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Actualización de un compresor volumétrico alternativo

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Academic year: 2020

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(1)ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR de INGENIEROS de MINAS y ENERGÍA. Titulación: GRADUADO EN INGENIERÍA DE LA ENERGÍA. PROYECTO FIN DE GRADO. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA. ESCUELA T. S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES. ACTUALIZACIÓN DE UN COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO. MIRIAM MARTÍN NIETO. Junio 2014.

(2) ACTUALIZACIÓN DE UN COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO. Autor: Miriam Martín Nieto Profesor tutor: José Manuel Burón Caballero GIE 10/16.

(3) Me gustaría agradecer la colaboración prestada por todas las personas del Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica, por sus consejos y su preocupación; a D. José Manuel Burón Caballero, por su dirección y apoyo a lo largo de todo el proyecto, a Pedro y Ángel por su ayuda en el laboratorio. También a D. Félix Moreno, profesor de electrónica y a Pedro, Alberto, David y Mónica por su ayuda prestada. También quiero agradecer el gran apoyo a mi compañero Rafael Álvarez..

(4) ÍNDICE CAPÍTULO 0: GENERALIDADES ............................................................................. 4 0.1. RESUMEN ..................................................................................................... 5. 0.2. ABSTRACT ................................................................................................... 5. 0.3. OBSERVACIONES ....................................................................................... 6. CAPÍTULO 1: OBJETIVOS Y FUNDAMENTO TEÓRICO ........................................ 7 1.1. OBJETIVOS Y ALCANCE ............................................................................ 8. 1.2. ANTECEDENTES ......................................................................................... 9. 1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO. ........................................................................ 10. 1.3.1 COMPRESORES VOLUMÉTRICOS ALTERNATIVOS. .................................................... 12 1.3.2 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO ................................................................................ 16. 1.4 CARACTERÍSTICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN ..................................... 17 1.4.1 MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA. ....................................................................... 17 1.4.2 MEDIDOR DE PRESIÓN DE DESCARGA. .................................................................... 18 1.4.3 CÉLULA DE CARGA .................................................................................................. 18 1.4.4 CODIFICADOR ANGULAR ......................................................................................... 19 1.4.5 MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL ....................................................................... 19 1.4.6 MICROCONTROLADOR Y SOFTWARE. ...................................................................... 20. CAPÍTULO 2: DESARROLLO DEL PROYECTO .................................................... 22 2.1 MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA. ........................................................ 23 2.1.1 CALIBRACIÓN DEL MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA. .......................................... 26. 2.2 MEDIDOR DE PRESIÓN DE DESCARGA. .................................................... 27. I.

(5) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 2.3 CÉLULA DE CARGA ...................................................................................... 29 2.3.1 CALIBRACIÓN DE LA CÉLULA DE CARGA .................................................................. 30. 2.4 CODIFICADOR ANGULAR ............................................................................ 33 2.5 MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL ....................................................... 33 CAPÍTULO 3: RESULTADOS Y CONCLUSIONES. ............................................... 35 3.1. IMPACTO .................................................................................................... 36. 3.1.1. IMPACTO AMBIENTAL. ..................................................................................... 36. 3.1.3 IMPACTO SOCIAL .................................................................................................... 36. 3.2. RESULTADOS ............................................................................................ 37. 3.2.1. MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA. ................................................................ 37. 3.2.2. CÉLULA DE CARGA ........................................................................................... 38. 3.2.3. CODIFICADOR ANGULAR. ................................................................................. 40. 3.2.4. MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL. ............................................................... 41. 3.3. PLANIFICACIÓN TEMPORAL. ................................................................. 41. 3.3.1. ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DE TRABAJO (EDT) ................................... 42. 3.3.2. PLANIFICACIÓN TEMPORAL. ............................................................................. 42. 3.4. CONCLUSIONES ........................................................................................ 44. CAPÍTULO 4: ESTUDIO ECONÓMICO ................................................................... 46 4.1 IMPACTO ECONÓMICO. ............................................................................... 47 4.2 RENTABILIDAD ............................................................................................. 47 4.3 PRESUPUESTO................................................................................................ 48 CAPÍTULO 5: SÍMBOLOS Y BIBLIOGRAFÍA. ....................................................... 50. 2.

(6) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 5.1. LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................ 51. 5.2. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 51. 5.2.1. OTROS PROYECTOS. ......................................................................................... 52. 5.2.2. DIRECCIONES ELECTRÓNICAS. .......................................................................... 52. CAPÍTULO 6: ANEXOS. ........................................................................................... 53 6.1 ANEXO I .......................................................................................................... 54 6.2 ANEXO II. ........................................................................................................ 62 6.3 ANEXO III. ....................................................................................................... 65 CAPÍTULO 7: MANUALES ...................................................................................... 66. 3.

(7) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 0: GENERALIDADES. 4.

(8) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 0.1. RESUMEN. Este proyecto supone la actualización y modernización de un compresor volumétrico alternativo que se encuentra en el Laboratorio de Máquinas y Motores Térmicos. Para ello, el primer paso ha sido realizar una serie de adaptaciones físicas y electrónicas de las señales que producen los distintos transductores del compresor. Estas adaptaciones han sido necesarias para que las señales pudiesen ser reconocidas por el microcontrolador Arduino. Éste es el encargado de comunicar las señales a LabVIEW 2012 con el que se ha creado un programa de lectura e interpretación de datos. Después de que las señales pasen por dicho programa se obtiene la fuerza que está realizando el motor que mueve el compresor, la presión en cámara del compresor y las revoluciones por minuto a las que gira el eje del motor y por tanto, el compresor.. 0.2. ABSTRACT. This project has carried out the updating and modernization of an alternative volumetric compressor located at the Laboratory of Heat Engines. To do so, the first step was to perform a series of physical and electronic adaptations of the signals produced by the different transducers of the compressor. These adjustments were necessary so that the signals could be recognized by the Arduino microcontroller. This is responsible for communicating signals to LabVIEW 2012, used to set up the reading and interpreting data program. Once the signals have passed through the aforementioned program, we obtain the data of the force generated by the motor driving the compressor, the pressure in the compressor chamber and the revolutions per minute of the motor’s rotating shaft, and therefore, the compressor.. 5.

(9) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 0.3. OBSERVACIONES. Debido a que es un proyecto con un alcance y una complejidad elevados el tutor creyó oportuno la realización del mismo entre dos personas. De este modo, el proyecto ha quedado dividido en dos partes: diseño del hardware electrónico (parte que trata este trabajo), por un lado; y, por otro, programación y diseño la interfaz gráfica de LabView 2012. Por lo tanto, unas partes del proyecto han sido realizadas en equipo junto a mi compañero ya que la colaboración era imprescindible para cumplir los objetivos del mismo. En cambio, otras han sido llevadas a cabo de forma individual centrándose cada uno en su tema específico. Debido a que el hardware y el software de un sistema no son independientes, los dos componentes del equipo conocemos tanto la parte de programación como el diseño del hardware. De otro modo, habría sido totalmente inviable la realización del trabajo correctamente.. 6.

(10) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 1: OBJETIVOS Y FUNDAMENTO TEÓRICO. 7.

(11) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.1. OBJETIVOS Y ALCANCE. Este proyecto se ha llevado a cabo con el objetivo de realizar una puesta a punto de un compresor volumétrico alternativo situado en una celda de ensayos del Laboratorio de Máquinas y Motores Térmicos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid. Consiguiendo que el compresor sea más funcional, el modo de hacerlo es a través del mayor número de sensores posibles. De este modo, alumnos de la Universidad Politécnica de Madrid podrán realizar prácticas con él durante los próximos años. Para conseguir la puesta a punto, es necesario medir distintas señales que caracterizan el compresor, las cuales son: -. Presión en cámara.. -. Presión de descarga.. -. Fuerza realizada.. -. Frecuencia de giro del eje del motor y, por tanto del compresor.. Para ello, el compresor está conectado a varios transductores, cada uno de ellos proporciona una señal con características distintas. Estas señales van a ser programadas a través de LabVIEW 2012. La conexión entre los transductores y LabVIEW se lleva a cabo a través de un microcontrolador, en este caso Arduino Mega 2560. Arduino tiene como limitación que sólo puede trabajar entre 0-5 voltios lo que hace necesario el acondicionamiento de señales de algunos transductores. En un primer momento también se pretendía medir el caudal de aire que pasa por el compresor, a través de un sensor de presión diferencial. Finalmente, no se ha podido llevar a cabo debido al elevado coste de estos sensores en el mercado y al presupuesto limitado del que se disponía. No obstante, dicho sensor se podría incorporar en un futuro.. 8.

