107
Figura No. 4.29 Conexión del indicador “tanque 2” Llenando ... 107
Figura No. 4.30 Conexión del indicador “tanque 1” Llenando ... 108
Figura No. 4.31 Conexión del indicador “tanque 3” Llenando ... 108
Figura No. 4.32 Bloqueo de seguridad ... 109
Figura No. 4.33 Inicio del ciclo de vaciado ... 109
Figura No. 4.34 Activación de la bomba 2 ... 110
Figura No. 4.35 Limites para activar válvula 1 ... 110
Figura No. 4.36 Activación de la válvula 1 ... 111
Figura No. 4.37 Limites de activar válvula 2 ... 112
Figura No. 4.38 Activación de la válvula 2 ... 112
Figura No. 4.39 Conexión del indicador “tanque 2” Vaciando ... 113
Figura No. 4.40 Nodo de programación en lenguaje C ... 114
Figura No. 4.41 Nodo de programación 1 ... 115
Figura No. 4.42 conexión del indicador “tanque 1” Vaciado... 116
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 7
Figura No. 4.44 Conexión del tercer bloque de programación. ... 118
Figura No. 4.45 Nodo de programación 2 y 3 ... 121
Figura No. 4.46 Conexión de los bloques de programación 2 y 3 ... 122
Figura No. 4.47 Conexión del indicador “tanque 3” Vaciado ... 123
Figura No. 4.48 Bloqueo de seguridad ... 124
Figura No. 4.49 Programa de la solución al 30 % “llenado” ... 125
Figura No. 4.50 Programa de la solución al 30 % “vaciado” ... 126
Figura No. 4.51 Punto de seguridad ... 130
Figura No. 4.52.Asignacion del puerto digital de salida ... 131
Figura No. 4.53 Agregar una canal al puerto 1 ... 132
Figura No. 4.54 Configuración del canal analógico de salida. ... 133
Figura No. 4.55 Conexión del DAQ asistant3 (salidas digitales)... 133
Figura No. 4.56 Conexión de los indicadores ... 134
Figura No. 4.57 Conexión del DAQ asistant2 (salida analógica configurada como digital) ... 135
Figura No. 4.58 Conexión final de los de nivel ... 135
Figura No. 5.1 Módulo con los elementos montados. ... 138
Figura No. 5.2 Simulador configurado a 4 mA ... 139
Figura No. 5.3 Respuesta a una entrada de 4 mA”llenado” ... 140
Figura No. 5.4 Simulador configurado a 12 mA ... 140
Figura No. 5.5 Respuesta a una entrada de 12 mA “llenado” ... 141
Figura No. 5.6 Simulador configurado a 20 mA ... 141
Figura No. 5.7 Respuesta a una señal de 20 mA “llenado” ... 142
Figura No. 5.8 Respuesta a una señal de 20 mA “vaciado” ... 143
Figura No. 5.9 Respuesta a una señal de 12 mA “vaciado” ... 143
Figura No. 5.10 Respuesta a una señal de 4 mA “vaciado” ... 144
Figura No. 5.11 Conexión de los elementos ... 145
Figura No. 5.12 Identificación de bornes de la DAQ ... 145
Figura No. 5.13 Identificación de terminales del circuito de potencia ... 146
Figura No. 5.14 Tablero de indicación energizado ... 147
Figura No. 5.15 Tablero energizado con 2 elementos activos ... 147
Figura No. 5.16 Terminales de conexión del sensor ... 148
Figura No. 5.17 Indicador de sensor energizado. ... 148
Figura No. 5.18 Partes del sensor ... 150
Figura No. 5.19 Módulo puesto en marcha ... 151
Figura No. 5.20 Módulo energizado ... 151
Figura No. 5.21 Interfaz en modo automático visualización 1 ... 152
Figura No. 5.22 Interfaz en modo automático visualización 2 ... 152
Figura No. 5.23 Interfaz en modo manual visualización 1 ... 153
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 8
RESUMEN
En este trabajo de tesis se presenta el diseño e implementación de un módulo de entrenamiento que permitirá a los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización reforzar sus conocimientos realizando prácticas y visualizando el funcionamiento de elementos como:
Tarjetas de adquisición de datos
Bombas de agua
Válvulas solenoide
Sensores
Tableros de indicación
Interfaces gráficas
Debido a que se trabajará con un sensor de nivel que se conectará a una tarjeta de adquisición de datos, la cual se enlazará con el programa LabView para crear una interfaz gráfica y un programa para controlar los ciclos de un mezclador y que dicho programa accionará tres bombas y dos válvulas las cuales realizarán un mezclado en tres tanques que estarán acoplados, lo alumnos podrán ver el enfoque que se le aprendió a materias que se imparten en la carrera como: Elementos primarios de medición
Elementos de transmisión y control
Teoría de los circuitos l y ll
Electrónica lineal
Electrónica de potencia
Operaciones unitarias
Preparación y transporte de materiales
Instalaciones eléctricas
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 9
Este módulo de entrenamiento servirá como material de apoyo para que los alumnos puedan realizar prácticas en el laboratorio con la finalidad de ayudar a los profesores, lo cual reforzará los conocimientos que los estudiantes han obtenido en las aulas.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 10
Capítulo 1
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 11
1.0 INTRODUCCIÓN
El control y automatización de procesos en la vida de los seres humanos está a la orden del día y avanza tan rápidamente como la tecnología lo permite. La mayoría de las grandes empresas tienen sus procesos automatizados con el fin de estar a la vanguardia y al mismo tiempo ahorrar en mano de obra y sobre todo alta eficiencia en lo que al costo de oportunidad se refiere.
