Diseño e implementación de un medidor de flujo de aire para el banco de motores de combustion interna

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(1)DIS EÑO E IMPLEMENTACION DE UN MEDIDOR DE FLUJO DE AIRE PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUS TION INTERN A. Andrés Felipe Fonseca Flórez. Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C. 2007.

(2) DIS EÑO E IMPLEMENTACION DE UN MEDIDOR DE FLUJO DE AIRE PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUS TION INTERN A. Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero M ecánico. Andrés Felipe Fonseca Flórez. Profesor Asesor Rafael Beltrán Pulido Ing. Mecánico M.S c.. Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C. 2007.

(3) Tabla de contenido 1. Justificación .................................................................................................................... 1. 2. Objetivos......................................................................................................................... 1 2.1 Objetivos Principales .............................................................................................. 1 2.1.1 Primer objetivo principal ................................................................................ 1. 3. 2.1.2. Segundo objetivo principal............................................................................. 2. 2.1.3. Tercer objetivo principal................................................................................. 2. 2.2 Objetivos específicos .............................................................................................. 2 M arco teórico.................................................................................................................. 3 3.1 El motor de combustión interna.............................................................................. 3 3.1.1 Los cuatro ciclos del motor de combustión interna ........................................ 3 3.1.2. Flujo de aire promedio de un motor ............................................................... 5. 3.2 M edición de caudal................................................................................................. 6 3.2.1 Tipos de medidores ......................................................................................... 7 3.2.2. Ecuaciones para la medición de flujos y caudales ........................................ 10. 3.2.3. Aspectos específicos a tener en cuenta en la aplicación para motores de. combustión interna........................................................................................................ 12 3.2.4. M edidores adecuados para la aplicación en motores combustión interna.... 13. 3.3 Dispositivos electrónicos ...................................................................................... 13 3.3.1 Transductores de presión.............................................................................. 14. 4. 3.3.2. M icroprocesadores........................................................................................ 15. 3.3.3. Pantalla LCD ................................................................................................ 15. Experimentación ........................................................................................................... 16 4.1 Diseño y fabricación de las boquillas tipo ISA1932 ............................................ 17 4.2 Cálculo del tanque de compensación.................................................................... 23 ® 4.3 Simulación en ANSYS CFX para el flujo en las boquillas ............................... 24 4.4 Instalación de las boquillas en el tanque de compensación .................................. 28 4.5 Instalación y calibración de componentes electrónicos ........................................ 31 4.5.1 Adquisición de datos a través de un transductor de presión......................... 31 4.5.2. Implementación de un amplificador de instrumentación.............................. 33. 4.5.3. Conversión análogo-digital........................................................................... 34. 4.5.4. Curvas de calibración Caudal – Voltaje ....................................................... 34. 4.5.5. Programación del microcontrolador ATM EL ATmega16 ........................... 37.

(4) 4.5.6. Conexión del LCD ........................................................................................ 39. 5. 4.6 Toma de datos....................................................................................................... 40 Análisis de resultados y recomendaciones ................................................................... 42. 6. Conclusiones ................................................................................................................. 43. 7. Referencias ................................................................................................................... 45. 8. Anexos .......................................................................................................................... 47.

(5) Tabla de Figuras Figura 1. Volumen ocupado por el aire señalado por la línea de carrera en el ciclo de admisión.................................................................................................................................. 6 Figura 2. M edidor de orificio.................................................................................................. 7 Figura 3. M edidor de tobera o boquilla .................................................................................. 8 Figura 4. Geometría de un medidor ISA1932 ........................................................................ 9 Figura 5. M edidor Venturi.................................................................................................... 10 Figura 6. Grafico para encontrar el valor d C ....................................................................... 12 Figura 7. Transductor piezoeléctrico diferencial .................................................................. 14 Figura 8. M icrocontrolador de 16 bits .................................................................................. 15 Figura 9. Pantalla de cristal líquido de 16 caracteres en 2 líneas ......................................... 16 Figura 10. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0315m de diámetro .................. 19 Figura 11. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0315m de diámetro .................. 19 Figura 12. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0315m de diámetro .................. 20 Figura 13. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0315m de diámetro .................. 20 Figura 14. (a) Boquilla con un diámetro interno de 0,0315m, (b) boquilla con un diámetro interno de 0,0395m, (c) boquilla con un diámetro interno de 0,053m, (d) boquilla con un diámetro interno de 0,065m .................................................................................................. 21 Figura 15. (a) Boquilla con diámetro interno de 0,0315m, (b) boquilla con diámetro interno de 0,0395m, (c) boquilla con diámetro interno de 0,053m, (d) boquilla con diámetro interno de 0,065m ............................................................................................................................. 22 Figura 16. A gujero de medición de 4mm. También se puede observar la rosca para acoplar la boquilla al tanque de compensación. ................................................................................ 23 Figura 17. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,0315m de diámetro ................................................................................................................................ 24 Figura 18. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,0395m de diámetro ................................................................................................................................ 25 Figura 19. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,053m de diámetro ................................................................................................................................ 26.

(6) Figura 20. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,063m de diámetro ................................................................................................................................ 27 Figura 21. Diseño del anillo roscado para el acople de las boquillas ................................... 28 Figura 22. Anillo roscado para el acoplamiento de las boquillas ......................................... 29 Figura 23. Vista ampliada de la rosca del anillo................................................................... 29 Figura 24. Boquilla instalada en el tanque............................................................................ 30 Figura 25. Vista superior de la boquilla instalada en el tanque ............................................ 30 Figura 26. Transductor diferencial de presión M PX2010DP............................................... 32 Figura 27. Curva original de calibración para el transductor MPX2010DP......................... 32 Figura 28. Curva de calibración para el transductor M PX2010DP con una fuente de 5V... 33 Figura 29. Amplificador de instrumentación........................................................................ 34 Figura 30. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,0315m de diámetro................... 35 Figura 31. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,0395m de diámetro................... 36 Figura 32. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,053m de diámetro..................... 36 Figura 33. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,065m de diámetro..................... 37 Figura 34. M ontaje del circuito para el instrumento de medición ........................................ 39 Figura 35. Diagrama de conexión de la pantalla LCD ......................................................... 39 Figura 36. M ontaje del medidor de flujo de aire en un vehiculo común.............................. 40 Figura 37. Representación de los datos de caudal en Litros por segundo en la pantalla LCD .............................................................................................................................................. 41 Figura 38. Primera corrida de toma de datos ........................................................................ 41 Figura 39. Segunda corrida de toma de datos....................................................................... 42.

