DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AGUA POTABLE REMOTO CON INTERACCIÓN AL USUARIO BASADO EN EL CONCEPTO “INTERNET DE
LAS COSAS”
GERARDO GUACANEME VALBUENA. 9920553.
DIDIER ALEXIS PARDO AGUDELO. 20042005070.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISO JOSÉ DE CALDAS
CONTENIDO
I. INTRODUCCION……… 1
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………. 2
III. ANTECEDENTES……… 2
IV. OBJETIVO GENERAL……… 4
V. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……… 4
VI. JUSTIFICACIÓN………. 5
VII. ALCANCES Y LIMITACIONES……… 6
1. INTERNET DE LAS COSAS……….. 7
1.1 COMPONENTES DE UNA IoT………... 8
1.2 MODOS DE COMUNICACIÓN E INTERACCIÓN……….. 9
2. MÉTODO DE MEDICIÓN DE CONSUMO DE AGUA……… 13
2.1 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MEDIDORES DE FLUJO……….. 13
2.2 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN………. 14
2.3 SELECCIÓN DEL TIPO DE DISPOSITIVO……….. 17
2.4 MEDIDOR DE FLUJO VOLUMÉTRICO……….. 17
2.5 SENSOR SELECCIONADO………... 20
2.6 CONCLUSIONES………... 24
3. MÉTODO DE MEDICIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA……… 26
3.1 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA… 26 3.2 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN……… 28
3.3 SELECCIÓN DEL TIPO DE DISPOSITIVO………. 31
3.4 MEDICIÓN DE CORRIENTE………... 31
3.5 MEDICIÓN DE VOLTAJE……… 33
3.6 SENSOR SELECCIONADO……….. 33
3.7 CONCLUSIONES………... 41
4. MÉTODO DE COMUNICACIÓN DE DISPOSITIVOS……….. 42
4.1 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS……….. 42
4.2 SELECCIÓN DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICO……… 43
4.3 DISPOSITIVO WIFI ESP8266EX……….. 44
4.4 CONCLUSIONES……… 54
5. INTEGRACIÓN DE ELEMENTOS Y ELABORACIÓN DE OBJETOS IoT………. 55
5.1 ESQUEMA GENERAL………... 55
5.2 CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR……… 57
5.3 CARACTERÍSTICAS DE LA MEMORIA………. 58
5.4 INTEGRACIÓN DE ELEMENTOS DEL HARDWARE………... 59
5.5 PROGRAMACION: MODOS DE OPERACIÓN………... 63
5.6 ESTRUCTURA DE DATOS ENVIADOS POR EL OBJETO IOT……… 75
5.7 ENSAMBLE DE OBJETOS IoT………. 79
6. CONEXIÓN DE LOS OBJETOS IoT A LA WEB……… 80
6.2 WEBSOCKET……….. 83
6.3 DISEÑO BACK-END (NODE.JS)……….. 87
6.4 DISEÑO FRONT-END……… 89
6.5 FUNCIONAMIENTO DEL SERVIDOR……… 92
6.6 PRUEBAS DEL SERVIDOR WEB……… 98
6.7 CONCLUSIONES……… 108
7. ETIQUETADO E INTERACCIÓN DE OBJETOS IoT……… 109
7.1 GENERACIÓN DE CÓDIGOS QR……… 111
7.2 PASOS PARA EL ACCESO AL OBJETO IoT MEDIANTE CÓDIGOS QR…………... 112
7.3 PERFIL PÚBLICO DEL OBJETO IoT DE CONSUMO DE AGUA………. 113
7.4 PERFIL PÚBLICO DEL OBJETO IoT DE CONSUMO DE ENERGÍA………... 115
8. CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES FUTURAS………. 117
8.1 CONCLUSIONES……… 117
8.2 CONSIDERACIONES FUTURAS………. 118
9. MANUALES DE OPERACIÓN……… 120
9.1 INSTALACION Y CONFIGURACION DE LOS DISPOSITIVOS WIFI………. 120
9.2 MANUAL DE USUARIO DE LA INTERFAZ WEB……… 126
9.3 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS………. 130
9.4 COSTOS……… 131
10. BIBLIOGRAFÍA………. 133
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I. INTRODUCCION
El presente proyecto aplica las características generales de la denominada “Internet de las Cosas” (Internet of Things, IoT abreviadamente, como se usará en adelante) en un sistema orientado a la medición de variable propias de un ambiente domótico. IoT ha madurado como consecuencia del desarrollo de nuevos dispositivos de comunicación que permiten un fácil acceso a redes conectadas a Internet, así como la aparición de sistemas de identificación electrónicos capaces de compartir información sobre los objetos a los cuales se encuentran asociados. Este concepto brinda nuevas posibilidades de interacción, ya sea en el hogar, en ambientes industriales o comunitarios diversos generando un aumento no sólo en la información disponible del entorno, sino también en las acciones que se pueden ejecutar a partir del conocimiento de variables y estados seleccionados. IoT se encuentra inmerso dentro del marco de los denominados sistemas ubicuos cuya pretensión es transformar la computación actual en una donde los sistemas informáticos en general se encuentran inmersos de forma natural en los entornos humanos e interconectados a través de redes inteligentes.
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II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En la actualidad el denominado Internet de las cosas aún se encuentra en un proceso de estructuración, donde apenas existen algunas primeras soluciones con algunas aplicaciones a nivel comercial, esto debido a los múltiples desafíos que se deben afrontar a fin de hacer que la IoT sea comercialmente viable, segura, eficiente, y atractiva para los de diferentes actores involucrados en el mercado de los sistemas de información y comunicación (Compañías de electrónica, proveedores de servicios de Internet, empresas dedicadas a la infraestructura de los servicios públicos, entre otros).
Se desarrollará una aplicación orientada al “Internet de las cosas” donde se pueda observar el consumo de recursos de energía eléctrica y agua potable en un ambiente doméstico con cinco dispositivos previamente instalados, tres para terminales eléctricas (monofásicas) y dos para medir el consumo de agua de un grifo de uso domestico. La observación de estos datos se puede efectuar interactuando con los dispositivos a través de un dispositivo móvil inteligente conectado a Internet. Con este ejercicio se espera poder mostrar los diferentes actores que intervienen en una arquitectura de Internet de las cosas así como tratar con soluciones particulares para cada una de las características del sistema.