(12) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.2. ANTECEDENTES. El proyecto, inicialmente, fue planteado para actualizar y modernizar un compresor volumétrico alternativo que se encontraba en el Laboratorio de Motores Térmicos en la E.T.S.I.I. También es una actualización y modernización de un proyecto fin de carrera realizado en 1.998 por Miguel Ángel Urbano Ruiz. En dicho proyecto, se tomaban medidas de señales procedentes de: -. Medidor de presión en cámara.. -. Medidor de presión de descarga.. -. Célula de carga.. -. Medidor de presión diferencial.. -. Codificador angular.. En su proyecto Miguel Ángel Urbano utilizó, en lugar de un microprocesador Arduino, una tarjeta de adquisición de datos. Pese a que, Miguel Ángel Urbano realizó un excelente trabajo en su momento, en 2.013 cuando este proyecto se planteó, su proyecto estaba altamente deteriorado debido al abandono que había sufrido en el laboratorio. El medidor de presión de descarga y todas las fuentes de alimentación habían desaparecido, el medidor de presión diferencial no funcionaba y el codificador angular tenía los cables de conexión muy deteriorados. Por otro lado, debido a que el objetivo de Miguel Ángel Urbano era muy distinto al del proyecto actual, todas las señales han tenido que ser acondicionadas y programadas desde cero. No obstante, han sido útiles los transductores presentes en el laboratorio desde 1.998.. 9.

(13) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO. La compresión es el proceso mediante el cual se eleva la presión de un fluido gaseoso debido a la disminución de su volumen específico. Dicho proceso es un proceso de flujo, en el que el fluido se comprime y se desplaza. La relación ‫ ܸ݌‬ൌ ܴܶ, pone de manfiesto que para aumentar la presión de un gas, se puede actuar bien sea sobre su temperatura, o sobre su volumen, o sobre las dos magnitudes a la vez. Por lo tanto, los dos parámetros que caracterizan el proceso de compresión son el caudal trasegado V y la relación de compresión p2/p1, donde p1 es la presión de aspiración y p2 es la presión de descarga. Los compresores pueden trabajar con fluidos de naturaleza muy diversa: gas puro, mezcla de gases, vapor recalentado o saturado, mezcla de gases y vapores, etc. Los compresores son máquinas térmicas generadoras en las que se llevan a cabo el proceso de compresión, estos se clasifican según su relación de compresión: -. Soplantes: relación de compresión menor que 1,5.. -. Bombas de vacío: operan con una presión de admisión menor que la atmosférica y una presión de descarga igual o ligeramente mayor que la atmosférica.. Los compresores también se pueden clasificar según la masa del fluido en: -. Compresores volumétricos: existe una masa bien definida de fluido delimitada por la geometría del compresor, esta evoluciona según los procesos a los que se le somete dentro de la máquina térmica. En un compresor volumétrico se cumple: [1.3.1] ȟܸ‫ ฺ ݊݁݉ݑ݈݋‬ȟܲ‫݊×݅ݏ݁ݎ‬. - Turbocompresores o compresores dinámicos: la masa no está definida y la compresión se realiza a través de frenado, por difusión de una corriente cuya energía cinética se ha aumentado por la acción de un rodete. La condición de aporte energético al fluido se realiza a través de la condición:. 10.

(14) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. [1.3.2] ߂‫ܧ‬௖̴௠ž௤௨௜௡௔ ֜ ߂‫ܧ‬௖̴௙௟௨௜ௗ௢ ֜ ߂‫݌‬௙௟௨௜ௗ௢ Generalmente los turbocompresores son idóneos para trabajar con caudales muy elevados, por ello suelen ser muy compactos; mientras que en los volumétricos sucede todo lo contrario. En cuanto a la relación de compresión, los volumétricos son capaces de suministrar elevadas relaciones de compresión; mientras que los dinámicos están mucho más limitados en este aspecto. Los compresores volumétricos pueden ser alternativos, de cilindro y pistón principalmente, y rotativos. Los turbocompresores comprenden dos tipos: axiales y centrífugos. Como ya se ha mencionado, el campo de utilización viene determinado por su caudal (m3/min.) generalmente medido en condiciones de admisión y por su relación de compresión p2/p1.. VOLUMÉTRICOS. COMPRESORES. Alternativos. Rotativos. Centrífugos DINÁMICOS Axiales. V[m3/min]. p2/p1. Bombas de vacío. 0-100. 1-50. Compresores. 0-500. 2,5-1000. Bombas de vacío. 0-100. 1-50. Soplantes. 0-500. 1,1,-1,5. Compresores. 0-500. 1,5-12. Ventiladores. 0-6.000. 1-1,15. Soplantes. 0-5.000. 1,15-3. Compresores. 10-4.000. 3-20. Ventiladores. 50-10.000. 1-1,04. Compresores. 100-15.000. 3-20. Tabla 1: Clasificación de los compresores. Caudales y relaciones de compresión típicas de cada tipo.. 11.

(15) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Existe un gran número de aplicaciones en las que el proceso de compresión es necesario: 1. Transmisión de energía, como sistema de aire comprimido para trabajar con herramientas neumáticas. 2. Suministro de aire para procesos de compresión. 3. Transporte y distribución de gas en conductos de gas natural. 4. Conducción de un gas a través de un proceso o sistema. 5. Producción de unas determinadas condiciones óptimas en reacciones químicas. 6. Producción y mantenimiento de niveles de presiones reducidas. 7. Obtención de presiones elevadas en aplicaciones industriales (pintado, técnicas de limpieza…). 1.3.1 COMPRESORES VOLUMÉTRICOS ALTERNATIVOS La Figura 1 de la página siguiente muestra un compresor alternativo de émbolo de simpe efecto de una sola etapa, está formado principalmente por un cilindro, en cuyo interior se desplaza un émbolo con movimiento alternativo; el desplazamiento es originado por un motor que transmite su potencia a través de un mecanismo bielamanivela. El compresor está constituido por una manivela acoplada al cigüeñal, una biela unida directamente al pistón y el pistón que se desplaza en el interior del cilindro con movimiento alternativo. En la culata están instaladas las válvulas de admisión y descarga. Esta clase de compresores pueden estar refrigerados por aire, es el caso de los compresores pequeños; o por agua, en el caso de compresores medianos y grandes.. 12.

(16) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1. Conducto de admisión, entrada del gas sin comprimir. 2. Válvula de admisión. 3. Válvula de descarga. 4. Conducto de descarga, salida del gas comprimido. 5. Cámara de compresión. 6. Pistón. 7.. Biela.. 8. Manivela (cigüeñal).. Figura 1: Compresor alternativo. En el diagrama p-V de la Figura 2 se representa la evolución teórica del fluido en el compresor, y en la Figura 3 se representa la evolución real. En los dos diagramas V es el volumen que existe por encima del pistón en cada posición.. Figura 3: Ciclo real.. Figura 2: Ciclo teórico. Cuando el pistón se desplaza desde el extremo de la derecha hacia la izquierda, se produce la compresión del gas dentro del cilindro. La válvula de admisión permanece cerrada durante toda la carrera de compresión; por otro lado, la de descarga permanece cerrada hasta que la diferencia de presión entre el cilindro y la descarga supera la. 13.