La medición de nivel en la industria es importante o fundamental dependiendo del proceso ya que se encuentran dentro de las cuatro variables primordiales a controlar (presión, temperatura, flujo y nivel), ubicadas dentro del área del controlador, una eta importante de un proceso automatizado.
Sin embargo, no solamente en las empresas es donde se puede establecer un sistema de automatización. En los hogares es de gran utilidad tener ciertos procesos automatizados con el fin de dar más comodidad, conveniencia o seguridad.
En las escuelas donde se imparten clases de procesos industriales, instrumentación, electrónica y otras disciplinas es preciso visualizar el campo de aplicación que tienen estas áreas de estudio, y para cumplir con dicho objetivo, el desarrollo de prácticas de laboratorio es sumamente importante para esclarecer la teoría apoyándose en diseños de aplicaciones en la vida real.
El diseño de un prototipo es una tarea que no cualquiera puede llevar a cabo ya que se deben tener en cuenta muchos aspectos tanto técnicos como teóricos, además de que se deben mostrar con claridad los detalles y puntos importantes para que se pueda demostrar de manera visual y práctica las características y tópicos importantes sin perder la noción de que es un ambiente controlado.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 12
La unión de diferentes áreas de estudio nos hará posible tener el diseño de la interfaz gráfica en entornos computacionales accesibles además de que tendrá la instrumentación y el control adecuado para así relacionar la teoría en la práctica de una manera más sencilla y didáctica.
Existen industrias donde es importante o necesario tener controlado el nivel en ciertos procesos pero en ocasiones no se toma en cuenta esta variable y suceden accidentes como derrames, explosiones, etc. Por mencionar algunas industrias:
La industria alimentaria.
La industria farmacéutica.
La industria petrolera.
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1.1 OBJETIVOS
1.1.1 GENERAL
Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y manipulación de nivel de tres tanques acoplados, mediante la integración de un sensor de nivel ultrasónico y tres bombas para una aplicación de mezclado a escala piloto.
1.1.2 PARTICULARES
Diseñar e implementar los circuitos electrónicos de potencia para el accionamiento de cada una de las bombas contempladas en el módulo de entrenamiento.
Integrar una interfaz gráfica así como su respectivo lenguaje de programación al módulo de monitoreo y manipulación por medio del software LabVIEW.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 14
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Con el paso de los años el equipo existente dentro de laboratorios se ha ido deteriorando, inclusive los módulos existentes para la realización de prácticas ha dejado de funcionar correctamente, presentándose un gran problema ya que se opta por realizar prácticas, en su mayoría a un nivel teórico, dejando de lado lo que es el nivel teórico - práctico, lo cual representa una carencia de conocimientos cuando los egresados de la carrera se integran a la industria.
El tipo de equipo requerido en laboratorio es muy caro y sensible por lo que se busca otro tipo de solución para resolver este problema, tal y como se propone en este caso en particular, ya que se pretende desarrollar un sistema de monitoreo y manipulación de nivel, ya que dentro de los procesos industriales la medición y el control de nivel se hace necesario cuando se pretende tener una producción continua, cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando un proceso requiere de control y medición de volúmenes de líquidos ó bien en el caso más simple, para evitar que un líquido se derrame, la medición de nivel de líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirse en un problema más ó menos difícil, sobre todo cuando el material es corrosivo ó abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones, cuando es radioactivo ó cuando se encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes móviles ó cuando es prácticamente imposible mantenerlas, el control de nivel entre dos puntos, uno alto y otro bajo, es una de las aplicaciones más comunes de los instrumentos para controlar y medir el nivel, los niveles se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos de caída de presión, eléctricos y electrónicos.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 15
Conexión.
Instalación
Acondicionamiento de su señal de salida
etc.
1.3 JUSTIFICACIÓN
El trabajo de un ingeniero en control y automatización a lo largo de la historia y con el avance tecnológico ha tenido la necesidad de buscar, analizar, modificar y obtener la mayor eficiencia posible en un proceso.
En los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización existe una carencia de equipos para realizar prácticas y visualizar los conceptos que se aprenden durante la carrera. Con este trabajo se aspira a apoyar a los futuros ingenieros en su formación académica, desarrollando un sistema de monitoreo y manipulación de nivel de tres tanques acoplados, mediante la integración de un sensor de nivel ultrasónico y tres bombas para una aplicación de mezclado.
Por tal motivo la elección de este trabajo de tesis, surge como una necesidad dada la gran cantidad de dudas que pudiesen ocurrir a nivel industrial.
De acuerdo a lo anterior, es de gran interés desarrollar una metodología con la cual se pueda identificar dudas e inquietudes asociadas en el proceso de medición de nivel en una industria.
Se busca cuidar el impacto ambiental ocasionado con la creación del módulo didáctico tomando en cuenta una cantidad de agua lo suficientemente representativa para visualizar el proceso sin caer en desperdicios o mal uso de la misma.
1.4 ANTECEDENTES
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 16
presentada en este trabajo, el cual cuenta con una interfaz gráfica, un par válvulas solenoides, etc., y cuyo objetivo es apoyar a los compañeros de generaciones futuras para poder complementar su formación académica, visualizando en comportamiento de algún proceso industrial a nivel laboratorio.