III. ANTECEDENTES
3 del ambiente con los cuales se interactúa de forma natural. Weiser esboza la necesidad de que una vez estos dispositivos estén presentes en el ambiente estos sean capaces de comunicarse a través de redes ubicuas de dispositivos lográndose una integración a nivel de hardware, de software y de red en lo que denomina “virtualidad incorporada” en contraposición al concepto de “realidad virtual” donde el humano se sumerge en un ambiente ficticio creado a partir de un programa de computador.
En el año 2001 Sun Microsystems inició el desarrollo del proyecto JXTA (acrónimo de Juxtapose), el cual tenía como uno de sus propósitos “especificar un conjunto estándar de protocolos omnipresentes de tipo peer-to-peer (P2P - de igual a igual) como base de la futura Web de las Cosas” [2] Este se centra en la elaboración de una plataforma de código abierto capaz de funcionar en una amplia gama de dispositivos, dado el inicio de la masificación de estos (teléfonos móviles, beepers, PDA, computadoras portátiles, sensores de telemetría y sistemas de seguimiento, entre otros). El proyecto se fija en la necesidad de crear una red virtual (independiente de la ubicación de los objetos o de la red de transporte) para el adecuado intercambio de información entre dispositivos con características de máquina dispares mediante el uso de documentos XML. Su enfoque de comunicación P2P pugnaba por una arquitectura sencilla donde los servidores centralizados y los DNS son reemplazados por comunicaciones entre nodos con información redundante. Oracle adquirió Sun Microsystems en 2010 y en Noviembre de ese mismo año anunció que no continuaría el apoyo a los proyectos JXTA.
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IV. OBJETIVO GENERAL.
Diseñar e implementar un sistema de medición de consumo de energía eléctrica y agua potable remoto con interacción al usuario basado en el concepto "Internet de las cosas"
V. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
- Establecer un método de medición de energía eléctrica y agua potable que permita la lectura de los datos a fin de ser capturados y enviados por un dispositivo de comunicación inalámbrico.
- Establecer el método de comunicación entre los dispositivos sensores y el colector de datos.
- Diseñar e implementar un sistema de medición de agua potable.
- Diseñar e implementar un sistema de medición de energía eléctrica.
- Diseñar e implementar una plataforma de software de comunicación y almacenamiento de datos dentro del marco del Internet de las cosas.
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VI. JUSTIFICACIÓN.
El estado actual de la electrónica y la informática ha alcanzado una gran capacidad en cuanto a la recepción y análisis de datos gracias a la conectividad de Internet y el uso masivo de redes inalámbricas, así como la aparición de dispositivos móviles inteligentes capaces de efectuar procesos computacionales complejos. El denominado “Internet de las cosas” es un concepto nacido dentro de esta tendencia. La idea general que hay detrás de IoT postula que “cualquier objeto convenientemente etiquetado, podrá ser capaz de comunicarse con otros objetos y sistemas, ya sea utilizando Internet, redes privadas u otros mecanismos de comunicación” [5]. Este enfoque es mucho más amplio que el actual concepto de domótica, pues implica la posibilidad de tener, de una parte, objetos con algún tipo de inteligencia indistintamente si son parte del hogar o de otros entornos, y por el otro una interacción mucho más abierta, donde se puede intercambiar información más allá de las funciones hasta ahora previstas para el hogar. La conectividad se logra mediante sistemas de redes inteligentes o similares que se caracterizan por ser aplicaciones de la denominada web semántica, igualmente se hace uso de los conceptos de los sistemas ubicuos, tales como tareas específicas, reconocimiento del entorno, proactividad, entre otros.
Aunque en la actualidad existen algunos desarrollos tendientes a mejorar las condiciones del uso de recursos dentro y fuera del hogar, dichas herramientas poseen un impacto menor al esperado en el ahorro y la concientización del uso de los mismos, como en el caso de la energía eléctrica y el agua potable. Esto se debe principalmente a que la introducción de instrumentos de medición y control al interior de viviendas y otros entornos se enfoca principalmente a conseguir espacios más confortables con un menor esfuerzo por parte del usuario. Por otra parte, las aplicaciones de domótica se dirigen principalmente al hogar, que es un entorno donde la interacción suele ser con unas pocas personas: Encender automáticamente una luz o conocer el estado de temperatura y humedad de un recinto están restringidos a los dueños de la vivienda. Al tratar de aplicar estos elementos de confort a sitios con una presencia de personas mucho mayor (espacios públicos) la interacción se vuelve muy compleja; en estos casos resulta más atractivo tener aplicaciones en la nube desde las cuales efectuar dichas interacciones.
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VII. ALCANCES Y LIMITACIONES.
A fin de mostrar la efectividad de la propuesta realizada se utilizaron un total de cinco dispositivos repartidos de la siguiente manera: Tres dispositivos de medición de consumo de energía eléctrica monofásica enviando estos datos de forma inalámbrica. Igualmente se utilizaron dos dispositivos de medición de consumo de agua para aplicación residencial capaces de enviar estos datos de forma inalámbrica. Mediante un dispositivo móvil inteligente tipo Smartphone, tableta o PC es posible la interacción con los objetos y el vínculo inicial se establece mediante la lectura de etiquetas QR. Finalmente, un servidor web con capacidad de interpretar un protocolo a nivel de aplicación de las Cosas sobre IP versión 4 (Websocket) soporta la estructura de datos.
No se han establecido nuevos protocolos o arquitecturas adicionales a las que se han estado experimentando en los últimos años, en cambio se amoldaron las características de estas arquitecturas en los circuitos que se encuentran actualmente a disposición como lo son los dispositivos de comunicación inalámbricos embebidos así como las redes 810.11 Wi-Fi que están en su momento de mayor difusión. Al hacer uso de los elementos disponibles actualmente se ha logrado una implementación que muestra los conceptos principales de una IoT. Para una implementación completa y óptima, sin embargo, es necesario la modificación o el desarrollo de nuevos protocolos y sistemas de conexión en red para los objetos. Igualmente, no se efectúa un control estricto sobre el consumo de energía eléctrica o el de agua potable, simplemente se efectúan las mediciones a fin de que sean los usuarios quienes tomen las acciones pertinentes de control y optimización.