(17) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. tensión del muelle antagonista de la misma. En el diagrama p-V la línea 1-2 representa la compresión.. Figura 4: Compresión.. La temperatura del gas se incrementa al ser comprimido, este efecto se produce porque la refrigeración del compresor no es suficiente para que el proceso se lleve a cabo a una temperatura constante, lo que sería de desear. La línea de compresión es una politrópica: ሾͳǤ͵ǤͳǤͳሿ‫ ܸ݌‬௞ ൌ ‫ܥ‬ K= constante C=constante En el punto 2 la válvula de descarga se abre y el pistón desplaza el gas hacia el depósito de descarga. En el ciclo teórico, la descarga 2-3 es una isobara (p2=constante); sin embargo, en el ciclo real, la inercia de la masa gaseosa y la acción de las válvulas hace que la descarga no sea a presión constante.. Figura 5: Descarga del gas hacia los depósitos.. 14.

(18) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Una vez que se ha realizado la descarga y el pistón empieza a retirarse, al igualarse las presiones del interior del cilindro y del depósito, la válvula cierra y empieza a descender el pistón. El gas que ha permanecido en el volumen perjudicial se expande en el cilindro, según la línea politrópica 3-4 hasta que alcanza una presión p1 algo menor que la de admisión. En ese momento, la diferencia de presiones entre el interior del cilindro y la admisión es suficiente para superar la tensión del muelle antagonista de la válvula de admisión y abrirla. A partir de ese instante empieza la admisión.. Figura 6: Admisión.. La presión p1, es en todo momento menor que la atmosférica debido a la pérdida de carga en la válvula. La admisión teórica está representada por la línea de presión constante 4-1. Las principales diferencias entre el ciclo teórico y el real son: -. En el diagrama teórico, la línea de admisión es una isobara, sin embargo en el real es una línea ondulada que desciende violentamente cuando la válvula de admisión abre. Este efecto se produce a causa de la inercia de la válvula. Las variaciones de presión durante la aspiración son debidas a la fricción del fluido y la inercia de la masa gaseosa al fluir por el conducto de entrada. Fenómenos similares ocurren en la descarga. La línea de descarga tiene un pico más marcado en el instante en que se abre la válvula.. -. Las líneas de compresión y expansión reales difieren un poco de las politrópicas teóricas debido a que el exponente “k” de los procesos de compresión y expansión no es una constante.. 15.

(19) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Para compresores con una presión de descarga hasta 10MPa los parámetros calculados usando la hipótesis de gas perfecto son muy próximos a los valores reales.. 1.3.2 RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO El rendimiento volumétrico es la relación existente entre el gasto másico real y el gasto másico teórico que el compresor suministraría en las condiciones de referencia.. n: régimen de giro. ߩ௢ : densidad del aire en las condiciones de presión y temperatura exteriores. VD: cilindrada unitaria Existe otra ecuación para expresar el rendimiento volumétrico, en este caso V o representa el caudal suministrado por el compresor medido en condiciones de presión y temperatura exteriores.. ሾͳǤ͵ǤʹǤʹሿߟ௩ ൌ. ܸ௢ ݊ ‫ܸ כ‬஽. El rendimiento nunca es igual a la unidad debido a las siguientes pérdidas: -. Pérdidas debidas a la expansión del fluido contenido en el espacio perjudicial.. -. Pérdidas de carga en el sistema de admisión.. -. Pérdidas por fugas en las válvulas y entre segmentos y paredes del cilindro.. -. Pérdidas por el calentamiento del fluido.. -. Influencia de la relación de compresión en el rendimiento volumétrico.. 16.

(20) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.4 CARACTERÍSTICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN Los instrumentos de medida que se han utilizado en el compresor surgen como solución a la necesidad de medir los distintos parámetros del mismo, dichos parámetros se medirán de forma directa en algunos casos, y de forma indirecta en otros. En el campo de los sensores de señales analógicas hay dos tipos de salida de la señal: amperaje o voltaje. Sin embargo, en el caso de señales digitales, la salida son siempre pulsos. En el caso de las medidas de señales analógicas, que están determinadas en función de magnitudes eléctricas, es necesario acondicionar las señales para que nuestro microcontrolador Arduino pueda leer y trabajar con ellas. Es decir, necesitamos transformar las medidas de las señales a valores entre 0-5 voltios. A continuación se van a explicar todos los sensores utilizados en el proyecto.. 1.4.1 MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA Medidor de presión en cámara: es un sensor que aporta una medida directa para cada instante del ciclo, proporciona una medida de la presión en el interior de la cámara del compresor. El sensor y el primer amplificador utilizado son de la marca PCB. El sensor es de la serie 111 A20, y el amplificador es el modelo 482 A. El medio conductor de la señal, desde el sensor hasta el primer amplificador, es un cable apantallado, cuya característica es mayor de μV para garantizar la transmisión de los datos sin perturbación, ya que en el aire del laboratorio existe una diferencia de potencial de 10mV. Se ha comprobado empíricamente que la señal que proporciona el sensor es una tensión que tiene su mínimo en -0,3 voltios y su máximo en 0,7 voltios, por lo que ha. 17.

(21) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. sido necesario crear un circuito que acondicione la señal para Arduino. Esto es debido a que Arduino no es capaz de trabajar con señales negativas.. 1.4.2 MEDIDOR DE PRESIÓN DE DESCARGA El medidor que había sido utilizado por Miguel Ángel Urbano ya no se encuentra en el laboratorio, en su lugar hay un manómetro que nos proporciona la misma información pero menos precisa. En este caso, es muy importante el cálculo de pérdidas que está explicado en detalle en el apartado 2.2.. 1.4.3 CÉLULA DE CARGA Es un sensor capaz de transformar una fuerza en voltios y está formado por una pieza de hierro con una galga extensiométrica pegada. La transformación se produce de manera indirecta en dos etapas: primero, la fuerza que se quiere medir deforma una galga extensiómetrica; después, la galga extensiómetrica convierte la deformación en una señal eléctrica. La célula de carga y el acondicionador de señal son de la marca Epelsa. La célula es el modelo TSF 13,6 y el acondicionador es el LB2-100. El acondicionador es utilizado para alimentar a la célula de carga, recibir su señal y transformarla a una tensión que valga como señal de entrada del microprocesador. La fuerza que mide indirectamente la célula de carga es reacción de la fuerza que el motor necesita para arrastrar el compresor. El par de accionamiento del compresor es, por tanto: ሾͳǤͶǤ͵Ǥͳሿܶ ൌ ‫ܾ כ ܨ‬ T: par de accionamiento del compresor. 18.

(22) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. b: longitud del brazo. F: fuerza a la que está sometida la célula de carga. Se ha comprobado empíricamente que el valor máximo que proporciona el acondicionador de señal es 0,5112 voltios, por lo que se ha decidido que no es necesaria la utilización de un circuito amplificador. Sin embargo, se ha hecho el estudio para aumentar la tensión de salida por si en un futuro se cree oportuno su uso.. 1.4.4 CODIFICADOR ANGULAR El codificador angular es un transductor que nos proporciona una medida del régimen de giro. En este caso se ha utilizado un codificador angular de la marca Heidenhain, modelo 295-434-08; este modelo requiere estar alimentado por una tensión de 5 voltios. Un codificador angular está formado por dos ruedas concéntricas, una de ella posee 1.024 ventanas y la otra sólo una. A través de lectores ópticos se registra el paso de cada ventana de las dos ruedas, mandando una señal digital por cada paso. El codificador angular es capaz de distinguir a qué rueda pertenece cada ventana y en qué sentido está girando.. 1.4.5 MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL Un sensor de presión diferencial mide el salto de presiones entre la presión ambiental y la presión en la garganta de la tobera, de este modo, facilita de manera indirecta la medida del caudal másico a lo largo del ciclo. El sensor utilizado anteriormente era de la marca Danfoss, modelo 650,9x3, con un rango de entrada de 50 mbar de diferencia y salida de 0 a 20 mA. Dicho sensor necesita estar alimentado a 24 voltios.. 19.