(7) 1 Justificación Como parte importante de un banco de pruebas de motores, es necesario tener toda la instrumentación requerida para entender el funcionamiento de un motor de combustión interna. Es por esto que continuamente se ha venido mejorando el banco de pruebas de motores del Laboratorio de Ingeniería M ecánica, agregando cada vez piezas fundamentales que aportan a su desarrollo como herramienta y que en algún momento serán útiles para el desarrollo integral de proyectos futuros relacionados con el tema. En este trabajo se busca diseñar y construir una herramienta que es básica para la medición de una de las variables principales de un motor, el flujo de aire que consume para su marcha, que en este momento solo se puede obtener por aproximaciones teóricas, empíricas o por medio de una serie de pasos engorrosos en los que esta comprometida la precisión de la medición por la incertidumbre. Pero básicamente, no tiene forma de ser obtenido con datos experimentales confiables tomados de cada motor con posibilidad de ser montado en el banco. Para poder desarrollar el proyecto se han propuesto los objetivos que se encuentran en el numeral 2 de este documento.. 2 Objetivos. 2.1 Objetivos Principales. 2.1.1 Primer objeti vo principal Diseñar un medidor de flujo que sirva para motores de gasolina y diesel que estén entre los 30 y los 300 caballos de fuerza.. 1.

(8) 2.1.2 Segundo objeti vo principal M odelar el medidor para comprobar que el flujo de aire es suficiente para cada motor.. 2.1.3 Tercer objeti vo principal Construir el medidor y ponerlo en funcionamiento con el motor que se encuentra actualmente en el banco de motores del Laboratorio de Ingeniería M ecánica.. 2.2 Objetivos específicos •. Calcular el flujo de aire necesario para motores de diferentes potencias. •. Diseñar las boquillas que se deben usar dependiendo del flujo de aire necesario.. •. Diseñar el tanque de almacenamiento de aire del medidor. •. Calcular y estimar el vacuómetro apto para este trabajo. •. M odelar el flujo de aire que pasa a través de las boquillas en ANSYS CFX. •. Adquirir el tanque de almacenamiento de aire. •. Construir las boquillas para cada rango de motores. •. Calibrar el vacuómetro. •. Instalar los acoples, manómetros y demás accesorios necesarios. •. Realizar una toma de datos a partir del motor de un vehiculo convencional. 2.

(9) 3 Marco teórico. 3.1 El motor de combustión interna El motor de combustión interna ha s ido una fuente de energía motriz conveniente que ha existido por más de 100 años, que ha continuado bajo permanente investigación para mejorar su funcionamiento y que mueve el 99% de los vehículos del mundo. Es por esto que tiene tanta importancia en el mundo moderno, donde aun después de tener tanto tiempo de existencia, es uno de los dispositivos más usados en la actualidad. El propósito de un motor de combustión interna es producir energía mecánica a partir del uso de la energía química. Esto se logra usando un combustible que al ser mezclado con aire y luego expuesto a una chispa o a alta compresión, según el tipo de motor, se enciende produciendo un empuje que se transmite sobre las piezas del motor que generan el movimiento. Por lo tanto, los fluidos de trabajo del motor en este caso son el aire, el combustible y los gases el producto de la combustión. Los motores que generan la combustión a través de una chispa son llamados motores Otto o de gasolina; los motores que usan alta compresión para hacer la combustión son llamados motores diesel, gracias al nombre de su creador.. 3.1.1 Los cuatro ciclos del motor de combustión interna La mayoría de los motores de combustión interna funcionan a través del principio del émbolo reciprocante, deslizándose dentro de un cilindro hacia arriba y hacia abajo, transmitiendo fuerza a través de una biela a un cigüeñal. Para generar esta fuerza, se valen de la energía liberada por la combustión de la gasolina que se encuentra en la parte superior del cilindro, sobre el émbolo. El funcionamiento del motor de combustión interna comienza cuando el émbolo o pistón se desplaza alternativamente dentro del cilindro, gracias al esfuerzo aprovechado en el tiempo de combustión; convirtiendo el movimiento lineal en. 3.

(10) rotativo gracias al cigüeñal. Al analizar el movimiento del émbolo se puede identificar una secuencia de funcionamiento que indica cuatro pasos entre los que se genera la combustión y se retiran los residuos. Esta secuencia incluye los siguientes cuatro ciclos de operación.. 3.1.1.1 Admisión En esta etapa de la secuencia, se induce una mezcla de aire y combustible a la cámara de combustión. Al inicio de este tiempo el pistón se encuentra en el lugar llamado punto muerto superior, que es la distancia máxima a la que llega en su recorrido hacia la parte superior. En este momento la válvula de admisión se encuentra abierta y el pistón, en su carrera o movimiento hacia abajo va creando un vacío dentro de la cámara de combustión a medida que alcanza el punto muerto inferior, debido al propio movimiento que por inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra funcionando. El vacío que crea el pistón en este tiempo, provoca que la mezcla aire-combustible que envía el carburador al múltiple de admisión penetre en la cámara de combustión del cilindro a través de la válvula de admisión abierta.. 3.1.1.2 Compresión En este ciclo se busca elevar la temperatura de la cámara para que haya un mejor aprovechamiento de la mezcla en el siguiente ciclo. Una vez que el pistón alcanza el punto muerto inferior, la válvula de admisión que permite la entrada de la mezcla airecombustible penetre en el cilindro se cierra. En ese preciso momento el pistón comienza a subir comprimiendo la mezcla de aire y gasolina que se encuentra dentro del cilindro, dejándola lista para el siguiente paso.. 4.

(11) 3.1.1.3 Combustión Luego de que el cilindro alcanza el punto muerto superior y la mezcla aire-combustible esta en su máximo nivel de compresión, salta una chispa, que en este caso es eléctrica, resultante del arco generado en el electrodo de una bujía, que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente y ese movimiento rectilíneo se transmite por medio de la biela al cigüeñal, donde se convierte en movimiento rotativo.. 3.1.1.4 Escape Al ser empujado por la explosión, el pistón baja hasta el punto muerto inferior y luego comienza a subir. En ese momento la válvula de escape se abre y los gases acumulados dentro del cilindro, producidos por la explosión, son arrastrados por el movimiento hacia arriba del pistón, atraviesan la válvula de escape y salen hacia la atmósfera por un tubo conectado al múltiple de escape.. 3.1.2 Flujo de aire promedio de un motor El flujo promedio de aire del motor depende de tres variables principales: la cantidad de aire que entra al motor, la frecuencia de entrada y el rango de tiempo en el que se quiere tomar el flujo. La cantidad de aire que entra al motor esta relacionada con el recorrido del pistón, también llamado carrera, que genera un volumen dentro de cada cilindro como se muestra en la Imagen 1. Este volumen es ocupado por aire durante el ciclo de admisión. Esto significa que por cada ciclo completado hay un consumo de aire específico para cada uno de los cilindros del motor. Al saber cuantos ciclos son completados en un determinado rango de tiempo, la cilindrada del motor, la cantidad de cilindros que tiene y el consumo realizado por ciclo para cada cilindro el flujo de aire promedio del motor se puede representar por la siguiente ecuación.. 5.