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1. INTERNET DE LAS COSAS
El Internet de las Cosas es un concepto que hace referencia a la interconexión de objetos cotidianos en una red, “los objetos adquieren una identidad propia, detectando el entorno en el que se encuentran e intercambiando información” [6]. Dispositivos y personas están conectados y pueden comunicarse entre sí en lo que se ha denominado un entorno ubicuo. Puede definirse como una infraestructura de red global dinámica con capacidades auto configurables basadas en estándares y protocolos de comunicación donde los “objetos” físicos y virtuales llevan asociados una identidad así como atributos físicos y personalidades virtuales que se integran perfectamente en la red de información.
IoT nace como una evolución de la tecnología actual de Internet y la rápida masificación de dispositivos inteligentes. A diferencia de otros procesos tecnológicos, este no es consecuencia de una teoría científica sino más bien de una sinergia entre conceptos de carácter comercial, experimental y técnico, siendo su principal impulsor el desarrollo de las etiquetas RFID. IoT es la forma de describir dos esquemas estrechamente relacionados. Uno es la “Internet de la información de productos” [7] el cual se centra en el fácil acceso a través de la web de información útil sobre un producto (fecha de fabricación, caducidad, detalles técnicos de fabricación, distribución al consumidor, etc.) en este caso los objetos se comportan como una fuente de información cuyo contenido no depende de ellos de forma directa pues los datos son manipulados y permanecen en la web. El otro esquema es el “Internet de los sensores y actuadores” en el cual se busca tener no sólo la posibilidad de conocer información de un entorno, sino la capacidad de interactuar con él ya sea de forma local o remota mediante el uso de redes; en este caso la información proviene de las cosas propiamente dichas y se hace uso de diversos recursos tecnológicos a fin de logar la comunicación e interacción [8]. De forma general se podría hablar entonces de Internet de las cosas como la “Internet de información de objetos” sean estos artículos de consumo o redes de sensores-actuadores como los que se encuentran en los ambientes domóticos actuales.
8 propuesta sobre la arquitectura básica del Internet de de las cosas el cual se aprecia en la Figura 1 [34].
Figura 1. Esquema básico de un Internet de las cosas (tomado de los documentos de trabajo del proyecto CASAGRAS y traducido al español).
1.1. COMPONENTES DE UNA IOT.
El esquema general del internet de las cosas consiste en un conjunto que posee los siguientes componentes:
Cosas: Son los distintos objetos que poseen alguna inteligencia, estos se deben considerar como los emisores-receptores de la información. Según sea su nivel de inteligencia pueden comportarse como “productos” o como sistemas de “sensores-actuadores”. Idealmente todas las cosas deben poseer una etiqueta que les identifique de forma única.
Identificadores: Son las entradas a la información contenida en una cosa, estas pueden ser soportes pasivos, como códigos QR o códigos de barras, o poseer capacidad de conexión como las etiquetas RFID, también podrían considerarse como etiquetas otras formas de identificación de dispositivos como solicitudes o ID de conexión a través de una red de dispositivos, en estos casos la identificación se da por la ubicación (proximidad) entre los objetos.
9 capaces de comunicarse a través de una red, dicha zona de interfaz física cumple con las condiciones generales de un sistema ubicuo.
Red de cosas: Los distintos objetos “inteligentes” pueden comunicarse al exterior o
entre ellos a través de una red. Dada la gran cantidad de tecnologías de comunicación existentes, que en muchos casos son incompatibles entre sí, una red de cosas debe garantizar ante todo la posibilidad de conectar una cosa con otra a través de una pasarela adecuada.
Pasarelas: Son los dispositivos encargados de conectar la red de cosas con Internet. Como en el caso de las pasarelas Web, el hardware también podría ejecutar tareas de seguimiento y control e incluso comportarse como servidor local a fin de efectuar una gestión de la información.
Internet: Se convierte en el medio a través del cual se establece interacción remota entre cosas así como el ente que almacena y gestiona la información. IoT puede hacer uso, o poseer recursos paralelos a los de la Internet de las personas: Servidores Web, DNS, protocolos específicos para la localización y la comunicación, etc. En este aspecto el desarrollo apenas se encuentra en una fase experimental y la estandarización de conceptos y métodos se encuentra incompleta o aun sin establecer.
1.2. MODOS DE COMUNICACIÓN E INTERACCIÓN.
Existen dos modos básicos de comunicación en Internet de las cosas: persona y cosa-cosa [5].
Cosa – persona: Las comunicaciones de este tipo abarcan una serie tecnologías y aplicaciones en las cuales las personas interactúan con cosas y viceversa. Las más comunes son el acceso a distancia, control remoto y monitorización. También existen cosas que informan a las personas de cambios en su estado, datos recogidos, etc.
Cosa – Cosa: Abarca tecnologías y aplicaciones en donde objetos interactúan sin que ningún humano haya iniciado la interacción ni sea receptor o intermediario. Los objetos pueden controlar otros objetos, tomar medidas correctivas y realizar notificaciones a las personas según sea necesario (Suelen denominarse aplicaciones M2M - Machine-to-Machine).
10 definición, siendo la interacción más elemental aquella entre una cosa T cuyo recurso inteligente es una etiqueta que puede ser leída por la cosa S, quien a su vez es capaz de usar los datos contenidos en la etiqueta para obtener una información adicional de contexto, la cual se hace disponible a través de una red. Como se observa en la figura 2, S tiene una inteligencia “superior” a T ya que este es capaz de leer códigos (se denomina agente de lectura) e interactúa con una red. A este nivel pertenecen la mayoría de los dispositivos “Smart” disponibles comercialmente como teléfonos inteligentes, Tablets y demás PDA.
Figura 2. Interacción básica entre un objeto etiquetado (T) y un dispositivo inteligente (S) este es el tipo de esquema utilizado en la Internet de información de productos.