(23) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Este sensor se ha deteriorado con el paso del tiempo y actualmente no funciona, pese a que se intentó arreglar en repetidas ocasiones. Por ello, se han buscado en el mercado nuevas alternativas. Sin embargo, debido al presupuesto limitado del que se ha dispuesto no ha sido posible comprar un nuevo medidor de presión diferencial.. 1.4.6 MICROCONTROLADOR Y SOFTWARE El microcontrolador Arduino es el medio que tomará los datos procedentes de los sensores y los transmitirá a LabVIEW 2012. Para ello es necesario un software adicional, LIFA Base, que es un programa especial que hay que cargar en la placa Arduino, que permite a LabVIEW interaccionar con el microcontrolador. Arduino está diseñado para recibir y enviar señales, por lo que puede funcionar como un controlador del compresor. Esta función probablemente se realizará en un futuro. El microcontrolador utilizado es un Arduino Mega 2560, este microcontrolador nos permite alimentar nuestros circuitos a 3,3 y 5 voltios lo que facilita el montaje de los circuitos acondicionadores de señal. La placa Arduino es capaz de convertir tensiones entre 0 y 5 voltios a un número entero entre 0 y 1.023, esto proporciona una resolución en la lectura de 5 voltios/1024 unidades, esto es, 0,0049 voltios por unidad. El Arduino Mega 2560 posee: -. 54 pines digitales de entrada/salida: los valores de entrada que puede leer pueden ser HIGH que Arduino lo traduce en 5 voltios a la salida o LOW que Arduino lo traduce en 0 voltios en la salida.. -. 14 pines de los 54 digitales que hay pueden ser utilizados como salidas PWM. Esto es, suministrar un valor analógico de tensión en uno de estos pines, que consiste en una onda cuadrada con varios ciclos para conseguir mayor o menor valor continuo de tensión y una frecuencia de 490 Hz. 20.

(24) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. -. 16 pines analógicos de entrada/salida.. -. Salidas Vcc de 5 voltios y 3,3 voltios.. -. 5 pines de tierra.. -. Un resonador cerámico de 16MHz que funciona como un reloj interno.. -. Conexión para USB.. -. Conexión para fuentes de alimentación entre 5-20 voltios.. -. Un botón de reset.. 21.

(25) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 2: DESARROLLO DEL PROYECTO. 22.

(26) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Para llevar a cabo la programación con LabVIEW 2012, es necesario acondicionar las señales a través de circuitos para que sean reconocidas por Arduino. A continuación se explican los circuitos que se han llevado a cabo con cada una de ellas.. 2.1 MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA La señal que proporciona el sensor es una tensión que tiene su mínimo en -0,3 voltios y su máximo en 0,7 voltios, para que Arduino pueda trabajar con ella correctamente es necesario que todos sus valores sean positivos, por ello es necesario sumarle otra señal de 0,3 voltios.. Figura 7: Circuito acondicionador de la señal del sensor de presión en cámara.. 23.

(27) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. El amplificador que se ha utilizado es el LM324 que a su vez, contiene cuatro amplificadores en su interior, de los cuales se han utilizado dos, A y B, como se puede observar en la Figura 7 de la página anterior. El amplificador LM324 necesita una fuente de alimentación entre 3-32 V, en este caso se han utilizado 12 V. En el circuito acondicionador se distinguen cuatro etapas: -. Primera etapa: conseguir una tensión de 0,3 V para sumársela a la señal del sensor y que ésta sea siempre positiva. Para ello se utiliza una fuente de alimentación de 3,3 V y un divisor de tensión cuyas resistencias son R3 y R4. La fuente de 3,3 V es el propio Arduino, esto es una ventaja ya que se evitan errores al estar referenciado respecto a la tierra que Arduino.. -. Segunda etapa: debido a que no es posible sumar la señal de 0,3 V directamente a la señal del sensor, los 0,3 V van a una etapa amplificadora, A. La ganancia de la etapa A es uno, por ello a la salida de esta etapa sigue siendo 0,3 V y al amplificador A es un seguidor de tensión.. -. Tercera etapa: para sumar la señal de 0,3 V y la Vsensor es necesario poner unas resistencias R5 y R6 para evitar errores.. -. Cuarta etapa: amplificación de la señal.. Los cálculos llevados a cabo para determinar los valores de las resistencias son: ܸ െ ܸା ሾʹǤͳǤͳሿܸ ൌ ‫ܴ כ‬͸ ൅ ܸ௦௘௡௦௢௥ ܴͷ ା. Para calcular R5 y R6 se ha planteado el caso más desfavorable que es cuando la señal del sensor es -0,3V. Para simplificar los cálculos, decidimos que R5=R6, por lo que queda: ܸ െ ܸା ሾʹǤͳǤʹሿܸ ൌ ܴ െ Ͳǡ͵ ܴ ା. 24.

(28) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. V+ tiene que ser mayor o igual que cero para que, tras amplificarse en B, se mantenga mayor o igual que cero y así Arduino pueda leerlo correctamente. Por lo tanto se llega a que V=0,3. En el diseño inicial, las resistencias R5 y R6 se definieron de 1Ω, sin embargo, esto podría inducir problemas si en algún momento el sensor proporcionaba demasiada corriente.. ሾʹǤͳǤ͵ሿܷ ൌ. ܷ௦ ܴ ܴ௦ ൅ ܴ. Figura 8: Circuito Thevenin equivalente.. Si la resistencia interna del sensor, Rs, es mucho mayor que R, toda la corriente se consumiría en Rs. En nuestro caso, si la resistencia del sensor es mucho mayor que R5 y R6, no se podría amplificar nada en B, por ello se ha decidido poner R5=R6=100KΩ. Nótese que el sensor utilizado en este proyecto no da problemas con R5=R6=1KΩ, se ha puesto R5=R6=100KΩ para prevenir problemas en futuras aplicaciones si se utilizase el circuito con otro sensor. C1 y C2 son condensadores cerámicos que están conectados a los dos terminales de los amplificadores y a tierra con el único objetivo de eliminar ruido. Los condensadores que se han utilizado en este caso son C1=C2=100nF, es un valor típico en este tipo de circuitos.. 25.

(29) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 2.1.1 CALIBRACIÓN DEL MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA Para calibrar este sensor ha sido necesario basarse en los datos empíricos. Utilizándose así los datos recogidos en el laboratorio al ir aumentando la presión del compresor desde 0 bares hasta 7 bares. Presión (bar). Tensión mínima (V) Tensión máxima (V). 0. 1,0045. 0,9996. 0,5 1. 0,784 0,7. 1,176 1,7395. 1,5. 0,3. 1,9. 2. 0,3528. 2,25. 2,5. 0,2. 2,45. 3 3,5. 0,15 0,1. 2,6 2,9. 4. 0,05. 3,1. 4,5. 0,05. 3,4. 5. 0,001. 3,5. 5,5. 0. 3,7. 6. 0. 3,9. 6,5. 0. 4. 7. 0. 4,3. Tabla 2: Datos para la calibración del sensor de presión en cámara.. 26.

(30) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Figura 9: Calibración del sensor de presión en cámara.. La calibración de este sensor se corresponde con la recta y = 2,1489x – 2,5046, ya que lo que de verdad nos importa en todo momento es la presión máxima y no la mínima.. 2.2 MEDIDOR DE PRESIÓN DE DESCARGA Como medidor de presión de descarga se ha utilizado un manómetro, éste no tiene en cuenta las pérdidas de carga, por lo que es necesario calcularlas. Para ello, se han considerado despreciables las pérdidas por rozamiento en los tramos rectos y se han calculado las pérdidas en singularidades. Pérdidas de carga en singularidades: ሾʹǤʹǤʹሿ݄௩ ൌ ‫ܭ‬௔ ቆ. 27. ܸ௠ଶ ቇ ʹ݃.