Por mencionar algunos trabajos:
I. En una actividad de laboratorio, se puede observar que se realiza una práctica con un sensor ultrasónico con el objetivo de conocer el funcionamiento del sensor, así como realizar la calibración del mismo realizando algunas mediciones ya indicadas en la debida práctica.15
II. En una tesis “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE
NIVEL DE LÍQUIDOS” podemos observar un esquema completo del control de nivel en unos tanques acoplados donde se realiza toda la programación en lógica de escalera para poder realizar el control PID del sistema, es decir, por medio de un PLC16
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 17
Capítulo 2
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 18
2.0 INTRODUCCIÓN
El Capítulo presenta el marco teórico del proyecto. Se tuvo que definir algunos parámetros los cuales son importantes para poder comprender cómo opera el sistema y así entender sus características de funcionamiento.
2.1 MEZCLA
Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual no ocurre transformación de tipo químico, de modo que no ocurren reacciones químicas. Las sustancias participantes conservan su identidad y propiedades.
Un ejemplo de una mezcla es arena con limaduras de hierro, que a simple vista es fácil ver que la arena y el hierro mantienen sus propiedades.
Existen dos tipos de mezclas: las mezclas heterogéneas y las mezclas homogéneas.
Mezcla heterogénea es aquella cuyo aspecto difiere de una parte a otra de ella, está formada por dos o más componentes que se distinguen a simple vista y contiene cantidades diferentes de los componentes. La madera, el granito, las rocas, arena y agua, aceite, la sopa de verduras, las ensaladas son ejemplos de mezclas heterogéneas.
Las mezclas homogéneas son mezclas que tienen una apariencia uniforme, de composición completa y no se diferencian sus componentes o sustancias. Muchas mezclas homogéneas son comúnmente llamadas disoluciones. Las partículas de estas son tan pequeñas que no es posible distinguirlas visualmente sin ser magnificadas.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 19
Existen cinco tipos de mezclas homogéneas que son:
Sólido - sólido
Líquido - sólido
Líquido - líquido
Gas - líquido
Gas - gas
Las características de las mezclas homogéneas son:
Su aspecto uniforme (homogéneo) en todas sus partes.
Sus componentes no se distinguen a simple vista.
No sedimentan.
Atraviesan todos los filtros.
Sus componentes se pueden separar por métodos químicos o fisicoquímicos. [1]
2.1.1 MEZCLADO
El mezclado es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química más difíciles de someter a un análisis científico. Hasta el presente no se ha desarrollado ninguna fórmula o ecuación aplicable al cálculo de grado de la realización al que se verifica la mezcla, o la velocidad con que se realiza, en determinadas condiciones.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 20
2.2 LAZO DE CONTROL
Se conoce como lazo de control o "Control Loop" a un conjunto de componentes que consta de: I. Elemento sensor.
II. Transductor de señal. III. Receptor de señal.
IV. Comparador de punto de ajuste.
V. Mecanismo de control (neumático, electrónico, etc.).
VI. Elemento final de control (válvula, calentador, interruptor, etc.).
Y que los elementos antes mencionados se encuentren configurados en forma de circuito de tal manera que la señal de control es transmitida al elemento final de control para ajustar el proceso a un punto de consigna dependiendo de la magnitud del estímulo generado por el proceso tal y como se puede apreciar en la Figura No. 2.8 Lazo de Control Cerrado.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 21
2.3 MEDICIÓN DE NIVEL
Dentro de los procesos industriales la medición y el control de nivel se hace necesario cuando se pretende tener una producción continua, cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando un proceso requiere del control, y medición de volúmenes de líquidos ó bien en el caso más simple, para evitar que un líquido se derrame.
La medición de nivel de líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirse en un problema más o menos difícil.
El control de nivel entre dos puntos, uno alto y otro bajo, es una de las aplicaciones más comunes de los instrumentos para controlar y medir el nivel, los niveles se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos de caída de presión, eléctricos y electrónicos.
A nivel industrial la medición de nivel tiene un papel sumamente importante, tanto desde el punto de vista del correcto funcionamiento del proceso como el balance adecuado de materias primas, o productos finales.
El transmisor o varios transmisores pueden conectarse a través de una conexión punto-punto, a una computadora personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisiones inteligentes. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas y que se estudiaran separadamente por sus peculiaridades y las aplicaciones particulares de que son objeto. [3]
2.3.1 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 22
Los métodos de medición directa se dividen en:
Sonda.
Cinta y plomada.
Nivel de cristal.
Instrumentos de flotador.
Los métodos de medición indirecta se dividen en:
Método por medidores actuados por desplazadores.
Método de medidores actuados por presión hidrostática.
Método de diafragma-caja.
Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:
Medidor manométrico.
Medidor de membrana.
Medidor de tipo burbujeo.
Medidor de presión diferencial de diafragma.
Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en:
Medidor resistivo.
Medidor conductivo.
Medidor capacitivo.
Medidor ultrasónico.
Medidor de radiación.
Medidor de láser.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 23
Figura No. 2.1 Sensores de Nivel.
En la figura 2.1 se muestra una idea general de lo que es una medición de nivel de líquidos, para tener una idea general de instalación, la forma de sensar el de nivel y de los posibles instrumentos que se pueden encontrar en el mercado.
También se pueden observar los medidores de nivel de líquido que pueden operar midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido. [4]
2.4 SENSOR
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 24
Sensores internos: sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot, que dan información del estado del robot: fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las articulaciones.