Este tipo de interacción es el que se presenta sobre todo en la llamada “Internet de la información de productos” en un supermercado para poder conocer información adicional de un producto, en un cinema para poder obtener información sobre la cartelera de películas e incluso hacer reservaciones. Dicha interacción también es casi siempre de tipo cosa-persona.
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Figura 3. Esquema de interacción de un Internet de las cosas con dispositivos incluyen sensores (T) conectados a Internet a través de pasarelas (G).
1.2.1. CONEXIÓN LOCAL MÁQUINA A MÁQUINA (M2M).
Una de las críticas válidas que se hace a los esquemas del internet de las cosas es que requieren del uso de una gran cantidad de componentes a fin de lograr una interacción tanto local como remota; sin embargo en muchos casos la interactividad entre cosas se da únicamente en entornos locales en los cuales los objetos se encuentran muy cerca entre sí y la información que se comparte entre ellos sólo tiene importancia y validez en breves intercambios que se suceden entre estos. Es por esta razón que el establecimiento de las interacciones del tipo M2M locales revisten una gran importancia al momento de efectuar el diseño de una red de objetos, así mismo representan un desafío ya que la gran mayoría de dispositivos que se encuentran actualmente en el mercado (PDA, Tablet, PC portátil, entre otros) aun cuando incluyen diversos sistemas de comunicación (infrarrojos, Bluethoot, Wi-fi, entre otros) que no permiten de una forma fácil el intercambio entre métodos de comunicación para una misma interacción.
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Figura 4. Esquema general de una interacción del tipo M2M local.
1.2.2. MODELO DE CAPAS.
No existe un modelo de capas estándar para la Internet de las cosas, sin embargo, los esquemas elaborados se han preocupado por el funcionamiento multiplataforma dada la diversidad de componentes y de protocolos existentes para las diferentes conexiones; de esa manera se suele seguir la estructura de capas existente para las conexiones a Internet. En general se diseña una capa de coordinación adicional para procesar la estructura de paquetes de diferentes sistemas de aplicación y volverlos a ensamblar en una estructura que puede ser identificada y procesada por el sistema de aplicación de cada objeto [33]. Por supuesto, si se completan y unifican las normas de la Internet de las cosas entonces los sistemas que se basen en estas normas no tendrán ningún problema en la interoperabilidad. Por lo pronto existen incompatibilidades entre esquemas ya comercializados como el EPC Global (etiquetas RFID). Nuevamente el proyecto CASAGRAS nos brinda un esquema general de capas para Internet de de las cosas el cual se aprecia en la Figura 5. [34]
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2. MÉTODO DE MEDICIÓN DE CONSUMO DE AGUA.
2.1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MEDIDORES DE FLUJO.
Los elementos primarios de medición de flujo que se usan en la industria, y que se han tomado como referente para la selección se clasifican según su principio de funcionamiento como se muestra en la figura 1. [9]
Figura 6. Clasificación de los medidores de flujo según su principio de funcionamiento (Tomado del libro Instrumentación industrial Séptima edición, Editorial Alfaomega-Marcombo y adaptado al presente trabajo) las flechas verdes indican las características del medidor seleccionado.
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2.2. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN.
Los criterios que se han tenido en cuenta para la selección de dispositivo de medición son los siguientes:
Tipo de fluido a medir: El tipo de fluido a medir es agua potable de uso doméstico. El agua es el fluido a monitorear por antonomasia dada su importancia en diversidad de procesos y brinda además un amplio abanico de posibilidades para efectuar la medición. De este modo son descartables aquellos medidores especializados (y muchos de ellos de alto costo) pensados para fluidos de alta viscosidad, que contengan una importante cantidad de residuos o generen un elevado nivel de corrosión.
Rango de caudales a cubrir: Dado que se busca medir el flujo de agua pasante en los denominados aparatos consumidores de agua (sanitarios, lavamanos, duchas, lavaderos, entre otros) en este trabajo no es relevante conocer el flujo total por unidad (vivienda, establecimiento grupo de establecimientos) que normalmente si es primordial para determinar el tipo de contador que se instalará por parte del proveedor del servicio [12], sino centrarse en el consumo máximo de estos aparatos.
En la tabla 1 se muestran los valores de consumo de dispositivos de agua domésticos, el mayor valor de flujo instantáneo para estos no supera 1.25 Litros/Segundo siendo los últimos casos poco comunes. Se considera el valor máximo de flujo cercano a 250 mL/S. De este modo es factible efectuar medición del consumo de todos los dispositivos marcados en color verde en la tabla.
Precisión requerida: La precisión de la medición no es un factor crítico para la elaboración de este trabajo. Es deseable que el valor de la medición se encuentre dentro de una precisión aceptable, típicamente de un error no mayor al 5%. Instrumentos de alta precisión por lo general tienen un gran tamaño y alto costo, por lo que precisiones superiores implican una desviación en el propósito principal de este proyecto.
Repetitividad requerida: Los aparatos consumidores de agua de uso casero suelen tener diversos grados de repetitividad en cuanto su uso, los más comunes (lavamanos, inodoros, grifos) por lo general tienen una repetición de uso de media a alta, por lo tanto la repetitividad de las mediciones debe oscilar en un rango aceptable de error (no mayor al 5%).
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Tabla 7.Caudales instantáneos típicos por aparato en litros/segundo según la Norma Española Canaria 119 de 2007. (Tomada del documento Criterios para definir el diámetro de la acometida y el medidor a instalar en urbanizaciones y edificios, de EPM [12])
Caudal aparato Caudal (L/s)
Agua Fría
Caudal (L/s) Agua Caliente Urinarios con cisterna (c/u) (Urinarios con tanque) 0,04
Lavamanos 0,05 0,03
Lavabo 0,1 0,065
Bidé (lavamanos) 0,1
Inodoro con cisterna (Inodoros con tanque) 0,1
Urinarios con grifo temporizado 0,15
Lava vajillas doméstico 0,15
Grifo aislado 0,15
Ducha 0,2 0,1
Bañera L< 1,40 m 0,2 0,2
Fregadero doméstico 0,2 0,1
Lavadero 0,2 0,1
Lavadora doméstica 0,2 0,15
Grifo garaje 0,2
Vertedero 0,2
Lavavajillas industrial (20 servicios) 0,25 0,2
Bañera L>= 1,40 m 0,3 0,15
Fregadero no doméstico 0,3 0,2
Lavadora industrial (8 Kq) 0,6 0,4
Inodoro con fluxómetro 1,25
Tipo de salida eléctrica requerida: La salida necesaria para efectuar la medición puede ser tan sencilla como un valor analógico correspondiente al flujo pasante, o un tren de pulsos equivalente a un indicador de velocidad o flujo pasante.