(31) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. hv: pérdidas locales [m]. Vm: velocidad media del fluido antes o después de la singularidad. Ka: coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular. Tipo de singularidad. Ka. Válvula de compuerta totalmente abierta. 0,2. Válvula de compuerta mitad abierta. 5,6. Curva de 90º. 1. Curva de 45º. 0,4. Válvula de pie. 2,5. Emboque (entrada en una tubería). 0,5. Salida de una tubería. 1 (1-(D1/D2)2)2. Ensanchamiento brusco Reducción brusca de sección (Contracción). 0,5(1-(D1/D2)2)2. Tabla 3: Coeficiente para cada tipo de punto singular.. En este caso, con el valor de caudal y el valor de área obtenemos la velocidad, sustituyendo en la ecuación 2.2.2 obtenemos las pérdidas locales. Por otro lado, según las especificaciones del compresor, el caudal en condiciones normales de funcionamiento es 3,5E-3 m3/s y el diámetro 1,69E-3 m2.. Singularidad Curva 90º Curva 90º Curva 90º Curva 90º Total. Pérdidas [m]. Ka 1 1 1 1. 0,218617347 0,218617347 0,218617347 0,218617347 0,874469388. Pérdidas [bar] 0,021433073 0,021433073 0,021433073 0,021433073 0,085732293. Tabla 4: Pérdidas de carga en singularidades.. Por lo tanto, las pérdidas de carga a lo largo de las tuberías son 0,0857 bar.. 28.

(32) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 2.3 CÉLULA DE CARGA La señal que nos proporciona este sensor cuando el compresor está funcionando oscila entre 0,2508-0,5112 voltios de media, son valores que el microprocesador reconoce fácilmente. Por lo tanto no es necesario acondicionar la señal. Sin embargo, se ha hecho el estudio del circuito amplificador que podría utilizarse por si en un futuro se considera necesario su uso.. Figura 10: Circuito acondicionador de la señal de la célula de carga.. Siendo:. ሾʹǤ͵Ǥͳሿܸ௦௔௟௜ௗ௔ ൌ ቀͳ ൅. ோଶ ோଵ. ቁ ‫ܸ כ‬௦௘௡௦௢௥. Cabe destacar que si se trata de un amplificador operacional ideal y se realimenta negativamente, u+=u- según el principio de cortocircuito virtual. Es importante que la señal del sensor acceda por la entrada positiva del amplificador y la tierra esté situada en la entrada negativa. De lo contrario, la ganancia del circuito amplificador sería la misma pero de signo negativo, proporcionando Vsalida menor que cero y Arduino no podría trabajar con dicha señal. Al igual que en el circuito de medidor de presión en cámara, C es un condensador cerámico conectado a los terminales de los amplificadores y a tierra con el único objetivo de eliminar ruido. De nuevo se ha utilizado C=100nF, por otro lado, el amplificador que se podría utilizar en este caso es el INA125P. En cuanto a las conexiones, el cable marrón es el que lleva la señal y el cable azul el de tierra.. 29.

(33) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 2.3.1 CALIBRACIÓN DE LA CÉLULA DE CARGA Para calibrar la célula de carga se ha utilizado una balanza, en la que se ha ido aumentando la masa desde 0,5 kg hasta 3 kg. A partir de la masa se ha calculado la fuerza y el par como se puede observar en la siguiente tabla. La medida de tensión se ha hecho a partir del propio programa en LabVIEW 2012. Tensión (V) 0 0,1027 0,1224 0,1715 0,196 0,2058 0,2352 0,2499 0,294 0,3136 0,3283 0,3479 0,3871 0,4067 0,4459 0,4657 0,4763 0,5243 0,5438 0,5637 0,6076 0,6174 0,6321 0,6523 0,7058 0,7394 0,7632. Masa (kg) 0,00 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00. Fuerza (N) 0,00 4,90 5,88 6,86 7,84 8,82 9,80 10,78 11,76 12,74 13,72 14,70 15,68 16,66 17,64 18,62 19,60 20,58 21,56 22,54 23,52 24,50 25,48 26,46 27,44 28,42 29,40. Tabla 5: Calibración de la célula de carga.. 30. Par (Nm) 0 0,9114 1,09368 1,27596 1,45824 1,64052 1,8228 2,00508 2,18736 2,36964 2,55192 2,7342 2,91648 3,09876 3,28104 3,46332 3,6456 3,82788 4,01016 4,19244 4,37472 4,557 4,73928 4,92156 5,10384 5,28612 5,4684.

(34) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Las siguientes tablas muestran las curvas de calibración de la célula de carga, se puede observar que no son líneas rectas debido a ruido y errores de precisión.. Tensión - Masa 3,50 3,00 y = 3,8974x + 0,0831. Masa (Kg). 2,50 2,00. 1,50 1,00 0,50 0,00 0. 0,2. 0,4 0,6 Tensión (V). 0,8. 1. Figura 11: Curva de calibración tensión-masa de la célula de carga.. La recta y = 38,195x + 0,8146 es la aproximación de la curva de la siguiente gráfica a una línea recta. Se utilizará en el apartado 3.2.2 para calcular la fuerza ejercida por el compresor para las distintas presiones del compresor. 31.

(35) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Tensión - Fuerza 35,00 30,00. y = 38,195x + 0,8146. Fuerza (N). 25,00 20,00 15,00 10,00. 5,00 0,00 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. Tensión (V). Figura 12: Curva de calibración tensión-fuerza de la célula de carga.. Tensión - Par 6. y = 7,1042x + 0,1515. Par (Nm). 5 4 3 2 1 0 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. Tensión (V). Figura 13: Curva de calibración tensión-par de la célula de carga.. 32. 0,8. 0,9.

(36) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 2.4 CODIFICADOR ANGULAR En este caso no ha sido necesario el diseño y elaboración de un circuito acondicionador de señal. Lo importante en este sensor ha sido determinar qué cables proporcionaban la señal que había que utilizar para contar las revoluciones a las que gira el eje del motor y, por tanto el compresor. El sensor posee tres cables correspondientes a tres señales y otros tres correspondientes a sus señales negadas, además de los cables de alimentación y tierra. Tras haber observado detenidamente todas ellas en un osciloscopio del laboratorio se ha determinado que los cables que informan de las revoluciones a las que gira el eje del motor son Ua1 y Ua1 negada, conectando a tierra la segunda. La parte más complicada de este sensor ha sido la programación en LabVIEW 2012. Se ha comprobado su funcionamiento utilizando un generador de señal del Laboratorio de Electrónica. Cable. Conexión. Cable marrón. Señal. Cable verde. Señal negada-tierra. Cable blanco. Tierra. Cable marrón/verde Fuente de alimentación 5V Cable blanco/verde. Fuente de alimentación 0V. Tabla 6: Conexiones del codificador angular.. 2.5 MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL Como ya se ha mencionado en el apartado 1.4.5 no ha sido posible llevar a cabo la implementación de un sensor que mida la presión diferencial, pese a que se intentó arreglar el sensor existente en el laboratorio. Aún así, se ha hecho un estudio de cómo acondicionar la señal del sensor Danfoss, modelo 650,9x3.. 33.

(37) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. En este caso el circuito amplificador es capaz, además de amplificar la señal, transformarla de amperios a voltios para que Arduino sea capaz de trabajar con ella.. Figura 14: Circuito acondicionador de señal del sensor de presión diferencial.. Uno de los amplificadores que se podría utilizar en este circuito es el LM741 que se podría alimentar con 22 voltios. De nuevo aparece C=100nF, un condensador conectado a los terminales de los amplificadores y a tierra con el único objetivo de eliminar ruido.. 34.

(38) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 3: IMPACTO, RESULTADOS Y CONCLUSIONES. 35.

(39) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.1. IMPACTO. 1.1.1 IMPACTO AMBIENTAL El impacto ambiental se puede dividir en tres etapas: -. Elaboración del proyecto: durante esta etapa, la contaminación es prácticamente nula, se podría considerar como contaminantes el aceite residual, restos de cobre al pelar cables o pequeñas partículas de estaño como resultado de soldar cables.. -. Funcionamiento del compresor: una vez que se ha finalizado la construcción del proyecto, cuando el compresor esté funcionando, el impacto ambiental también será muy bajo-nulo.. -. Desmantelamiento del proyecto: esta es la etapa más perjudicial para el medio ambiente debido a los componentes electrónicos y eléctricos utilizados.. 3.1.3 IMPACTO SOCIAL El impacto social de este proyecto es muy grande y muy positivo, ya que desde el primer momento el objetivo del mismo era la actualización del compresor para poder llevar a cabo prácticas en el laboratorio con futuros alumnos de la UPM.. 3.1.3.1 TRABAJOS FUTUROS Debido a que la parte de control del compresor desde el ordenador no ha quedado cubierta, está previsto que el próximo año otros dos compañeros de la Escuela se puedan encargar del control, por lo que podrá servir como trabajo de fin de grado para otros alumnos, que se verán ayudados por este mismo proyecto. A lo largo de la realización del proyecto ha surgido la idea de introducir nuevos sensores que ayuden a caracterizar y a controlar el compresor. Uno de estos sensores 36.