(12) QV =. Desplazamiento RPM prom * 1000 2. Donde desplazamiento es el tamaño del motor expresado en litros y RPM prom es el número de revoluciones por minuto promedio en las que trabaja un motor en funcionamiento normal.. Figura 1. Volumen ocupado por el aire señalado por la línea de carrera en el ciclo de admisión.1. 3.2 Medición de caudal La medición de velocidad y caudal en fluidos está basada en los principios relacionados con la ecuación de Bernoulli, de la cual se ha aprovechado el tema de la generación de diferencias de presión para calcular tales velocidades o caudales. Como en la ecuación de Bernoulli, estos dispositivos no tienen en cuenta efectos viscosos, de compresibilidad u otros efectos del mundo real, por lo que son considerados medidores de flujos ideales, aunque el uso en la vida real ha demostrado que son bastante precisos en fluidos conocidos con ciertas características específicas.. 1. MAYZ ACOSTA, Edgar. Conocimientos básicos del automóvil. [En línea]. [Consultado 28 de septiembre de 2007]. Disponible en <http://www.automotriz.net/tecnica/conocimientos-basicos -14.html>. 6.

(13) 3.2.1 Ti pos de medi dores Una forma efectiva de medir el caudal a través de una tubería es poner algún tipo de restricción en el interior de la tubería y medir la diferencia de presión entre la sección inicial que lleva baja velocidad y alta presión y la sección de la restricción donde se presenta una alta velocidad y baja presión. Dentro de los medidores de flujo con restricción se encuentran principalmente tres tipos: el medidor de orificio, el medidor de tobera o boquilla y el medidor venturi. La operación de cada uno esta basada en el mismo principio físico: un incremento de velocidad produce una disminución de presión en una sección.. 3.2.1.1 Medidor de orificio Un medidor de orificio (Imagen 2) es básicamente una lamina plana y delgada con un agujero en la mitad que se ubica dentro de la tubería con el flujo que se quiere medir. Cuando dicho flujo llega a la lámina, es forzado a pasar a través del agujero haciendo que su velocidad y presión cambien. Luego de cruzar por el agujero, el fluido se expande y vuelve a su velocidad y presión iniciales. La medición se puede lograr tomando la presión del fluido antes y justo después de pasar por el agujero y aplicando la ecuación de Bernoulli. En la práctica este es el medidor menos eficiente, pues por la forma en que se induce la diferencia de presiones, las perdidas por fricción en la presión final del fluido luego de cruzar por el orificio y la generación de turbulencias son considerables.. Figura 2. Medidor de orificio2. 2. MUNSON, Bruce Roy. Fundamentos de mecánica de fluidos. México: Limusa-Wiley, 1999, p. 141.. 7.

(14) 3.2.1.2 Medidor de tobera El medidor de tobera o boquilla utiliza el mismo principio que el medidor de orificio. La diferencia radica en que este tipo de medidor esta diseñado para que las perdidas por fricción y la formación de turbulencia se minimicen. Dentro de este tipo de medidores los más utilizados son los que llevan el nombre de ISA1932 (Imagen 4). Estos medidores fueron diseñados en 1932 por la International Federation of the National Standardizing Associations, conocida en la actualidad como la ISO. Con respecto a su geometría, la zona de reducción de área no es tan abrupta como la del medidor de orificio. En vez de solo tener un agujero, tiene una entrada redondeada que esta basada en relaciones del diámetro de la tubería y de la zona de reducción, haciendo posible que la fricción se reduzca considerablemente y que al finalizar la restricción las turbulencias sean controladas.. Figura 3. Medidor de tobera o boquilla3. 3. Ibid., p. 141.. 8.

(15) Figura 4. Geometría de un medidor ISA19324. 3.2.1.3 Medidor Venturi El medidor venturi es el más eficiente de los medidores que se basan en el principio de Bernoulli. Su geometría esta basada en el tubo venturi, diseñado para que el tubo vaya variando su geometría en una distancia considerable para evitar pérdidas por fricción y turbulencias. El tubo está diseñado de tal forma que se encuentren dos conos. El cono de entrada generalmente esta diseñado con un ángulo de 30°, mientras que el de salida esta hecho con un ángulo de 5°. Es por eso que puede decirse que es el medidor más eficiente, pues no hay cambios abruptos de geometrías, aunque es el más costoso en términos de construcción ya que necesita una alta precisión durante su maquinado.. 4. MILLER, Richard W. Flow measurement engineering handbook. New York: McGraw-Hill, 1983.. 9.

(16) Figura 5. Medidor Venturi5. 3.2.2 Ecuaciones para la medición de flujos y caudales Los dispositivos anteriormente mencionados se basan en la ecuación de Bernoulli, por lo tanto es necesario revisar esta ecuación para entender el concepto de que ocurre cuando se genera una diferencia de presión para calcular caudales y así el funcionamiento de dichos dispositivos. Asumiendo un flujo horizontal una de las formas en que se puede presentar la ecuación de Bernoulli es la siguiente. P1 +. ρ v1 2 2. + γz1 = P2 +. ρ v2 2 2. + γz 2. Debido a que el fluido va de forma horizontal se puede eliminar el tercer término de cada lado de la ecuación. P1 +. ρv1 2 2. = P2 +. ρv 2 2 2. Con perfiles de velocidad uniformes y la formula de caudal, se puede aplicar la ecuación de continuidad. 5. MUNSON, Op. cit., p 141. 10.

(17) Q1 = A1 v1 A1 v1 = A2 v 2 Q1 = Q2 Despejando v1 del término de la izquierda de la ecuación de continuidad. v1 = v 2. A2 A1. Luego aplicándola en la ecuación de Bernoulli y despejando para v2. v2 =. 2( P1 − P2 ) 2. A ρ (1 − 2 ) A1. Encontrando el caudal. Q = A2. 2( P1 − P2 ). ρ (1 −. 2. A2 ) A1. Esta es la fórmula con la cual se puede calcular el caudal a partir de la ecuación de Bernoulli. La razón entre las áreas A2 y A1 también se conoce como el término β. Este no debe ser mayor a 0,7 ni menor a 0,3. Para tener más exactitud en el resultado para el caudal se ha incluido un término llamado coeficiente de descarga (C) que es la relación entre el radio de la restricción y el radio que se genera de un efecto llamado vena contracta que es formado en el punto donde la velocidad del fluido es mayor.. 11.