Linealidad y velocidad de respuesta: Una alta linealidad no es crítica para el proyecto. Es deseable que el porcentaje de desviación sea pequeño dentro del los rangos de flujo más comunes de consumo y que la velocidad de respuesta esté por debajo que los intervalos de medición que se han establecido que no serán menores de 1 segundo.
Tipo de caudal: La medición se efectuará en una tubería cerrada en la cual todo el flujo se halla confinado. Se descartan las técnicas y dispositivos propios para la medición de flujo en caudales abiertos (vertedero en canal, rotámetros de área variable, entre otros).
Costo de la instalación: El dispositivo debe ser muy sencillo de instalar y mantener, y no debería generar complicaciones dentro del sistema de tuberías. Se ha dado prelación a la relación sencillez-costo del dispositivo donde los sistemas de medición no invasivos (sensores magnéticos y ultrasónicos) no cumplen este requerimiento.
16 de fácil adquisición, por lo que se deben descartar medidores de alta gama o demasiado novedosos y de escasa disponibilidad en el mercado.
Existen otros criterios de selección como el costo del mantenimiento, de la mano de obra calificada necesaria para mantenimiento e instalación, perdidas de carga, entre otros, que revisten una menor importancia dada la naturaleza y extensión de esta propuesta.
Tabla 2. Características y comparación de los instrumentos medidores de caudal (Tomado del libro Instrumentación industrial Séptima edición, Editorial Alfaomega-Marcombo y adaptado al presente trabajo). El tipo seleccionado en verde corresponde al tipo de medidor que se utilizará. *dP hace referencia a la diferencia de presión. **La pérdida de carga se puede medir en metros cúbicos de área (m) o en bares (b).
Tipo Relación de Caudal Precisión en toda la escala Escala Presión Máxima (bar) Temperatura máxima °C Pérdida de carga**
Servicio materiales Costo
relativo Ventajas desventajas
Placa 3:1 1-2 % No
lineal 400 500 20 m Líq/Vapor/Gas Metal/plástico Bajo Simple, económico
Alta dP, fluidos limpios Tobera 3:1 0.9-1.5
% No
lineal 400 500 16 m Líq/Vapor/Gas Metal/plástico Medio Simple, preciso
Alta dP, fluidos limpios, caro
Tubo Ventury 3:1 0.75 % lineal No 400 500 4 m Líq/Vapor/Gas Metal/plástico Muy alto Preciso, poca dP*
Alta dP, fluidos limpios, muy caro Tuvo Pitot 3:1 1.5-4 % No
lineal 400 500 - Líq/Vapor/Gas Metal/plástico Bajo Simple, económico Poca precisión Tubo
Annubar 3:1 1% No
lineal 400 500 - Líq/Vapor/Gas Metal/plástico Bajo Simple, económico Poca precisión Rotámetro 10:1 1-2 % Lineal 400 250 5 m Líq/Vapor/Gas Vidrio/Cerámica Bajo Mayor precisión Golpe de ariete puede dañarlo
Vertedero 3:1 1-2 % Especial Atmósfera 60 - Líquidos Metal Bajo coste medio Voluminoso, caro Turbina 15:1 0.3 % Lineal 200 250 0.7 b Líquidos/Gas Metal Alto Preciso, margen
amplio
Difícil de calibrar, fluidos limpios
Sónico 20:1 2% Lineal 100 250 nula Líquidos Metal/plástico Alto cualquier líquido, poca dP
Caro, difícil de calibrar, sensible a la densidad Placa de
impacto 10:1 1% No
lineal 100 400 0.5 b Líquidos Metal Medio Fluidos viscosos Poca capacidad
Magnético 100:1 0.5-1 % Lineal 20-200 150 nula Líquidos Teflón/Vidrio Alto poca dP
Caro, sólo para líquidos conductores Disco
oscilante 5:1 1-2 % Lineal 10-150 120 0.3 m Líquidos Metal Bajo barato Par pequeño Pistón
oscilante 5:1 0.2-0.5
% Lineal 25 150 10 b Líquidos Metal Medio
Líquidos Viscosos, corrosivos Alta dP Pistón
alternativo 5:1 0,20% Lineal 25 100 0.2 m Líquidos Metal Alto Preciso
Voluminoso, caro, alta dP
Cicloidal 10:1 1% Lineal 100 150 0.3 b Líquidos/Gas Metal/plástico Medio poca dP
Poca precisión en caudales bajos Birrotor 5:1 0.2% Lineal 100 60-200 0,4 b Líquidos Metal/plástico Medio Preciso Margen pequeño Oval 10:1 0.5% Lineal 100 180 1 b Líquidos Metal/plástico Medio No afecta la
viscosidad Alta dP Paredes
deformables 10:1 0.3% Lineal - - - Gas Metal/plástico Medio Preciso
Voluminoso, alta dP Torbellino 100:1 0.2% Lineal 50 100 0.4 b Líquidos/Gas Metal/plástico Medio margen amplio, poca dP Caro Vórtex 10:1 1% Lineal 50 400 - Líquidos/Gas Metal/plástico Medio soprota
vibraciones
Insensible a bajo caudal
Oscilante 10:1 0.5% Lineal 100 65 - Líquidos/Gas Metal/plástico Medio Ideal para propano/butano
Caro, solo gases, bajo caudal Térmico 10:1 1% Lineal 100 65 5 m Líquidos/Gas Metal/plástico Alto poca dP Caro, Margen pequeño Axial 5:1 1% Lineal 100 120 0.2 b Líquidos/Gas Metal/plástico Alto poca dP Caro, Margen
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2.3. SELECCIÓN DEL TIPO DE DISPOSITIVO.