Sensores externos: dan información del entorno, alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se utilizan para guiado para identificación y manipulación de objetos. [5]
2.5 TRANSMISOR
Un transmisor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. [5]
2.5.1 TRANSMISOR DE NIVEL ULTRASÓNICO
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSMISOR DE NIVEL
ULTRASÓNICO
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 25
El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de nivel se muestra de una manera muy clara en la figura No. 2.2, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto o superficie y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos.
Figura No. 2.2 Funcionamiento de un transmisor ultrasónico.
La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo costo se basan en la emisión de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula.
� = � � Ec. (2.1) En donde:
V=la velocidad del sonido en el aire (343 m/s)
T =al tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso. [6]
MEDICIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDO
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 26
El sensor emite pulsos de sonido de alta frecuencia por segundo, cada pulso se desplaza por el espacio de aire, refleja en la superficie del líquido y vuelve al transductor.
Realizando compensación de temperatura, la electrónica calcula el intervalo de tiempo de la transmisión y retorno de la señal, traduciendo en una distancia de medición basada en la velocidad del sonido.
La tecnología sin contacto de nivel ultrasónico tiene buen desempeño en ambientes agresivos, requiere poco o ningún mantenimiento y proporciona una mayor fiabilidad y exactitud que otros dispositivos que funcionan en contacto con el líquido.
[6]
FACTORES QUE AFECTAN LA MEDICIÓN EN TRANSMISORES
ULTRASÓNICOS
A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen factores inherentes tanto a los ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una forma determinante en las medidas realizadas.
Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes de incertidumbre que afectan a las medidas para poder tratarlas de forma adecuada, minimizando su efecto en el conocimiento del entorno que se desea adquirir.
Los factores que se pueden presentar en una lectura de medición de nivel se enlistan a continuación:
El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene forma cónica.
El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la presencia del objeto más cercano que se encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún momento la localización angular del mismo.
La velocidad del sonido en el líquido varía con la temperatura.
La presencia de espuma en la superficie del líquido.
La turbulencia extrema en el seno del líquido y el movimiento en la superficie del líquido.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 27
Las burbujas de gas o vapor existentes y los sedimentos en el fondo. [7]
En la siguiente figura se pueden apreciar los factores que se pueden presentar en una lectura de medición de nivel.
Figura No. 2.3 Factores que afectan la medición de Nivel
Los factores ambientales tienen una gran repercusión sobre las medidas las ondas de ultrasonido se mueven por un medio material que es el aire; la densidad del aire depende de la temperatura, influyendo este factor sobre la velocidad de propagación de la onda según la expresión:
� = √ + �7 Ec. (2.2)
Dónde:
Vs = La velocidad de propagación de la onda sonora a 0 ºC (331,5 m/s).
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 28
Un factor de error muy común es el conocido como falsos ecos. Estos falsos ecos se pueden producir por razones diferentes: Puede darse el caso en que la onda emitida por el transductor se refleje varias veces en diversas superficies antes de que vuelva a incidir en el transductor (si es que incide).
Este fenómeno, conocido como reflexiones múltiples, implica que la lectura del sensor evidencia la presencia de un obstáculo a una distancia proporcional al tiempo transcurrido en el viaje de la onda; es decir, una distancia mucho mayor que a la que está en realidad el obstáculo más cercano, que pudo producir la primera reflexión de la onda.
Otra fuente más común de falsos ecos, conocida como crosstalk, se produce cuando se emplea un cinturón de ultrasonidos donde una serie de sensores están trabajando al mismo tiempo.
Figura No. 2.4 Error por crosstalk.
2.6 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 29
A todas estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal. Por ejemplo, la salida de un sensor ultrasónico de nivel es una pequeña señal de corriente de unos cuantos miliampers. Por lo tanto, es necesario utilizar un módulo acondicionador de señal para modificar dicha salida y convertirla en una señal de voltaje de tamaño adecuado, contar con un medio lograr una linealización, etc. [1.0]
Figura No. 2.5 proceso de acondicionamiento de señal.
SEÑAL ACONDICIONADA PARA UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
El objetivo del acondicionador de señal es generar, a partir de lo obtenido por los transmisores una señal que sea aceptable por las tarjetas de adquisición de datos. Las tarjetas de adquisición de datos suelen admitir niveles de tensión que van entre unos márgenes determinados: -10V a 10V, 0 a 10V, 0 a 5V aunque también se puede amplificar la señal si ésta es muy pequeña o viceversa, si es muy grande se puede reducir, también se puede acondicionar por si tiene mucho ruido pero este tema será analizado más adelante.
Las funciones principales que va a tener que realizar el acondicionador de señal son las Siguientes:
Transformación.
Conversión.
Filtrado
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 30
Ya obteniendo la señal acondicionada se procede a ingresar la señal de salida del transmisor a la tarjeta de adquisición de datos lo cual nos permitirá trabajar en el control del proceso, continuación se explica para qué sirve la tarjeta antes mencionada. [2.0]
2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Se
requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).
2.8 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS
Un sistema de adquisición de datos (DAQ) es cualquier sistema que permita capturar (leer, medir) datos, almacenarlos, procesarlos y exhibirlos en alguna forma. Las partes que conforman un DAQ típico son:
Transductores que transforman las variables físicas a medir en señales eléctricas.
Transmisores que envían la señal que capta el transductor.
Canales analógicos para la recepción de las señales de los transmisores.
Un convertidor analógico digital para digitalizar las señales analógicas.
Canales digitales de entrada.
Canales digitales de salida.