(40) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. estaría destinado a medir la temperatura, ya que cuando el compresor se calienta a veces induce a problemas. No hay que olvidar el sensor de presión diferencial que no se ha conseguido incorporar al banco de ensayo y aportaría información de gran interés. Por último, sería conveniente comprobar el correcto funcionamiento de la parte del programa que trata el codificador angular ya que como se explica en el apartado 3.2.3 a veces se observan algunas irregularidades.. 1.2. RESULTADOS. 1.2.1 MEDIDOR DE PRESIÓN EN CÁMARA Para medir la presión en cámara se han hecho ensayos de laboratorio en los que se han recogido los siguientes resultados. Presión (bar). Tensión mínima (V). Tensión máxima (V). Tiempo (s). 0. 1,0045. 0,9996. 0. 0,5. 0,784. 1,176. 23,5. 1. 0,7. 1,7395. 39. 1,5 2. 0,3 0,3528. 1,9 2,25. 46 53. 2,5. 0,2. 2,45. 62. 3. 0,15. 2,6. 70. 3,5. 0,1. 2,9. 80. 4. 0,05. 3,1. 91. 4,5. 0,05. 3,4. 103. 5. 0,001. 3,5. 117. 5,5. 0. 3,7. 133. 6. 0. 3,9. 150. 6,5 7. 0 0. 4 4,3. 171 195. Tabla 7: Resultados del sensor de presión en cámara para presiones de 0-7 bares.. 37.

(41) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Como se puede observar, la tensión va oscilando entre dos valores para cada valor de presión, esto se debe al movimiento del pistón en el interior del compresor como ya se ha explicado en el apartado 1.3.1. 1.2.2 CÉLULA DE CARGA Se ha realizado un ensayo en el laboratorio en el cual se ha ido aumentando la presión del compresor desde cero bares hasta 7 bares. En el caso en que la presión es cero bares no se utiliza la recta y = 38,195x + 0,8146, sino que se impone que la fuerza es igual a cero. Presión (bar) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7. Tensión (V) 0 0,2508 0,2857 0,3454 0,3751 0,4143 0,4221 0,4495 0,4565 0,4641 0,4786 0,4926 0,4969 0,5031 0,5112. Fuerza (N) 0 10,393906 11,7269115 14,007153 15,1415445 16,6387885 16,9367095 17,9832525 18,2506175 18,5408995 19,094727 19,629457 19,7936955 20,0305045 20,339884. Par (Nm) 0 1,933266516 2,181205539 2,605330458 2,816327277 3,094814661 3,150227967 3,344884965 3,394614855 3,448607307 3,551619222 3,651079002 3,681627363 3,725673837 3,783218424. Tiempo (s) 0 23,5 39 46 53 62 70 80 91 103 117 133 150 171 195. Tabla 8: Resultados de la célula de carga para presiones de 0-7 bares.. 38.

(42) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Tensión - Fuerza 35,00 30,00 y= 38,195x + 0,8146. Fuerza (N). 25,00 20,00 Calibración. 15,00. Resultados. 10,00 5,00 0,00 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. Tensión (V). Figura 15: Resultados de la célula de carga para presiones de 0-7 bares.. La fuerza que realiza el motor es proporcional a la tensión que aporta la célula de carga, con una relación de proporcionalidad de y= 38,195x + 0,8146 obtenida en el apartado 2.3.1. El par es el resultado de multiplicar la fuerza por el brazo, en nuestro caso el brazo mide 186 milímetros. La célula de carga utilizada está caracterizada por: -. Sensibilidad 3mV, V±10%. -. Esfuerzo máximo: 136,08 kg T-C.. 39.

(43) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.2.3 CODIFICADOR ANGULAR Se ha comprobado que el codificador angular funciona correctamente a través de un osciloscopio como se puede observar en la Figura 16.. Figura 16: Señal del codificador angular en el osciloscopio.. Por otro lado, se ha comprobado que el programa en LabVIEW funciona de manera estable y correcta utilizando un generador de señal del Departamento de Electrónica. Finalmente se han medido las revoluciones por minuto a las que gira el eje del motor y, por tanto, el compresor con un tacómetro. Éste nos ha proporcionado la siguiente información: Variador de frecuencia (Hz) 20 21 22,5 23,5. Tacómetro (rpm) 1.145,00 1.203,00 1.293,00 1.350,00. Tabla 9: Relación variador de frecuencia y tacómetro.. 40.

(44) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Figura 17: Señal del codificador angular en LabVIEW 2012.. A pesar de que el codificador angular y el programa de LabVIEW por separado funcionan correctamente, cuando trabajan juntos se perciben algunas irregularidades. Una de las formas de solucionar este problema podría ser utilizando filtros en el programa de LabVIEW.. 1.2.4 MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL Debido a que no ha sido posible el arreglo del sensor que había en el laboratorio ni la compra de uno nuevo debido al elevado coste, no hay resultados disponibles.. 1.3. PLANIFICACIÓN TEMPORAL. Para llevar a cabo el proyecto se ha realizado una división del mismo en tareas más sencillas, Estructura de Descomposición del Trabajo y la planificación temporal del mismo en un diagrama de Gantt. Inicialmente, la parte de hardware y la parte de software se realizaron conjuntamente, posteriormente se siguieron caminos de trabajo distintos, para finalmente volver a unirse.. 41.

(45) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.3.1 ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DE TRABAJO (EDT) La EDT mostrada es una simplificación en la que no aparecen los trabajos de Software realizados.. ACTUALIZACIÓN DE UN COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO. 1. Dirección de proyecto. 2. Medidor de presión en cámara. 3. Célula de carga. 4. Codificador angular. 5. Sensor de presión diferencial. 6. Microcontrolador. 1.1. Alcance del proyecto. 2.1. Búsqueda de información. 3.1. Búsqueda de información. 4.1. Búsqueda de información. 5.1. Búsqueda de información. 6.1. Búsqueda de información. 1.2. Planificación y control temporal. 2.2.Diseño y elaboración del circuito acondicionador. 3.2. Diseño del circuito acondicionador de señal. 4.2. Observación de las distintas señales con osciloscopio. 5.2. Diseño del circuito acondicionador de señal. 6.2. Pruebas con los sensores. 1.3. Planificación y control de costes. 2.3. Comprobación del circuito con un generador de señal. 3.3. Comprobación del Software. 4.3. Comprobación del Software. 5.3. Pruebas en el laboratorio. 1.4. Reuniones con el tutor. 2.4. Comprobación del circuito con el sensor. 3.4. Toma de datos y verificación. 4.4.Toma de datos y verificación. 5.4. Búsqueda de otros sensores en el mercado. 1.5. Compra de materiales. 2.5. Comprobación del circuito con el Software. 1.6. Reuniones Software y Hardware. 2.6. Toma de datos y verificación. Figura 18: EDT.. 1.3.2 PLANIFICACIÓN TEMPORAL La planificación temporal se ha hecho a través de un Diagrama de Gantt. En la siguiente tabla 9 se puede observar una distribución de las tareas que se han llevado a. 42.