(18) Q = CA2. 2( P1 − P2 ). ρ (1 −. 2. A2 ) A1. Este término también depende del número de Reynolds del fluido que está pasando por la tubería y el término β. La Imagen 6 muestra un grafico hecho por la ISO del que se puede obtener este valor a partir de β.. Figura 6. Grafico para encontrar el valor d C6. Con la ecuación encontrada y los valores de la tabla se tiene suficiente para encontrar un caudal a partir de la diferencia de presión entre dos puntos de una tubería.. 3.2.3 Aspectos específicos a tener en cuenta en la aplicación para motores de combustión interna Dentro de los aspectos que se deben tener en cuenta es necesario revisar en primera medida el comportamiento de los motores de combustión interna, pues así se conoce la forma en. 6. LMNO ENGINEERING, research and software. Nozzl e flow meter. [En línea]. [Consultado 2 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.lmnoeng.com/nozzles.htm>. 12.

(19) que operan y más concretamente se sabe cómo es su consumo de aire y algunos aspectos particulares del comportamiento de este. Los motores de combustión interna tienen un comportamiento pulsante en su consumo de aire. Esto se debe a que solo en solo uno de sus cuatro ciclos absorbe aire. Por esta razón es necesario realizar una normalización del flujo antes de ser medido con el fin de que lo que se mida sea un flujo continuo. Esto se puede lograr con un tanque que funcione a manera de plenum (tanque de compensación), es decir, que funcione como un amortiguador de esos pulsos y que contenga suficiente aire para que no haya posibilidad de que se genere ese comportamiento pulsante de nuevo. La teoría recomienda usar un tanque que sea 50 veces mayor en volumen que el volumen de un solo cilindro del motor.. 3.2.4 Medi dores adecuados para la aplicación en motores combustión interna Con respecto a los medidores basados en el principio de Bernoulli, cualquiera de los que fueron enunciados anteriormente es apto para la medición, sin embargo, para tener un equilibrio entre maquinabilidad y eficiencia, el medidor de tobera es el adecuado para esta aplicación.. 3.3 Dispositivos electrónicos Para poder construir un instrumento de medición que sea capaz de tomar la diferencia de presión entre dos puntos y realizar el cálculo del flujo de aire que está pasando por una tubería es necesario contar con varios dispositivos que cumplan ciertas funciones específicas. Los dispositivos necesarios se enuncian a continuación y se hace una breve descripción de ellos.. 13.

(20) 3.3.1 Transductores de presión Un transductor de presión es un dispositivo que convierte un tipo de movimiento mecánico generado por fuerzas debidas a la presión en una señal eléctrica o electrónica para luego ser utilizado en mediciones o control. Los transductores de presión mas usados son los piezoeléctricos y los que funcionan bajo el principio del extensómetro. También existen los de tipo inductivo y los capacitivos. Para la aplicación en medición de caudal es común el uso de un transductor de presión que tenga un funcionamiento piezoresistivo. Estos transductores funcionan a través de un elemento elástico que tiene un potenciómetro interno que varía su resistencia en función de la presión que esta percibiendo. Al cambiar la resistencia el voltaje de salida con respecto a un valor de referencia cambia haciendo posible realizar la medición. En general, la medición de voltaje tomada de estos transductores se compara a partir de una gráfica de calibración Presión vs. Voltaje para conocer el valor correspondiente de presión con dicho voltaje.. Figura 7. Transductor piezoel éctrico diferencial7. 7. MPX2010DP DATASHEET pdf.[En línea]. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/M/P/X/2/MPX2010DP.shtml>. 14.

(21) 3.3.2 Microprocesadores El microprocesador es un circuito integrado que contiene todos los elementos de una unidad central de procesamiento. Está diseñado para que, en lenguaje binario o sexagesimal, sea capaz de realizar cálculos con las cuatro operaciones matemáticas básicas, es decir, suma, resta, multiplicación y división, haciendo posible obtener resultados de operaciones más complejas en una fracción de segundos. Al revisar el interior de estos componentes electrónicos se puede apreciar que existen millones de transistores integrados para lograr su objetivo.. Figura 8. Microcontrolador de 16 bits8. Además de realizar operaciones tienen la posibilidad de manejar ciclos para utilizar su resultado y aplicarlo en control o para enviarlo a otros dispositivos para que hagan uso de él o en el caso particular de la medición de flujo, para que se visualice tal resultado. En el caso de medición de flujo, es suficiente con utilizar un microprocesador básico de 16 bits. Este es capaz de manejar los dispositivos periféricos y a su vez realizar los cálculos requeridos.. 3.3.3 Pantalla LCD Una pantalla de cristal líquido (LCD) es una pantalla delgada y plana formada por un número de píxeles colocados delante de una fuente de luz o reflectora. Es altamente utiliza 8. TRI ROBOSHOP, India’s online shop. [En línea]. 2005. [Consutado 1 diciembre de 2007]. Disponible en <http://triindia.co.in/shop/product_info.php?products_id=40&osCsid=a2e9ab595c248a56008547baf665cab7>. 15.

(22) en dispositivos electrónicos, ya que utiliza cantidades muy pequeñas de energía eléctrica. Las pantallas de LCD están clasificadas por la cantidad de caracteres o píxeles que puede visualizar. En la Imagen 9 se puede observar una pantalla de LCD básica para el uso de dispositivos electrónicos de control y medición.. Figura 9. Pantalla de cristal líquido de 16 caracteres en 2 líneas9. 4 Experime ntación Luego de revisar la teoría se procedió a realizar los cálculos correspondientes y a la construcción y conexión de las piezas necesarias para el medidor de flujo. Se siguió un procedimiento ordenado de tal manera que no fuera a hacer falta ningún componente en algún paso del proceso. •. Revisión de las variables que están involucradas en el proceso.. •. Diseño de las boquillas aptas para la medición. •. Diseño del tanque capaz de trabajar con motores de diferentes cilindradas. •. Simulación en ANSYS CFX para comprobar los diseños. •. Construcción de piezas. •. Implementación de un transductor de presión para captar la diferencia de presión.. •. Aplicación de un microcontrolador con convertidor A/D para tomar los datos y visualizar los valores en una pantalla LCD.. •. Calibración, sellado del tanque y prueba final del equipo en un motor de combustión interna.. 9. WARBUTECH. [En línea]. 2007. [Consultado 1 de diciembre de 2007]. Disponible en <http://www.warburtech.com/displays/16x2.serial.lcd.module/>. 16.