Canales analógicos de salida.
Contadores/Temporizadores.
Un circuito de control para manejar las partes anteriores.
Una interfaz para computadora.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 31
Una parte fundamental en todo sistema de adquisición de datos es el elemento encargado de percibir la magnitud a medir; el sensor es el principio del sistema de adquisición; las características de los sensores se definieron en el punto 2.3; el siguiente punto que se abordara el elemento que se encarga de adquirir las señales.
2.8.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
El último paso en un sistema de adquisición de datos son las tarjetas de adquisición de datos encargadas de:
Las conversiones de señales desde analógica a digital. ADC.
La comunicación con el ordenador.
Partes de la tarjeta de adquisición de datos.
Podemos dividir la arquitectura de la tarjeta en las siguientes partes:
Módulo de control.
Módulo de adquisición de señales analógicas.
Módulo de entradas y salidas digitales (I/O).
Módulo de salidas de potencia.
Fuente de alimentación.
Entre las características más relevantes de una tarjeta de adquisición de datos están:
Número de canales analógicos.
Velocidad de muestreo.
Resolución.
Rango de entrada.
Capacidad de temporización.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 32
Número de canales analógicos: Nos indica la cantidad de magnitudes distintas que podemos adquirir con la misma tarjeta. Generalmente las tarjetas disponen de un único ADC y los diferentes canales se generan por medio de un multiplexor analógico.
Velocidad de muestreo: Cuanto mayor sea la velocidad de muestreo mejor representación obtendremos de la señal analógica, en cualquier caso la velocidad de muestreo debe ser siempre mayor que el doble de la frecuencia de la señal que queremos muestrear.
Resolución: Viene dada por el número de bits del ADC que se utilizan para representar cada muestra, a mayor número de bits del ADC la tarjeta será capaz de detectar variaciones menores en la señal. El número de distintos niveles en que se divide la señal a convertir viene dado por 2n siendo n la longitud de palabra del convertidor.
Rango de entrada: Indica los márgenes entre los que debe estar la señal de entrada para que pueda ser convertida. Las tarjetas de adquisición de datos suelen dar varias posibilidades que se pueden seleccionar por hardware o por software.
Estas 4 características vienen a determinar la capacidad y la precisión de la tarjeta de adquisición:
A mayor número de canales >>> Mayor capacidad.
A mayor velocidad de muestreo >>> Mayor capacidad
A mayor resolución >>> Mayor precisión.
A menor rango de entrada >> Mayor precisión, ya que se con los mismos bits de resolución.se tendrá que representar un menor rango. [17]
Para obtener datos digitales a partir de señales analógicas, la señal debe ser muestreada, esto significa tomar el valor instantáneo de la señal en un momento determinado. Para una señal continua, las muestras se toman a intervalos regulares, generalmente con un periodo de muestreo fijo entre medidas.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 33
Una vez finalizadas las características del sistema de adquisición de datos se describirán los elementos finales de control como bombas o electroválvulas.
2.9 BOMBAS
Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento, son conocidas de diversas formas, dependiendo de la manera en que se registró su descripción, como las ruedas persas, ruedas de agua o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento.
Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse en presión estática.
Puesto que las bombas han existido por tanto tiempo y su uso está tan extendido, no es de sorprenderse que se produzcan en una infinidad de variedades de tamaños y tipos y que se apliquen también a una infinidad de servicios. Proporcionando un trabajo comprensible de algunos tipos de estas bombas.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 34
2.9.1 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS
En la Figura No.2.6 se puede observar una clasificación general del tipo de bombas con las que contamos actualmente, cada una de ellas con características y propósitos de operación diferentes.
Figura No.2.6 clasificación de bombas.
2.9.1.1 CLASIFICACIONES DE BOMBAS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Y SUS
APLICACIONES
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO O VOLUMÉTRICO
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 35
Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un
tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).
Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.
Por mencionar algunas:
Bombas de émbolo alternativo: en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.
Bombas volumétricas rotativas: en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.
[9]
Bombas de presión dinámica:
Éstas imparten velocidad y presión al fluido en la medida que éste se desplaza por el impulsor de la bomba, el cual gira a altas revoluciones, convirtiendo así la velocidad del fluido en energía de presión.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 36
razón de esto es que, a los fines de la Ingeniería Civil, las Bombas de Presión Dinámica o Bombas Centrífugas son por lo general el tipo seleccionado para las aplicaciones prácticas. En la siguiente figura se presenta la imagen de una Bomba Centrífuga.
Por mencionar algunas:
Radiales o centrífugas: cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales: cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helico-centrífugas: cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete. [9]
2.9.1.2 SEGÚN SU ACCIONAMIENTO
Además de clasificarse desde el punto de vista de su funcionamiento, se puede encontrar otra clasificación y esta hace referencia al accionamiento, es decir el elemento que le brinda la fuerza mecánica; desde este punto de vista las bombas se pueden dividir en las siguientes:
Motobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de combustión interna.
Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.
Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria.
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2.10 VÁLVULA
Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente dos mecanismos:
Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable).
Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases).
De los diversos elementos finales de control, el de más amplia difusión es la válvula automática con actuadores neumáticos o eléctricos.
La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto de un actuador. Constituye el elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones industriales.
Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente transformada en una de tipo neumática que incide el cabezal.
Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes:
Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.
Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 38
Fig. No 2.7 elemento final de control como un elemento en serie.
Desde el punto de vista estático el actuador es moderadamente lineal y la dinámica más significativa es la de llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los segundos. El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo como se verá.