(46) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. cabo con las fechas correspondientes. El diagrama de Gantt elaborado con Microsoft Project se encuentra en el Anexo II. Nombre. Comienzo. Fin. Toma de contacto con los sensores. Compra de material. 20/03/2014. 25/03/2014. Soldar pines. 28/03/2014. 31/03/2014. Pruebas con el sensor de presión diferencial Instalar Arduino Intentar programar un ejemplo de Arduino. No funciona. Pedir ayuda Diseño de los circuitos acondicionadores de señales. 31/03/2014. 13/05/2014. 31/03/2014. 31/03/2014. 08/04/2014. 08/04/2014. 22/04/2014. 16/05/2014. Estudio del sensor de presión en cámara. 22/04/2014. 16/05/2014. Estudio de la célula de carga.. 30/04/2014. 06/05/2014. El sensor de la célula de carga funciona sin circuito. Estudio del circuito del sensor de presión diferencial. 07/05/2014. 07/05/2014. 14/05/2014. 16/05/2014. El sensor de presión diferencial no funciona El compresor se rompe porque estaba mal montado. Pedro lo repara.. 19/05/2014. 19/05/2014. 06/05/2014. 13/05/2014. El circuito del sensor de presión en cámara funciona Estudio del codificador angular Mejorar las conexiones del codificador angular y alimentarlo. 19/05/2014. 19/05/2014. 16/05/2014. 16/06/2014. 20/05/2014. 20/05/2014. Ver las señales del codificador angular con un osciloscopio. 21/05/2014. 21/05/2014. Comprobamos que Ua1 es la señal que buscamos. 22/05/2014. 22/05/2014. Programación del codificador angular Búsqueda de nuevos sensores de presión diferencial en el mercado No es posible comprar un nuevo sensor de presión diferencial debido al presupuesto Funciona el sensor de presión en cámara, el codificador angular y la célula de carga a la vez Calibraciones. 23/05/2014. 11/06/2014. 19/05/2014. 03/06/2014. 11/06/2014. 11/06/2014. 13/06/2014. 13/06/2014. 16/06/2014. 27/06/2014. Calibración célula de carga. 16/06/2014. 16/06/2014. Calibración sensor de presión en cámara. 20/06/2014. 20/06/2014. Tabla 10: Planificación temporal.. 43.

(47) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.4. CONCLUSIONES. Este proyecto abarca varios campos importantes de la ingeniería desde la electrónica utilizada en el acondicionamiento de las señales, la electricidad empleada en el diseño de los circuitos acondicionadores de señales, la informática y programación para crear un programa en LabVIEW 2012 y poder tomar medidas de las señales de los sensores. También son necesarios conocimientos sobre motores térmicos y máquinas eléctricas para entender el funcionamiento del motor asíncrono y del compresor volumétrico alternativo. Los conocimientos de física básica son útiles para el cálculo del par a partir de la deformación de la célula de carga. Y, por último, la fluidomecánica, esencial para conocer y comprender los parámetros más importantes que se buscan en un ensayo en motores volumétricos alternativos, además de otros campos menos ingenieriles pero no menos importantes. El montaje que se ha elaborado, junto con la programación en LabVIEW permitirá al departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica y en concreto, al Laboratorio de Motores Térmicos disfrutar de un banco de ensayo de compresores volumétricos actualizado y modernizado que permite tomar medidas de sus sensores a través de un ordenador. Por lo tanto, posee una funcionalidad más extensa a la hora de realizar prácticas de laboratorio con alumnos. Cabe destacar que tras las pruebas de verificación del trabajo realizado, se puede afirmar que las señales están perfectamente acondicionadas y la programación en LabVIEW es correcta ya que los datos que se recogen a través del ordenador son los esperados tras haber hecho previamente un extenso estudio. Por lo tanto, se puede concluir que el sistema se comporta de manera estable y responde perfectamente a la demanda del usuario por lo que se han cumplido los objetivos planteados al inicio del proyecto. Con vistas al futuro, se puede afirmar que ahora el banco posee un gran potencial, ya que está previsto que el próximo año se pueda realizar la programación del variador de frecuencia desde LabVIEW proporcionando así un control total a dicho banco.. 44.

(48) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Por otro lado, los circuitos realizados, haciendo pequeños cambios en el código del programa, podrían utilizarse en un futuro para otros dispositivos. Lo mismo ocurre con el programa de LabVIEW que tiene utilidad más allá de este proyecto. Por último, entrando en el ámbito personal, me gustaría aclarar que este proyecto se ha centrado en su mayoría en trabajo de laboratorio, fuera del ámbito teórico al que estaba acostumbrada hasta ahora. Por lo tanto, me ha permitido ampliar mis conocimientos de forma práctica, lo que me parece de gran utilidad para el desarrollo de mi futura vida laboral. También quiero destacar el trabajo en grupo que se ha llevado a cabo a través de este proyecto, me siento afortunada por haber compartido esta labor. A lo largo del proyecto, tanto mi compañero como yo nos hemos tenido que coordinar para optimizar tiempo y trabajo, hemos tenido que llegar a acuerdos que no siempre eran fáciles, pero por encima de todo, hemos aprendido juntos, y creo, que mucho más que si hubiésemos trabajado individualmente. Por todo ello, agradezco la oportunidad de aprendizaje y formación que me fue ofrecida a través de este proyecto.. 45.

(49) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 4: ESTUDIO ECONÓMICO. 46.

(50) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 4.1 IMPACTO ECONÓMICO En cuanto al impacto económico, hay que tener presente que este proyecto parte del realizado por Miguel Ángel Urbano en 1.998, el cual ya no se aprovechaba debido a su deterioro. Por lo que con un desembolso económico, no muy grande, este proyecto ha permitido recuperar la inversión realizada por la E.T.S.I.I. años atrás. Por otro lado, recordando que este proyecto tiene como fin ser objeto de prácticas en los próximos años, será un bien útil para la UPM. Por lo que la actualización de un compresor antiguo va a evitar la compra de otro y por lo tanto supondrá un gran ahorro económico. El gasto que ha producido la realización de este proyecto no ha sido elevado por dos motivos: -. Los componentes electrónicos son baratos.. -. La mano de obra de los ingenieros ha sido llevada a cabo por alumnos que realizaban el Proyecto Fin de Grado, carente de remuneración, por lo que no ha supuesto ningún desembolso. Sin embargo, si este proyecto lo hubiesen realizado ingenieros ya graduados, el coste habría sido mucho mayor debido al gran número de horas requeridas.. 4.2 RENTABILIDAD En términos de rentabilidad, se puede decir que el proyecto va a ser altamente rentable. Esto se debe a que la inversión realizada este año va a suponer que la universidad tenga cubiertos los elementos necesarios para realizar prácticas de compresores durante los próximos años.. 47.

(51) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 4.3 PRESUPUESTO En esta sección se muestra el presupuesto del proyecto detallando cada desembolso que se ha llevado a cabo para la construcción del prototipo y la distribuidora de la que se ha conseguido. Todo esto puede observarse en la tabla 9. El coste total ha sido de 148,06 euros, siendo el componente más caro la placa Arduino (43,2 euros). En el proyecto de Miguel Ángel Urbano, en lugar de Arduino se utilizaba una Tarjeta de adquisición de datos (con un precio alrededor de 600 euros), Arduino es considerablemente más barato. Además, Arduino permite un control mucho más completo y sencillo del compresor que la Tarjeta de adquisición de datos y es una buena inversión para el Laboratorio de Máquinas y Motores Térmicos ya que, si se diese el caso, se podría utilizar en otros proyectos sucesivos. No se ha gastado dinero en software ya que el de Arduino es libre y gratuito y la licencia para el programa LabVIEW 2012 fue proporcionada por la propia E.T.S.I.I. El presupuesto inicial para la realización del proyecto era de entorno de 300 euros y se ha logrado llevarlo a cabo por 148,06 euros. Siendo, como ya se ha mencionado antes la placa Arduino el componente más caro de todo el proyecto. El ahorro que se ha producido es debido a que algunos componentes han sido cedidos por el Departamento de Electrónica de la E.T.S.I.I. y, que finalmente no ha sido posible la compra de un sensor de presión diferencial. Componentes. Cantidad Precio unitario (€). Precio (€). Distribuidora. Arduino Mega 2560. 1. 43,2. 43,2. Electrónica Embajadores. Protoboard. 3. 9,12. 27,36. Actron. Cables. 75. 0,252. 18,9. Actron. Resistencias 5kΩ. 3. 0,21. 0,63. Electrónica Embajadores. Resistencia 3,3kΩ. 2. 0,152. 0,304. Electrónica Embajadores. Resistencia 2 kΩ Resistencia 1kΩ. 5 5. 0,141 0,132. 0,705 0,66. Electrónica Embajadores Electrónica Embajadores. Condensador 100nF. 5. 0,1502. 0,751. Electrónica Embajadores. Amplificador LM324. 3. 1,45. 4,35. Actron. Amplificador INA125. 3. 1,27. 3,81. Actron. 48.