(23) 4.1 Diseño y fabricación de las boquillas tipo ISA1932 Las boquillas tipo ISA1932 fueron escogidas debido a su buena relación costo-eficiencia, pues su maquinado es relativamente sencillo con respecto al de un medidor tipo Venturi, su complejidad no es muy alta y son mucho mas eficientes que un medidor de orificio. Además para la aplicación en medición de flujo de aire para motores entre los 30 y los 300 caballos de fuerza son suficientes, no sufren por problemas de formación de turbulencias ni por problemas de pérdida de presión, puesto que la operación es inversa al uso normal de estas boquillas, es decir, en este caso el flujo que se está midiendo es ocasionado por una succión y no por un empuje. Para realizar el diseño, primero se necesitaba tener certeza de cual era el rango de flujos que se iba a manejar con el fin de saber si era suficiente con una sola boquilla o si era necesario construir un juego de boquillas para rangos más definidos. Por eso se recurrió a hacer la Tabla 1 en la que se especifican los motores más comunes que se pueden encontrar dentro del rango de caballos de fuerza objetivo del proyecto. El caudal se calculó a 3500RPM que es la velocidad promedio de uso de un motor convencional. Po tencia (HP) 50 105 126 230 350. Cilin drad a moto r (l) 0,599 2 1,8 3 4,8. numero de cilindros 4 4 4 6 8. RPM promed io 3500 3500 3500 3500 3500. Co nsumo d e aire (L /m in) Co nsumo (L/s) Con su mo (m3/s) 1048,25 17,47 0,02 3500 58,33 0,06 3150 52,50 0,05 5250 87,50 0,09 8400 140,00 0,14. Tabla 1. Consumo de aire para motores de especificaciones convencionales. Luego de hacer el cálculo de consumo de aire de motores convencionales, se pudo observar que era necesario hacer el juego de boquillas para que se generara una diferencia de presión máxima igual en cada una de ellas, esto debido a que se necesitaba tener en cuenta que el transductor de presión que se suponía usar debería trabajar en un rango de presiones óptimo. Para el diseño final, siguiendo la ecuación que determina el caudal basado en la diferencia de presiones se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros.. 17.

(24) 0,3 ≤ β ≤ 0,7 C = 0,993 D1 = 10cm P1 = Patm. ρ = 1,2. kg m3. De acuerdo con los parámetros anteriores y los caudales que se encontraron en la Tabla 1 se variaron los valores para D2 que satisficieran la condición de β y así encontrar cual sería la diferencia de presión esperada para cada una de las boquillas. D1 se tomó como 10cm debido a que ese es el diámetro de la manguera que debe ir conectada a la toma de aire del motor entonces se supuso que todo el recorrido sería a través de una tubería de 10cm, aunque en realidad de donde se toma el aire es de la atmósfera que tiene un diámetro infinito. El resultado que se obtuvo se observa en la Tabla 2. Rango potencias (HP) D. int erno (m) D. externo (m) 3 0-75 0,0315 0,10 75-120 0,0395 0,10 12 0-170 0,0530 0,10 17 0-210 0,0650 0,10. beta 0,32 0,40 0,53 0,65. F. max (m3/s) C. descarga 0,032 0,993 0,050 0,993 0,093 0,993 0,142 0,993. ∆P (Pa) 1420 ,28 1448 ,98 1431 ,45 1311 ,96. Tabla 2. Cálculo de la diferencia de presión esperada por boquilla. A continuación se encuentran las ecuaciones de Presión vs. Caudal con sus respectivas curvas para cada una de las boquillas. Presión se refiere a la diferencia de presión generada.. 18.

(25) ρ (1 −. 2 Q * ∆P = π 0,03152 0,993 4. 0,0315 4 ) 0,1 2. Pres ión v s. C auda l 12000. 10000. P resió n (Pa). 8000. 6000. P res ion vs . Caudal. 4000. 2000. 0 0,0000. 0, 0200. 0,0400. 0, 0600. 0,0800. 0,1000. 0,1200. Caudal (m3/s). Figura 10. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0315m de diámetro. 2 Q ∆P = 2 * π 0, 0395 0,993 4. ρ (1 −. 0,0395 4 ) 0,1 2. Pres ión v s. C auda l 12000. 10000. P resi ón (Pa). 8000. 6000. P res ión vs . Caudal. 4000. 2000. 0 0,0000. 0,0200. 0, 0400. 0,0600. 0, 0800. 0,1000. 0,1200. 0, 1400. 0,1600. 0,1800. Caudal (m3/s). Figura 11. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,0395m de diámetro. 19.

(26) 4. Q. ∆P = 0,993. ρ (1 −. 2. *. π 0, 053 2. 0,053 ) 0,1 2. 4. Pres ión v s. C audal 12000. 10000. P resió n (Pa). 8000. 6000. Presi ón vs. Caudal. 4000. 2000. 0 0,0000. 0,0500. 0,1000. 0, 1500. 0, 2000. 0, 2500. 0, 3000. 0,3500. Caudal (m3/s). Figura 12. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,053m de diámetro 4. Q. ∆P = 0,993. ρ (1 −. 2. π 0 ,0652. *. 0,065 ) 0,1 2. 4. Pres ión v s. C audal 12000. 10000. P resió n (Pa). 8000. 6000. Presi ón vs. Caudal. 4000. 2000. 0 0,0000. 0,0500. 0,1000. 0, 1500. 0, 2000. 0, 2500. 0, 3000. 0,3500. 0,4000. 0,4500. 0,5000. Caudal (m3/s). Figura 13. Curva Presión vs. Caudal para la boquilla de 0,065m de diámetro. 20.

(27) Con los diámetros internos (D2) establecidos para las cuatro boquillas, ya se tenían los datos suficientes para el diseño de las boquillas según su norma ISO (Imagen 4). Se ® procedió a hacer el diseño de las piezas en SolidEdge para su posterior elaboración.. (a). (b). (c). (d). Figura 14. (a) Boquilla con un diámetro interno de 0,0315m, (b) boquilla con un diámetro interno de 0,0395m, (c) boquilla con un diámetro interno de 0,053m, (d) boquilla con un diámetro interno de 0,065m10. En los Anexos 2, 3, 4 y 5 se encuentran los planos con las medidas exactas para cada una de las boquillas construidas. 10. EDS, SolidEdge. [programa de computador]: Versión 15.00.00.72. Electronic Data Systems Corporation, 2003.. 21.

(28) Para la etapa de construcción se buscó un material que fuera económico, de fácil maquinabilidad y a la vez duradero. El acero AISI-1020 cumple con estos requisitos, por lo que fue el material usado para construir las boquillas. El material base para el maquinado se obtuvo de barras circulares de 5” de diámetro que fueron rectificadas y roscadas en un torno convencional. Los agujeros curvados de las boquillas se realizaron en un centro de mecanizado puesto que en un torno no era posible obtener la curva de entrada de la boquilla. El resultado fue el siguiente. (a). (b). (c). (d). Figura 15. (a) Boquilla con diámetro interno de 0,0315m, (b) boquilla con diámetro interno de 0,0395m, (c) boquilla con diámetro interno de 0,053m, (d) boquilla con diámetro interno de 0,065m. Para realizar la medición de la presión se realizó un agujero de 4mm perpendicular al eje de la barra, con el fin de conectar una manguera directamente al transductor.. 22.