Del listado global de sistemas de medición disponibles se descartan aquellos que no cumplen con los requerimientos mínimos de interés para el proyecto. En la tabla 2 se muestra un resumen de las características según los tipos de medidor en donde se ha resaltado a los medidores de flujo volumétrico de tipo cicloidal (o de turbina), pues estos son los más comunes dentro de los sistemas de medición de consumo de agua de uso doméstico y son los que en general tienen las características más adecuadas para las mediciones de bajos caudales de agua potable en instalaciones de tipo residencial.
Una de las principales desventajas que poseen los medidores cicloidales es su poca precisión ante bajos caudales, esto se solventa diseñando un medidor apto para rangos de caudal más bien pequeños (por debajo de la relación 10:1) por lo que se presenta un compromiso entre el caudal máximo y la precisión mínima. Dado que los valores máximos de caudal son relativamente bajos, un sensor para diámetros de tuberías pequeños posee unas características suficientemente aceptables en bajos caudales.
2.4. MEDIDOR DE FLUJO VOLUMÉTRICO.
La mayoría de los medidores de flujo determinan el volumen que pasa a través de una tubería por unidad de tiempo, a este tipo de medidores se les denomina medidores de flujo volumétrico [10]. Entre ellos encontramos: Medidor tipo turbina, medidor magnético y medidor de área variable. De estos tipos detallamos el de tipo turbina.
2.4.1. MEDIDOR TIPO TURBINA.
18 operación general de este tipo de medidor. Los transductores que típicamente se aplican para obtener una señal eléctrica son:
De reluctancia: La velocidad viene determinada por el paso de las palas de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que es proporcional al giro de la turbina.
Inductivo: El rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina captadora exterior.
De efecto hall: El rotor lleva incorporado un imán permanente que se acerca a un sensor de estado sólido de efecto hall, el aumento de la intensidad del campo magnético por la cercanía del imán genera un pulso en el sensor de modo que la cantidad de pulsos generados en un intervalo de tiempo son proporcionales al flujo a medir.
El instrumento debe instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío causa deterioro. Normalmente, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo. El número de impulsos por unidad de caudal es constante. Entre las ventajas de este medidor se encuentra su baja incertidumbre para fluidos de baja a media viscosidad, igualmente ofrece un buen rango de flujo y es adecuado para un rango presiones diverso y temperaturas extremas altas y bajas (dependiendo de los materiales de construcción), son fáciles de instalar, tienen poco peso y tamaño en relación al diámetro de la tubería. La exactitud es elevada (del orden de ±0.3% en la región de mayor linealidad). La menor incertidumbre se consigue con un flujo totalmente desarrollado (laminar), instalando el instrumento en una tubería recta de longitudes mínimas de 10 diámetros corriente arriba y 5 diámetros corriente abajo. Las desventajas principales son la incompatibilidad con líquidos altamente viscosos, posibles daños en caso de que se presente cavitación1 y la necesidad de equipo adicional (relojería o electrónica) para obtener la medición.
2.4.2. FLUJO EN TUBERÍAS.
En la figura 3 se muestran algunos de los componentes básicos de un sistema de tuberías. Los componentes incluyen tubos y accesorios usados para conectar a los primeros a fin de formar el sistema deseado, los dispositivos de control de flujo (válvulas) y las bombas o turbinas que agregan o retiran energía del fluido respectivamente. Si las trayectorias de todas las partículas del fluido en un conducto son paralelas al eje del mismo y si las velocidades de estas partículas son bajas y difieren muy poco en sus valores, se dice que el flujo es laminar o viscoso. Cuando las trayectorias de las partículas que están fluyendo
19 continuamente difieren una de otra, o cuando las trayectorias no son paralelas aleje de la tubería el flujo es turbulento [9]. Para el flujo en tuberías, el parámetro adimensional más importante es el número de Reynolds (Re), el cual se define como la relación de los efectos inerciales y los efectos viscosos en el flujo, este permite conocer el régimen del fluido. El flujo en una tubería es laminar si Re ≤ 2100, el flujo en una tubería es turbulento si Re ≥4000. Para números de Reynolds entre estos límites, el flujo puede cambiar entre condiciones laminares o turbulentas de manera aparentemente aleatoria.
Figura 2. Dibujo de turbinas y diagrama de bloques de una turbina usada como sensor de flujo (Tomado del libro Instrumentación y control en instalaciones de proceso, energía y servicios auxiliares y adaptado al presente trabajo).
20
2.4.3. ERROR DE MEDICIÓN.
Los medidores de desplazamiento presentan resistencia a la fricción, la cual tiene que ser vencida por el fluido circulante. Para caudales muy bajos, el fluido no tiene energía cinética suficiente para hacer girar el rotor frente a esta fricción, que además incluye la resistencia ofrecida por el mecanismo articulado del contador, por lo que el fluido se desliza lentamente entre los componentes del medidor y la cámara, sin producir movimiento del rotor, de forma que para estos caudales bajos, el error es grande y negativo. Sin embargo, cuando el caudal aumenta este error negativo desaparece rápidamente, ya que la energía cinética del fluido aumenta con el cuadrado de su velocidad. Una condición cercana al equilibrio se alcanza cuando la fuerza directriz del fluido se equilibra por las diversas fuerzas de resistencia, y esto se mantiene para el margen de funcionamiento para un medidor bien diseñado, en la figura 4 se muestra la evolución del error de un contador rotativo de acuerdo al caudal a medir. El error del medidor, E, se define como:
𝐸 = 𝑄𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 − 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 100% (1)
Figura 4. Curva del comportamiento típico del error de un medidor de paletas deslizantes.
2.5. SENSOR SELECCIONADO.
El sensor seleccionado para este proyecto es un medidor de flujo volumétrico de agua de paletas deslizantes diseñado para una tubería de ½ pulgada y prestaciones domésticas. Este se compone de una válvula de plástico, un rotor (parte giratoria), y un sensor de efecto Hall. Cuando el agua fluye a través de las paletas del rotor, este comienza a girar con mayor o menor velocidad dependiendo del caudal de líquido que fluye a través de él (figura 5).