[10]
2.10.1 VÁLVULA DE SOLENOIDE
Es dispositivo operado eléctricamente variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina) y es utilizado para controlar el flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente cerrada. Al circular la corriente por el solenoide genera un campo magnético que atrae el émbolo móvil, al finalizar el efecto del campo magnético, el embolo vuelva a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar.
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Capítulo 3
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3.0 INTRODUCCIÓN
Para el diseño del módulo de entrenamiento se consideraron aspectos relacionados con el tiempo de llenado y vaciado de los tanques, el espacio que existe en los laboratorios, los servicios con los que se cuenta (instalación eléctrica, agua), además se consideró que un grupo promedio (con 30 alumnos) pueda realizar una sesión de prácticas en una clase de 1 hora y media, suponiendo que por lo general se forman equipos de 4 o 5 personas para desarrollar prácticas, se consideró que cada equipo de alumnos tendra alrededor de 15 minutos o mas dependiendo del responsable acardo de la realizacion de las practicas, para hacer una práctica con el módulo y quedará algo de tiempo para que el profesor retroalimente a los alumnos resolviendo dudas que pudiesen surgir a lo largo de la sesión y hacer referencia a lo que les aporta en las aulas.
ESPACIO DE TRABAJO
Haciendo un levantamiento del laboratorio de instrumentación, ubicado en Laboratorios Pesados I de ESIME ZACATENCO con dimensiones aproximadas de 7m X 10m, reduciendo el área de trabajo, es decir, mesas para prácticas, anaquel de stock de material, prototipos de instrumentación, área de pizarra, etc.
Por lo tanto el espacio para colocar el sistema “Diseño e implementación de un módulo de entrenamiento aplicado al monitoreo y manipulación de nivel” se reduce considerablemente, por lo
cual se propone realizar con las siguientes características
El sistema a diseñar no debe de exceder las siguientes medidas: 1 m de longitud de 50 cm de ancho y 1 m de altura.
El material con que se realizaran los contenedores, debe de ser resistente y trasparente para visualizar el comportamiento de llenado de los contenedores.
Una vez contemplado el espacio, condiciones de operación y características de funcionamiento del sistema a escala, se ubicara el lugar más idóneo donde se instalara el proyecto.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 41
El tiempo de realización de práctica le corresponde en este caso al instructor y el grado de complejidad de la práctica, por ende los tiempos de realización pueden variar aleatoriamente.
El único dato que se puede ofrecer a ciencia cierta es el traspaso de líquido de un contenedor a otro. El tiempo promedio es de 5 minutos con 30 segundos
COMO ES EL LLENADO Y VACIADO DEL TANQUE.
Para el diseño de este sistema en particular, se contempló que el llenado y vaciado de este sistema deben de ser manuales. Como se trata de un sistema de simulación de un proceso de medición de nivel a escala y pensando en el problema de contaminación actualmente y a la vez pensando en el tema de reutilización el líquido a sensar será agua (H O).
Ya que el sistema está pensado en tres contenedores, perfectamente se pueda hacer la manipulación y manejo del líquido vital dentro de los diferentes contenedores, está claro que llegara un determinado tiempo donde se tenga que sustituir este líquido en uso, por liquido limpio. Pero se hace la notación que se deberá hacer
Teniendo en cuenta lo antes mencionado se buscaron los elementos adecuados con los cuales al interconectarlos poder mostrar el funcionamiento de tal módulo, y cumplir con la condicion que se propuso en el párrafo anterior, entre los elementos que se requirieron por mencionar algunos se encuentran los siguientes:
3 Bombas para el llenado y vaciado correspondiente del fluido a sensar.
2 Válvulas para poder direccionar el flujo del fluido.
Interface gráfica para poder observar el compartamiento del sistema de medición.
Tarjeta de adquisicion de datos para poder tratar las señales de corriente del transmisor y realizar la programación necesaria.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 42
Sensor para que mida el nivel del fluido y realiza la secuencia adecuada de acuerdo a una previa programacion.
3 Tanques contenedores
Etc.
Se propuso esta configuracion ya que para fines practicos, resulta ser una simulacion practica, que se adecua a tiempos de operación cortos, ya que se puede hacer mucho mas complejo el sistema de funcionamiento, pero cabe mencionar que el sistema propuesto es con fines practicos y de enseñanza por eso se elaboro un sistema tipo escala, para que pudieran visualizar todas las etapas que conforman el proceso.
Figura 3.0 Diagrama del proceso.
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Para inyectar las sustancias se necesitó de dos bombas las cuales se instalaron en los tanques secundarios y una tercer bomba se instaló en el tanque principal para extraer el producto de la mezcla que se llevo a cabo, en el siguiente parrafo se describe a detalle lo que se menciono anteriormente.
Partiendo de la interfaz gráfica se tiene el medio de intercambio de datos de entrada y salida el cual se conecta a circuitos de potencia y acoplamiento, a su vez se envian señales de activacion por medio de las salidas digitales a los elementos finales de control y se recive la medicion del sensor por medio de los canales analogicos.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 44
Figura No. 3.1 Diagrama de Tubería e Instrumentación del módulo.