(29) Figura 16. Agujero de medición de 4mm. También se puede observar la rosca para acoplar la boquilla al tanque de compensación.. 4.2 Cálculo del tanque de compensación EL cálculo de este tanque es bastante sencillo pues es simplemente un recipiente que tenga 50 veces el volumen de un cilindro. El valor del volumen del cilindro se tomó teniendo en cuenta el motor más grande en cilindrada que podría instalarse al medidor de flujo de aire. En este caso sería un motor de aproximadamente 4400cc y seis cilindros. V = 50 *V c 50 * 4400cc 6cil V = 50 * 740cc V = 37000cc V=. Se encontró que un tanque cilíndrico de uso comercial de diámetro 31cm y altura 50,5cm tenía un volumen suficiente para la aplicación.. 23.

(30) 4.3 Simulación en ANSYS CFX ® para el flujo en las boquillas Para comprobar si las boquillas diseñadas cumplen los requerimientos se recurrió a realizara una simulación en ANSYS CFX. Ya que los valores conocidos en este caso son el caudal de aire máximo que circulará por las boquillas, sus dimensiones y geometría y las características del tanque de compensación, el objetivo de la simulación fue encontrar el punto en donde se generara la mayor diferencia de presión y comparar con la encontrada teóricamente. En las imágenes no se pueden apreciar las restricciones exactas del enmallado debido a que si en ANSYS pide mostrarlas completamente la línea de trayectoria de la partícula no es visible. Las simulaciones se hicieron tomando como fluido referencia aire a 25°C. Para la boquilla de 0,0315m de diámetro la simulación arrojó los siguientes resultados. Figura 17. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,0315m de diámetro11 11. ANSYS, Ansys CFX. [programa de computador]:Versión 11.0. Ansys Inc, 2003.. 24.

(31) El resultado muestra que la diferencia de presión total máxima (rojo) con respecto a la presión atmosférica se encuentra en el punto más angosto de la garganta de la boquilla, reportando un valor de 1608 Pa. El valor teórico para esta boquilla con un caudal de 0,032 3 m /s es de 1420,28 Pa.. En el caso de la boquilla de 0,0395m de diámetro la simulación fue la siguiente. Figura 18. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,0395m de diámetro12. Se puede ver que en este caso la diferencia total de presión en la simulación es de 1351 Pa, mientras que teóricamente se encontró una de 1448,98 Pa. El caudal usado fue de 0,05 3 m /s.. 12. Ibid.. 25.

(32) La boquilla de 0,053m de diámetro presentó un comportamiento similar en la simulación de ANSYS CFX. Figura 19. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,053m de diámetro13. El resultado muestra que, para un caudal de 0,093 m3/s, en esta boquilla la diferencia de presión total es de 1166 Pa. Comparando con la teoría que da un valor de 1431,45 Pa, no hay gran diferencia, aunque esta es la boquilla en donde mayor diferencia hay entre lo simulado y lo calculado. Finalmente se simuló el comportamiento de la presión para la boquilla de 0,065m. En este caso, como el diámetro de la garganta de la boquilla es significativo, la medición se realizó en un punto más cercano a la pared puesto que ahí es donde se va a percibir la diferencia de presión por medio del agujero de 4mm. A continuación se encuentra la Imagen 16 con los resultados de la simulación 13. Ibid.. 26.

(33) Figura 20. Resultado de la simulación de ANSYS CFX para la boquilla de 0,063m de diámetro14. Los cálculos teóricos dieron como resultado 1311,96 Pa en la diferencia de presión entre la garganta de la boquilla y la atmósfera. La simulación indicó una diferencia de 1327 Pa, valor bastante cercano a la teoría. Los anteriores resultados validaron el diseño de las boquillas dando así certeza de que en la vida real se generará la diferencia de presión que se espera para poder realizar las mediciones de caudal. Estas simulaciones se realizaron antes del proceso de fabricación de las boquillas.. 14. Ibid.. 27.

(34) 4.4 Instalación de las boquillas en el tanque de compensación Para poder hacer un montaje con el cual se tuviera la posibilidad de hacer un cambio de boquillas fácilmente manteniendo la hermeticidad en el sistema, fue necesario diseñar un acople para las boquillas en el tanque. Esto se logró por medio de un anillo roscado que fue instalado en un hueco que se hizo en una de las tapas del tanque de compensación. La idea del anillo es servir de rosca para que las boquillas puedan conectarse herméticamente al tanque.. Figura 21. Diseño del anillo roscado para el acople de las boquillas15. 15. EDS, Op. cit.. 28.

(35) Figura 22. Anillo roscado para el acoplamiento de las boquillas. Figura 23. Vista ampliada de la rosca del anillo. 29.

(36) Figura 24. Boquilla instalada en el tanque. Figura 25. Vista superior de la boquilla instalada en el tanque. En este caso, debido a que el tanque y el anillo roscado son de diferentes materiales (aluminio y acero AISI1020 respectivamente) y se requería de un tipo de unión permanente. 30.

(37) y hermética entre estos dos componentes, se optó por pegarlos con masilla epóxica debido a su fácil manipulación, la capacidad de sellado y la facilidad de sujeción en cualquier tipo de material.. 4.5 Instalación y calibración de componentes electrónicos Para hacer el montaje del medidor electrónico de flujo se tuvo que recurrir a varias etapas. La primera etapa comprende la adquisición de datos a través de un transductor de presión, la segunda etapa consiste en el uso de un amplificador de instrumentación para adecuar la señal de salida del transductor, la tercera etapa es una conversión análogo-digital de los datos acondicionados del transductor para el posterior manejo de un microcontrolador, la cuarta etapa esta relacionada con la inicialización de un LCD y los cálculos matemáticos para interpretar el voltaje como una diferencia de presión y luego como un caudal y la quinta y ultima etapa esta dedicada a la presentación de la medición en una pantalla LCD.. 4.5.1 Adquisición de datos a través de un transductor de presión El paso inicial y esencial para la configuración del medidor de flujo electrónico es el dispositivo que percibe los cambios de presión y lo interpreta como un voltaje. Para este caso se usó un transductor de presión M otorola referencia M PX2010DP (Imagen 22). Este es un transductor diferencial de presión, es decir mide la presión de dos puntos y arroja dos voltajes que al restarlos representan la diferencia entre las dos presiones encontradas.. 31.