0 0,1 0,2
0 20 40 60 80 100
Er
ro
r
m
e
d
id
a (
%
)
21 Efecto hall: Descubiertoen1879, el efecto Hall, llamado así en honor al físico estadounidense Edwin Herbert Hall, consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por una corriente estando dentro de un campo magnético, a este campo eléctrico se le llamo campo Hall. En la actualidad, dispositivos de estado sólido aprovechan este principio para transducir señales físicas diversas en señales eléctricas (sensores de proximidad, de corriente, detectores, entre otros).
2.5.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MEDIDOR.
Entre las características más importantes del medidor se tiene2: • Modelo: SEN_0394
• Fabricante: Adafruit.
• Compacto, de fácil instalación. • Enroscado hermético.
• Sensor de efecto Hall de alta calidad. • Cumple con la norma RoHS.
• Voltaje de operación: 5 a 24V
• Máximo consumo de corriente: 15mA a 5V
• Caudal de trabajo: 1 a 30 Litros/Minuto (cubre todos los aparatos consumidores de agua seleccionados en la tabla 1).
• Rango de temperatura de trabajo: -25 a 80ºC • Rango de humedad de trabajo: 35%-80% HR • Presión de agua máxima: 2.0 MPa
• Ciclo útil de salida: 50% +- 10% • Tiempo de subida: 0.04 µs • Tiempo de bajada: 0.18 µs
• Características del pulso: Frecuencia (Hz) = 7.5 * Caudal (L/min) • Pulsos por litro: 450
• Durabilidad: mínimo 300.000 ciclos
• Conexión de 1/2" nominal, 0.75" de diámetro externo y rosca de 1/2" • Tamaño: 63.5 mm x 35mm x 35mm.
2.5.2. CALIBRACION.
De acuerdo a las recomendaciones típicas de calibración [10], Los instrumentos y el equipo que se requieren en general para la misma son:
•Medida volumétrica cuya capacidad debe ser igual o mayor al volumen colectado al flujo máximo del medidor en un minuto.
2
22 •Sensores de temperatura instalados en la medida volumétrica y en la línea, lo más cercano al medidor de flujo con resolución de 0.1 ºC o mejor.
•Incertidumbre en la medición de temperatura ± 0.2 ºC o mejor.
•Sensor de presión con una incertidumbre en la medición de ± 0.05 MPa o mejor. •Cronómetro con resolución de 0.01 s.
En la práctica se consideraron la presión y temperatura homogéneas, dado que tienen una variación insignificante y una incidencia menor en la calidad de la medición para este tipo de sensor, por lo que únicamente se usaron medidas volumétricas en centilitros. Para la medición de la señal obtenida se utilizó un microcontrolador quien detectó los cambios del voltaje de la señal de tren de pulsos generada por el sensor de efecto hall, entregando el número de pulsos por segundo (frecuencia). La hoja de datos del fabricante suministra una curva con la frecuencia de pulsos de salida relacionada con el flujo de agua en unidades de litros/hora. En la figura 6 se muestra el esquema del sistema elaborado para la calibración.
Figura 5. Vistas del sensor de flujo de efecto Hall seleccionado (tomado de la página del fabricantehttps://www.adafruit.com/products/828).
23 Para realizar la calibración de forma correcta y confiable se han tenido en cuenta las siguientes consideraciones:
•El medidor de flujo fue calibrado con el líquido a emplear (agua potable). •El medidor de flujo fue instalado de acuerdo a las instrucciones del fabricante.
•Se evitaron vibraciones o pulsaciones que pudieran afectar el comportamiento del medidor de flujo.
•El número de valores de flujo seleccionados está entre 2 y 5 flujos diferentes dentro del alcance del medidor.
Los datos tomados se muestran en la tabla 3. El microcontrolador entrega el tiempo en segundos y la cantidad de pulsos que se han utilizado en cada prueba para llenar la medida volumétrica; a partir de estos tres datos es posible aproximar el valor de volumen por pulso (que es constante en la región más lineal del sensor), el valor de la frecuencia en pulsos por segundo y el flujo en diferentes unidades (centímetros cúbicos por segundo, litros por minuto y litros por hora). En la figura 7 se comparan los datos de la curva característica del fabricante contra los valores de la dispersión de las muestras efectuadas; se observa una pequeña diferencia en buena parte de los valores donde la medida real está por encima del valor esperado según los datos del fabricante para flujos entre los 250 L/h y 450 L/h por hora.
Se determinó que la forma más conveniente para hacer la calibración de este sensor es efectuar una linealización por tramos. Se han considerado cuatro regiones diferentes de acuerdo a los datos obtenidos y donde a cada una corresponde a una recta del tipo 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵 Para los valores superiores e inferiores de la escala del sensor estas rectas prácticamente coinciden con los datos del fabricante, en la parte intermedia de la medición las rectas difieren ligeramente de la curva característica entregada.
Una vez efectuado el cálculo matemático de la regresión, las ecuaciones que corresponden al comportamiento del sensor son las siguientes:
𝐹 𝑝 =
7.592𝑝 𝑠𝑖 0 ≤ 𝑝 < 27 8.6𝑝 − 27.2 𝑠𝑖 27 ≤ 𝑝 < 52 3.1𝑝 + 258,8 𝑠𝑖 52 ≤ 𝑝 < 62 7.111𝑝 + 10.11 𝑠𝑖 𝑝 ≥ 62
(2)
24
Tabla 3.Datos tomados en el ejercicio de calibración, la mayor parte de los datos se tomó utilizando una medida volumétrica de referencia de 2 litros modificando la velocidad del flujo regulando la misma con la válvula (llave de lavaplatos).