LIC-100: Controlador e indicador de nivel LCV-100: Válvula de control de nivel 100-PPAL. Tanque principal
100-SEC 1. Tanque secundario 1 100-SEC 2. Tanque secundario 2
½”-DA-100-P-T : Tu e ía de ½” de poli lo u o de vinilo lo ado pa a des a ga de tan ue p in ipal y dirigido hacia los tanques secundarios 1 y 2
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 45
3.1 CONTENEDORES
Para la configuración de los contenedores se consideró que un equipo de alumnos debe hacer una práctica en un tiempo aproximado de 15 minutos, con base a eso y al tiempo (el tiempo depende de la complejidad de la práctica a realizar, es decir, llenar al 100% de solución el tanque, llenarlo al 50%, solo por mencionar ejemplos.) el que los contenedores se pueden vaciar o llenar, se llegó a la siguiente propuesta: para la implementación del módulo se requirieron tres contenedores con un volumen de 32000 cm3 (32 litros) ya que indagando a nivel práctico y revisando otros trabajos se
optó por sacar un promedio de dimensiones de contenedores de soluciones acuosas y se llegó a la conclusión de que 32 litros de agua son suficientes para fines prácticos, y así no desperdiciar este líquido vital, para poder tener el volumen antes mencionado los tanques se construyeron con base al esquema que se muestra a continuación:
Figura No. 3.2 Diseño final de los tanques
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 46
Espesor 8mm
Resistencia a la presión 1000 N/mm2
Visibilidad del comportamiento del líquido a sensar
Costo-Beneficio
Con dichas características se puede asegurar que los contenedores diseñados podrán soportar la presión que ejerce el contenido sobre el fondo del tanque ya que dicha presiones igual al 7848 N/m2
este valor viene dado por la siguiente fórmula:
� = ��ℎ Ec. (3.1)
Teniendo los siguientes valores:
I. �=densidad del agua (1000 kg/m3)
II. g=constante de aceleración de gravedad (9.81 m/s2)
III. h=altura del tanque (0.80m)
Con esos valores se obtiene una presión de 7848 N/m2
Conociendo que el vidrio resiste una presión de 1000 N/mm2 y que la presión que el agua ejerce en
el fondo del tanque es de 7848 N/m2 se puede asegurar que el vidrio resistirá la presión del agua. [11]
El procedimiento para armar los tanques fue el siguiente:
A. Se cortaron las 5 caras que se necesitaron para armar el tanque. B. Se unió con silicón acrílico las caras que formaron el tanque. C. Se dejó secar 24 horas el silicón colocado para sellar el acrílico.
D. Se aplicó una segunda capa de silicón para sellar completamente las uniones entra las 5 caras.
E. Se realizaron dos barrenos de ¼” uno sobre una cara en el fondo del tanque y el otro en la
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 47
Figura No. 3.3 Ubicación de los barrenos.
Después de que se barrenaron los tres tanques se les aplicó de nuevo sellador acrílico para asegurar que estuvieran bien sellados.
El sellador acrílico se seleccionó debido a sus características físicas:
Excelente acción penetrante
Excelente duración
Excelente para repeler el agua
Altamente resistente a la alcalinidad
Muy resistente a la fricción
Excelente resistencia a los rayos UV. [12]
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 48
Figura No. 3.4 Tanques terminados.
Al terminar con el armado de los tanques se comenzó a fabricar la base donde se colocaron los tanques. Para dicha base se necesitaron los siguientes materiales:
Perfil tubular de 1”
Tubo de metal de ¾”
Perfil tipo media Z
Para la base se colocaron los tanques se fabricó con perfil tipo media z un marco de1.00 m de largo por 24 cm de ancho como se muestra en la Figura No. 3.5.
Figura No. 3.5 Base de los tanques.
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superior de los contenedores, dicho cinturón se fijó a cada esquina de la base con el tubo de metal, además se colocaron separadores tanto en la base como en el cinturón para que los huecos de los contenedores quedarán lo más justos posibles.
En la Figura No. 3.6 se puede ver más detalladamente lo antes mencionado.
Figura No. 3.6 Base y cinturón de los tanques.
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Figura No. 3.7 Base con yugo de montaje para el sensor
Al terminar el yugo de montaje del sensor se soldaron y se pulieron todas las uniones, con efecto de disminuir las imperfecciones en dichas uniones se aplicó pasta y se lijo para darle una apariencia suave, se puede apreciar en la Figura No. 3.8 donde se puede ver con el sensor colocado en el sitio que se le destino.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 51
Ya que se lijaron y se dejaron lisas todas las imperfecciones se pintó la base de color blanco, se dejó secar un tiempo la pintura y se colocaron los tres tanques en su sitio, para evitar que se estuvieran moviendo los tanques se pegaron con silicón acrílico.
Figura No. 3.9 Diagrama de colocación de los tanques.
Acabados los tanques y la base para los mismos ahora se atacó el siguiente punto; conociendo que en los contenedores se va a almacenar agua y que es necesario transportarla entre los tanques, se seleccionó la mejor forma para poder movilizar dicho líquido.
3.2 TUBERÍAS
Para la intercomunicación de los tanques fue necesario buscar entre la gran gama de tuberías una que se adecuara a las necesidades del módulo a diseñar, de entre la clasificación se seleccionó la tubería de CPVC.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 52
Estas tuberías están disponibles en longitudes de 8 pies (2,4 m) y se unen entre sí mediante acoplamientos de CPVC, imprimación para PVC o cemento para PVC o CPVC. El CPVC es duradero y aceptado por las normas del código de construcción.