(38) Figura 26. Transductor diferencial de presión MPX2010DP. Como se observa en el Grafico 5, el transductor esta calibrado para emitir una señal de salida de máximo 25mV cuando está conectado a una fuente de 10V. En el caso del circuito utilizado, la fuente de voltaje que se utiliza es de 5V para que sea compatible con todos los dispositivos. Por esa razón la curva de calibración del transductor fue recalculada para su salida de voltaje (Grafico 6).. Figura 27. Curva original de calibración para el transductor MPX2010DP 16. 16. MPX2010DP DATASHEET pdf.[En línea]. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/M/P/X/2/MPX2010DP.shtml>. 32.

(39) V oltaje vs . Presión 14 12. Voltaje (mV). 10 8 V oltaje vs . Presión 6 4 2 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Presión (∆P ). Figura 28. Curva de calibración para el transductor MPX2010DP con una fuente de 5V. 4.5.2 Implementación de un amplificador de instrumentación Luego de tener una señal de voltaje que represente la diferencia de presión a través del transductor, fue necesario acondicionarla para que su lectura fuera apta en el resto de componentes del montaje electrónico. Debido a que la señal de salida del transductor es muy baja, era importante tener en cuenta que al amplificar y acondicionar dicha señal no se presentaran ruidos que la alteraran y generaran mediciones erráticas. Por esa razón se tuvo que implementar un amplificador de instrumentación. Este método de amplificación además de hacer la resta entre dos voltajes, está diseñado para que se reduzca el ruido al mínimo y la señal sea lo más limpia posible. El circuito implementado se encuentra en la Imagen 23 y los valores utilizados de resistencias para crear una ganancia de 400 veces (pues se quería pasar de 12,5mV a 5V de salida) se encuentran en la Tabla 3. V1 y V2 son las señales de salida del transductor, Vout es la señal de diferencia entre V1 y V2 amplificada 400 veces. Los tres amplificadores son manejados por un amplificador operacional LM 324N. La ecuación que expresa el voltaje de salida en función de los dos voltajes de entrada es. Vout = (V2 − V1 )(1 +. 2R1 ) Rg 33.

(40) Figura 29. Amplificador de instrumentación 17. Resistencia R1 R2 Rg. Valor (Ω) 1M 100k 5k. Tabla 3. Valores de resistencias utilizados para el circuito de instrumentación. 4.5.3 Conversión análogo-digital La conversión análogo digital era necesaria para que el microcontrolador pudiera interpretar los datos de señal amplificada del transductor y pudiera realizar operaciones con dicha señal. Este paso se logró a través de un conversor análogo digital que posee internamente el microcontrolador y que se encuentra en uno de los cuatro puertos usados en el microcontrolador.. 4.5.4 Curvas de cali bración Caudal – Voltaje Ya teniendo la señal acondicionada y convertida a una señal digital se necesitaba entender el valor de caudal en L/s al que correspondía cada uno de los valores de voltaje en V 17. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION. Estructura. [En línea]. 2007. [Consultado 15 de octubre de 2007]. Disponible en < http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrument aci%C3%B3n>. 34.

(41) percibidos de la medición. Por eso se realizó una curva de calibración en la que estuvieron directamente relacionados caudal y voltaje. Esta curva se hizo de forma lineal debido al inconveniente que tiene el microprocesador utilizado de que solo puede hacer las cuatro operaciones básicas, por lo tanto no puede manejar potencias. La linealización se realizó exclusivamente en el intervalo de presiones en el que cada boquilla trabaja haciendo confiable la interpretación de los resultados. Los gráficos a continuación muestran los resultados obtenidos en la calibración Caudal – Voltaje.. y = 44,9x. Caudal vs. Voltaje 50 45 40. Cau dal (L/s). 35 30 25. Caudal vs. Voltaje. 20 15 10 5 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. 1,2. Voltaje (V). Figura 30. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,0315m de diámetro. 35.

(42) Caudal vs. Voltaje. y = 71,125x - 2E-14. 80 70 60 Caudal (L/s). 50 40 Caudal vs. Voltaje. 30 20 10 0 -10. 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. 1,2. Vo ltaje (V). Figura 31. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,0395m de diámetro. Caudal vs. Voltaje. y = 131,79x + 4E-14. 140 120. Cau dal (L/s). 100 80 Caudal vs. Voltaje 60 40 20 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. 1,2. Voltaje (V). Figura 32. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,053m de diámetro. 36.

(43) Caudal vs. Voltaje y = 209,9x 250. Cau dal (L/s). 200. 150 Caudal vs. Voltaje 100. 50. 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. 1,2. Voltaje (V). Figura 33. Curva Caudal vs. Voltaje para la boquilla de 0,065m de diámetro. 4.5.5 Programación del microcontrolador ATMEL ATmega16 El microcontrolador está programado en dos etapas, la primera cubre la inicialización del LCD. La segunda cubre los cálculos y el envío de la información hacia la pantalla.. ADCSRA |= (1<<ADIF); presion= (ADCL + (ADCH<<8))/2; presion= presion*.711; lcdhome ();. lcddato(0x43); //C lcddato(0x41); //A lcddato(0x55); //U lcddato(0x44); //D lcddato(0x41); //A lcddato(0x4C); //L. 37.

(44) lcddato(0xA0); // lcddato(0x28); //( lcddato(0x4C); //L lcddato(0x2F); /// lcddato(0x53); //S lcddato(0x29); //) lcdlinea ();. lcdvalor (presion); lcddato(numero[j]); lcddato(numero[i]); j=0; Esta línea de comandos da instrucciones sobre como captar los datos del conversor análogo – digital, luego transformarlos a valor análogo de nuevo por medio de una división sobre 1024 y luego aplicando las ecuaciones de calibración caudal – voltaje halladas anteriormente para obtener el valor de caudal sentido por el instrumento. El comando lcdhome() hace que el cursor dentro del LCD se ubique en la primera posición de la pantalla. El comando lcddato () se encarga de enviar cada uno de los caracteres que se van a mostrar en la pantalla. El comando lcdlinea() hace que el cursor dentro del LCD baje al segundo nivel. El comando lcdvalor() envía al LCD el número correspondiente al caudal medido. La programación anteriormente mencionada se carga al microcontrolador por medio del programador ATM EL AVR II que convierte el código a un formato sexagesimal y lo programa en la memoria no volátil del microcontrolador.. 38.

(45) Figura 34. Montaje del circuito para el instrumento de medición. 4.5.6 Conexión del LCD La conexión de la pantalla LCD se realiza a través de un puerto digital del microcontrolador según el diagrama de la Imagen 25.. Figura 35. Diagrama de conexión de la pantalla LCD18. 18. CORNELL UNIVERSITY. Design page. [En línea]. 2000. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.geocities.com/nazlen_2000/web/design.html>. 39.