(52) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. Amplificador LM741. 3. 2,13. 6,39. Actron. Potenciómetro 200KΩ. 1. 4,75. 4,75. Actrón. Fuente de alimentación (24V) Fuente de alimentación (5-12V). 1 2. 17,35 9,45. 17,35 18,9 148,06. Electrónica Embajadores Electrónica Embajadores. Tabla 11: Partidas del presupuesto.. 49.

(53) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 5: SÍMBOLOS Y BIBLIOGRAFÍA. 50.

(54) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 1.1. LISTA DE SÍMBOLOS. b. Longitud del brazo. Ec. Energía cinética. F. Fuerza. hv. Pérdidas locales.. k. Exponente politrópico. Ka. Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular Gasto másico. n. Régimen de giro. p. Presión. p1. Presión de admisión. p2. Presión de descarga. q. Caudal. T. Par. V. Volumen. VD. Cilindrada unitaria. Vm. Velocidad media del fluido antes o después de la singularidad. W. Trabajo. ߟ. Rendimiento. ߩ. Densidad. 1.2. BIBLIOGRAFÍA. [1] J, Arregle, J. Galindo, J.V. Pastor, J.R. Serrano, J.A. Broatch, J.M. Luján, R. Payri y A.J. Torregrosa. Procesos y tecnología de máquinas y motores térmicos. Universidad Politécnica de Valencia. [2] M.Muñoz y Dr.F.Payri. Motores de Combustión interna alternativos. Sección de publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros Industriales Fundación General-U.P.M.. 51.

(55) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. [3] Tomás Sánchez Lencero, Antonio Muñoz Blanco y Francisco J.Jiménez-Espadafor Aquilar. Turbomáquinas térmicas. Editorial Síntesis. [4] F.Payri y J.M.Desantes. Motores de combustión interna alternativos. Editorial Reverté, Editorial UPV. [5] Tony Giampaolo. Compressor Handbook, principles and practice. The Fairmont Press, Inc. [6] Royce N. Brown. Compressors. Gulf Publishing Company. [7] Richard W.Greene. Compresores, selección, uso y mantenimiento. Mc Graw Hill. [8] P.Chambadal, traducción por Luis Virto Albert. Los compresores. Editorial labor. [9] Joaquín Martí Rodríguez y Félix Mayoral González. Mecánica de Fluidos. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid.. 1.2.1 OTROS PROYECTOS [1] Automatización de un banco de ensayo de compresores volumétricos. [2] Actualización y automatización de la toma de medidas en un compresor volumétrico alternativo. 1.2.2 DIRECCIONES ELECTRÓNICAS [1] http://arduino.cc/ [2]http://hardware-hackingmx.com/2013/06/25/leccion-7-arduino-comunicacion-serialarduino-pc/. 52.

(56) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 6: ANEXOS. 53.

(57) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 6.1 ANEXO I I.. Señal de presión en cámara I.I. Admisión. I.II. Descarga.. 54.

(58) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. II.. III.. Señal del codificador angular. Foto de la célula de carga.. 55.

(59) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. IV.. Banco de ensayo.. 56.

(60) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. V.. VI.. VII.. Motor eléctrico Siemens.. Compresor volumétrico alternativo.. Variador de frecuencia.. 57.

(61) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. VIII.. IX.. X.. XI.. Depósitos.. Sensor de presión en cámara.. Amplificador del sensor de presión en cámara.. Célula de carga.. 58.

(62) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. XII.. XIII.. Acondicionador de señal de la célula de carga. Balanza para calibrar la célula de carga.. 59.

(63) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. XIV.. XV.. XVI.. Codificador angular. Sensor de presión diferencial.. Sensor de presión de descarga (manómetro).. 60.

(64) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. XVII.. Arduino Mega 2560.. 61.

(65) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 6.2 ANEXO II Diagrama de Gantt.. 62.

(66) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 63.

(67) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 64.

(68) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. 6.3 ANEXO III Programación en LabVIEW 2012.. 65.

(69) Universidad Politécnica de Madrid Miriam Martín Nieto. CAPÍTULO 7: MANUALES. 66.

(70) LM124-N, LM224-N, LM2902-N, LM324-N www.ti.com. SNOSC16B – MAY 2004 – REVISED SEPTEMBER 2004. LM124-N/LM224-N/LM324-N/LM2902-N Low Power Quad Operational Amplifiers Check for Samples: LM124-N, LM224-N, LM2902-N, LM324-N. FEATURES. ADVANTAGES. •. • •. 1. 2. • • •. •. • • • • •. Internally Frequency Compensated for Unity Gain Large DC Voltage Gain 100 dB Wide Bandwidth (Unity Gain) 1 MHz (Temperature Compensated) Wide Power Supply Range: – Single Supply 3V to 32V – or Dual Supplies ±1.5V to ±16V Very Low Supply Current Drain (700 ȝA)—Essentially Independent of Supply Voltage Low Input Biasing Current 45 nA (Temperature Compensated) Low Input Offset Voltage 2 mV – and Offset Current: 5 nA Input Common-Mode Voltage Range Includes Ground Differential Input Voltage Range Equal to the Power Supply Voltage Large Output Voltage Swing 0V to V+ í 1.5V. UNIQUE CHARACTERISTICS •. • •. In the Linear Mode the Input Common-Mode Voltage Range Includes Ground and the Output Voltage can also Swing to Ground, Even Though Operated from Only a Single Power Supply Voltage The Unity Gain Cross Frequency is Temperature Compensated The Input Bias Current is also Temperature Compensated. • • •. Eliminates Need for Dual Supplies Four Internally Compensated Op Amps in a Single Package Allows Directly Sensing Near GND and VOUT also Goes to GND Compatible with All Forms of Logic Power Drain Suitable for Battery Operation. DESCRIPTION The LM124-N series consists of four independent, high gain, internally frequency compensated operational amplifiers which were designed specifically to operate from a single power supply over a wide range of voltages. Operation from split power supplies is also possible and the low power supply current drain is independent of the magnitude of the power supply voltage. Application areas include transducer amplifiers, DC gain blocks and all the conventional op amp circuits which now can be more easily implemented in single power supply systems. For example, the LM124-N series can be directly operated off of the standard +5V power supply voltage which is used in digital systems and will easily provide the required interface electronics without requiring the additional ±15V power supplies.. 1. 2. Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications of Texas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet. All trademarks are the property of their respective owners.. PRODUCTION DATA information is current as of publication date. Products conform to specifications per the terms of the Texas Instruments standard warranty. Production processing does not necessarily include testing of all parameters.. Copyright © 2004, Texas Instruments Incorporated.

(71) LM124-N, LM224-N, LM2902-N, LM324-N SNOSC16B – MAY 2004 – REVISED SEPTEMBER 2004. www.ti.com. Connection Diagrams. Note 1: LM124A available per JM38510/11006 Note 2: LM124-N available per JM38510/11005 Note 3: See STD Mil DWG 5962R99504 for Radiation Tolerant Device. Figure 1. Dual-In-Line Package - Top View See Package Number J0014A D0014A or NFF0014A. Note 3: See STD Mil DWG 5962R99504 for Radiation Tolerant Device. Figure 2. See Package Number NAD0014B See Package Number NAC0014A. Schematic Diagram (Each Amplifier). 2. Submit Documentation Feedback. Copyright © 2004, Texas Instruments Incorporated. Product Folder Links: LM124-N LM224-N LM2902-N LM324-N.

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