El CPVC se utiliza tanto en líneas de suministro de agua fría como caliente y puede soportar hasta 400 PSI, (equivalentes a 28,12 kg/cm2) de presión a temperatura ambiente y 100 PSI (7,03 kg/cm2)
cuando el agua se encuentra a 180ºF (82ºC). [13]
Además presenta otras características como las siguientes:
Resistencia a la corrosión del agua: El CPVC es altamente resistente a los ácidos, las soluciones hídricas de aluminio, las sales y los hidrocarburos alifáticos. También puede soportar aguas corrosivas a temperaturas más altas que el PVC convencional.
Flujo silencioso de agua: A diferencia de otras formas de tuberías de suministro de agua, la estructura polimérica del CPVC hace que el flujo de agua sea prácticamente silencioso. Además, los golpes de ariete (las bolsas de aire dentro de las tuberías que hacen ruido cuando golpean contra las uniones articuladas) prácticamente se eliminan. La condensación en la parte externa de las tuberías también se elimina gracias a la estructura polimérica del CPVC, lo que reduce problemas frecuentes relacionados a la condensación en líneas de agua metálicas. [13]
Por las características que requiere el módulo a diseñar se seleccionó, el diámetro de la tubería adecuado, además de la tubería se utilizaron algunos aditamentos los cuales se enlistan en seguida:
Tubería de ½” de diámetro
3 m de tubo CPVC de ½”
6 codos a 90° de½”
Unión T de ½”
4 Niples con rosca exterior de ¾”
4 Reducciones de ¾” a ½”
Pegamento CPVC
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Con el listado de material antes descrito se instaló la tubería para interconectar dichos tanques, en la Figura No. 3.10 se puede ver el diagrama conexión de las tuberías. Para el llenado del tanque central por medio de la bomba 1 y 3 que se encuentran en los respectivos tanques laterales.
Figura No. 3.10 Diagrama de tubería para llenado
Una vez que se contempló la tubería para llenar el tanque central se comenzó a instalar la tubería para la descarga del tanque central, en la imagen que se presenta la Figura No. 3.11 se puede apreciar de una manera mas visible la tuberia a diseñar. (¿CONSIDERARON POTENCIA Y FLUJO DE LA BOMBA?)
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 54
Todas las uniones fueron previamente lijadas y limpiadas para garantizar una buena unión entre los dos elementos, al terminar la instalación se realizó una pruebas de presurización con un compresor neumático para ver si existía alguna fuga y evitar futuras filtraciones en el diseño del sistema de sensado de nivel, la prueba no mostró señales de fuga o ruptura en alguna punta o unión. A continuación se pueden ver las tuberías instaladas; sin la instalación de las válvulas.
Figura No. 3.12 Tubería instalada sin válvulas.
Ahora bien al haber terminado el armado de la base y los tanques se comenzó con la selección del elemento primario de medición, a continuación se hablara acerca de los parámetros de selección y las características de dicho elemento.
3.3 SENSOR ULTRASÓNICO
El sensor de nivel ultrasónico es un elemento indispensable para los sistemas que requieren mantener la medición constante de algún fluido sin estar en contacto con el mismo y al mismo tiempo aprovechar la señal que envía para realizar acciones de control sobre el nivel.
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 55
Un sistema con precisión.
Un sistema que no esté en contacto directo con la sustancia a medir.
Un sistema que pueda compensar variaciones analógicas con códigos de programación.
Un sistema donde se pueda visualizar el proceso de censado eficazmente.
Conociendo estas características fundamentales del proceso se seleccionó como hardware al sensor ultrasónico para censado de nivel “Prosonic T FMU 230”.
El sensor Prosonic T funciona por medio de pulsos ultrasónicos que los transmite en la dirección de la superficie del producto, mide el tiempo t entre la transmisión y la recepción de impulsos y la refleja en la distancia entre en instrumento y la superficie del producto. El instrumento utiliza el tiempo t (y la velocidad de sonido c) para calcular la distancia D entre la membrana del sensor y la superficie del producto. [14]
� = ∗ / Ec. (3.2)
3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR
Entre las características más importantes del sensor y las razones por las cuales se seleccionó el sensor FMU 230 son las siguientes:
A. Alimentación: 12-36 Vcd B. Salida: 4 a 20 mA
C. Alarmas configurables: 3.8mA, 22mA. D. Actualización de la salida: 0…255ms
E. Límite superior de medición: 0.25m F. Potencia: 0.8w
G. Resolución: 3mm
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 56
En la Figura No. 3.13 se puede ver un esquema de las distancias más relevantes las cuales fueron de consideración en la selección del sensor.
Figura No. 3.13 Función y diseño del sistema.
Dónde:
E: distancia del sensor al fondo del tanque
F: Spam (distancia total a medir)
D: Distancia de la membrana del sensor - superficie del producto. FMU 230
L: Nivel.
BD: Distancia de bloqueo. (0.25m). [14]
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 57
Figura No. 3.14 Diagrama de conexión del sensor
Una vez que se seleccionó el sensor se comenzó a trabajar con el acondicionamiento de la señal de salida del sensor.
3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR
Como antes se había mencionado el sensor nos entrega una señal de salida de 4 a 20 mA lo cual es un problema ya que la tarjeta de adquisición de datos que se seleccionó solo acepta voltaje en las entradas analógicas, es por eso que se buscó la forma de convertir esa señal de corriente en voltaje y así poder conectar el sensor con la tarjeta de adquisición de datos.
Entre la gran variedad de opciones para convertir corriente en voltaje se seleccionó la opción más congruente y económica, la cual consta del uso de la ley de ohm y tenemos como resultado una resistencia.