(46) 4.6 Toma de datos La toma de datos se realizó en el motor de un vehículo convencional de 1600cc, cuatro cilindros, a la altura de Bogotá, conectando la manguera del tanque de compensación a la entrada que corresponde al filtro de aire del vehículo (Imagen 26). Para las dimensiones de este motor se esperaba un consumo teórico de 44 L/s. La prueba se realizó con el motor en marcha a 3500RPM constantes. Se tomaron datos cada 10 segundos.. Figura 36. Montaje del medidor de flujo de aire en un vehiculo común. En la Imagen 27 se muestra como sale representada la información en la pantalla LCD dispuesta para esto.. 40.

(47) Figura 37. Representación de los datos de caudal en Litros por segundo en la pantalla LCD. Debido a situaciones como la altura de la ciudad de Bogotá, precisión del instrumento de medición y otros posibles inconvenientes se esperaba una lectura de caudal entre 30 y 35 L/s. En los gráficos que se encuentran a continuación se muestran los datos obtenidos en la medición.. Caudal vs. Tiempo 35 30. Caudal (L/ s). 25 20 Caudal vs. Tiempo 15 10 5 0 0. 50. 100. 150. 200. Tiempo (s). Figura 38. Primera corrida de toma de datos. 41.

(48) Caudal vs . Tiempo 35 30. Caudal (L/ s). 25 20 Caudal vs. Tiempo 15 10 5 0 0. 50. 100. 150. 200. Ti em po (s). Figura 39. Segunda corrida de toma de datos. 5 Análisis de resultados y recomendaciones Luego de realizar el diseño, construcción, calibración y puesta en funcionamiento del medidor de flujo de aire, los resultados obtenidos reflejan que debe haber algunas razones por las cuales los valores medidos son sustancialmente diferentes a los valores teóricos esperados. Con la medición se encontró que los valores obtenidos son alrededor de 50% menores que los esperados teóricamente. Para las dos corridas de pruebas se obtuvieron valores promedio de 22,84 L/s y 21,21 L/s respectivamente. Esto pudo suceder debido a que dentro de las posibles razones se encuentra el hecho de que en la vida real un motor no es perfecto y no debe consumir el valor teórico encontrado sino alrededor de un 70% de este valor. Es decir, si el valor teórico esperado era de 44 L/s para el motor examinado, en la realidad este debería estar consumiendo entre 30 y 35 L/s. A esta razón tendría que sumarse también el papel que juega la presión atmosférica, pues a la altura de la ciudad de Bogotá es menor, haciendo que el volumen de aire que entra al motor se vea disminuido en otro 20%.. 42.

(49) Por el lado de la parte electrónica puede existir otra razón. Esta se debe a que la medición pudo no ser precisa, pues el transductor de presión maneja voltajes muy bajos y al manipularlos por medio de la amplificación de señal se convierten en valores muy susceptibles de cambio haciendo que haya variaciones tan altas entre un dato y el otro como ocurrió en los datos obtenidos de la medición . También se debe tener en cuenta que, aunque la medición se trató hacer lo más hermética posible, pudo haber fugas en las mangueras utilizadas como acoples entre el motor y el tanque de compensación, o entre la boquilla y el transductor de presión que no se detectaron a tiempo. Inclusive el elemento sellante usado (masilla epóxica) puede no ser 100% hermético, lo que se presta para pequeñas fugas. Otro aspecto a tener en cuenta es que al linealizar parte de la curva de Presión vs. Caudal pudo haber omisiones que hicieran que la medición cambie.. 6 Conclusiones •. Los objetivos del proyecto fueron alcanzados en su totalidad, por medio de soluciones optimas para el problema planteado.. •. Los datos obtenidos reflejan que en la realidad los consumos teóricos no son alcanzables, pues hay muchas variables que definen un flujo de aire.. •. Al realizar instrumentos de medición es necesario tener una alta precisión en todas las etapas de construcción, utilizar componentes de buena calidad y pues si no se hace así puede haber distorsión en los resultados.. 43.

(50) •. Los componentes electrónicos aunque pueden hacerse más precisos que un medidor análogo, son engorrosos de utilizar y se requiere de buen conocimiento para implementarlos, pues tienden a fallar o a desequilibrarse con facilidad.. •. El medidor de flujo de aire construido debe ser revisado en su parte electrónica pues el transductor demostró demasiada sensibilidad debido al tema de la amplificación de señal en 400 veces. Esto se suma a que en la captura de los datos por parte del microcontrolador hubo perdida de precisión por el poco manejo de cifras decimales en la conversión análogo-digital haciendo que un cambio de 1mV en la señal del transductor generara un cambio escalonado de 0,4V en la información tomada por el microcontrolador y a su vez un cambio en el resultado de 10L/s, por lo cual no se obtuvieron mediciones estables a lo largo del tiempo.. 44.

(51) 7 Referencias. ALEXANDER, Charles K. Fundamentos de circuitos eléctricos. M éxico: M cGraw-Hill, 2006. ATM EGA16 DATASHEET pdf. [En línea]. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/T/M /E/ATM EGA16.shtml> BAKER, Roger C. Introductory guide to flow measurement. New York: ASM E Press, 2003. CASTILLO T., Jorge L. M anómetros. [En línea]. [Consultado 2 de noviembre de 2007]. Disponible en <http://www.monografias.com/trabajos15/manometros/manometros.shtml> ENGINEERING TOOLBOX. Orifice, Nozzle and Ventura Flow Rate M eters. [En línea]. 2005. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.engineeringtoolbox.com/orifice-nozzle-venturi-d_590.html> FRANCO, Sergio. Electric circuits fundamentals. New Cork: Oxford University Press, 1999. LM 324N DATASHEET pdf. [En línea]. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M /3/2/LM 324N.shtml> LM NO ENGINEERING, research and software. Nozzle flow meter. [En línea]. [Consultado 2 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.lmnoeng.com/nozzles.htm> MAYZ ACOSTA, Edgar. Conocimientos básicos del automóvil. [En línea]. [Consultado 28 de septiembre de 2007]. Disponible en <http://www.automotriz.net/tecnica/conocimientosbasicos-14.html> M ILLER, Richard W. Flow measurement engineering handbook. New York: M cGraw-Hill, 1983. MPX2010DP DATASHEET pdf.[En línea]. [Consultado 3 de octubre de 2007]. Disponible en <http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/M /P/X/2/M PX2010DP.shtml>. 45.

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(53) 8 Anexos. 47.

(54) 48.

(55) 49.

(56) 50.

(57) 51.

(58)