Medida Volumétrica (L) Tiempo de llenado (seg) Total Pulsos vol/pulso (CC) pulsos/seg
(Hz) CC/seg litros/min litros/hora
2 124 860 2,33 6,94 16,13 0,97 58,06
1 49 472 2,12 9,63 20,41 1,22 73,47
2 65 928 2,16 14,28 30,77 1,85 110,77
2 42 949 2,11 22,60 47,62 2,86 171,43
2 33 949 2,11 28,76 60,61 3,64 218,18
2 32 925 2,16 28,91 62,50 3,75 225,00
2 31 925 2,16 29,84 64,52 3,87 232,26
2 24 836 2,39 34,83 83,33 5,00 300,00
0,745 10 358 2,08 35,80 74,50 4,47 268,20
2 24 916 2,18 38,17 83,33 5,00 300,00
2 22 920 2,17 41,82 90,91 5,45 327,27
2 21 922 2,17 43,90 95,24 5,71 342,86
2 19 893 2,24 47,00 105,26 6,32 378,95
2 18 881 2,27 48,94 111,11 6,67 400,00
2 18 895 2,23 49,72 111,11 6,67 400,00
2 18 918 2,18 51,00 111,11 6,67 400,00
4 33 1813 2,21 54,94 121,21 7,27 436,36
4 33 1993 2,01 60,39 121,21 7,27 436,36
2,06 16 983 2,10 61,44 128,75 7,73 463,50
2.6. CONCLUSIONES.
Se ha efectuado la selección del medidor de flujo de agua de acuerdo a los parámetros que habitualmente se utilizan para hacer este tipo de procedimientos, ajustándolos a las necesidades particulares de este proyecto. El sensor de flujo volumétrico de efecto Hall seleccionado es adecuado tanto para el tipo de tubería del entorno doméstico, hacia el cual se centra el presente trabajo, como por sus características tales como tamaño reducido y bajo costo.
25
Figura 7. Comparación entre la respuesta del sensor dada por el fabricante (línea azul) y los datos obtenidos en la medición de calibración (puntos rojos).
Figura 8. Linealización por tramos de la respuesta característica del sensor.
0 100 200 300 400 500
0 10 20 30 40 50 60 70
Fl
u
jo
L/h
Frecuencia (Hz)
0 100 200 300 400 500
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Fl
u
jo
L/h
Frecuencia (Hz)
Calibración
Lineal 1
Lineal 2
Lineal 3
26
3. MÉTODO DE MEDICIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
3.1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
Los medidores eléctricos poseen distintos tipos de clasificación de acuerdo a su construcción, capacidad de medida, tipo de energía a medir, exactitud, tipo de conexión, cantidad de elementos necesarios para la medición, y clase. Una explicación muy detallada de los tipos se puede encontrar en [13] y [14] de donde nos hemos basado para la siguiente selección:
Tipo de construcción: Se pueden clasificar como medidores de inducción o estáticos. En los medidores de inducción la corriente que circula por una o varias bobinas fijas, reacciona con aquellas que se inducen en un elemento móvil, por lo general un disco, cuyo movimiento está relacionado con la cantidad de corriente circulante; generalmente se adiciona un mecanismo de relojería con el cual se recupera la medición. Se pueden utilizar para efectuar desde mediciones de bajo consumo (domésticas) hasta aquellas propias de las líneas de transmisión de alto voltaje. Para este proyecto este tipo de medidor está descartado dado su volumen.
Los contadores estáticos (también llamados de estado sólido) están elaborados a partir de dispositivos semiconductores, logrando un tamaño reducido y práctico para instrumentos de medición como el que se pretende elaborar, tienen un buen grado de precisión lo cual es beneficioso ya que se pretende medir el consumo de cargas de baja potencia como lo son la mayor parte de electrodomésticos. Por lo general esos dispositivos generan un pulso de salida proporcional a la energía en vatios-hora.
Tipo de energía: Los medidores se pueden clasificar como medidores de energía activa o reactiva. Los medidores de energía activa son los más comunes y miden la energía que consumen los dispositivos con carga real (resistiva) típicamente en kilovatios hora (KW/h). Los medidores de energía reactiva adicionalmente tienen la capacidad de censar la energía debida a cargas reactivas, como son motores industriales, bancos de capacitores, entre otros. Para este proyecto no se medirán los valores reactivos de las cargas.
27 - Clase 0.5: Utilizada para medir energía activa suministrada en bloque, ya sea en puntos de frontera entre empresas de electrificadoras o grandes consumidores. Por lo general trabajan con voltajes de 115 KV.
- Clase 1: Incluye los medidores trifásicos destinados a medir energía activa y reactiva de grandes consumidores (usuarios que usan cargas mayores a 55 KW). - Clase 2: Es la clasificación más general, en estos se incluyen los medidores
monofásicos para medir energía activa a nivel comercial y residencial, así como industrias con cargas menores a 55 KW. El medidor propuesto para este proyecto hace parte de esta clase.
Conexión con la red: según la forma como el medidor se encuentra conectado a la red esto se pueden clasificar en:
- Medidor monofásico bifilar: Son utilizados para registrar la energía consumida en una acometida que tiene un solo conductor activo (fase) y un neutro. Este es el tipo de medidor que se utilizará en el presente proyecto.
- Medidor monofásico trifilar: Se usan para el consumo de energía en una acometida monofásica de fase partida donde se tienen dos conductores activos y un neutro.
- Medidor bifásico trifilar: Registra el consumo de una acometida en B.T de dos fases y tres hilos.
- Medidor trifásico tetrafilar: se usa para el consumo energía de una acometida trifásica en B.T de tres fases y cuatro hilos.
- Medidor trifásico trifilar: Se usa para la medición de consumo de energía de una acometida de tres fases sin neutro.
Número de elementos: Hace referencia la cantidad de bobinas necesarias para efectuar la medición, para los medidores de Estado sólido esta clasificación no es aplicable:
- De un elemento: Conformado por una bobina de corriente y una de tensión.
- De elemento y medio: Conformado por dos bobinas de corriente que comparten una bobina de tensión, son medidores para ser conectados a 240 V.
- De dos elementos: Conformado por dos bobinas de corriente y dos de tensión. De acuerdo con el tipo de medición: Según la norma Colombiana NTC 5019 se efectúan tres tipos de medición:
- Directa: Es aquella en la que se conectan directamente al medidor los conductores de la acometida, en este caso la corriente de la carga pasa totalmente a través de las bobinas del medidor. Se usa para corrientes no mayores de 100 A.
- Semi-directa o semi-indirecta: Es aquella en la que las señales de corriente se toman a través de transformadores de corriente y las señales de tensión se toman directamente de las líneas de alimentación a la carga.
28 El medidor propuesto requiere la medición directa del voltaje desde la línea de carga, y la medición de corriente a través del dispositivo sensor (se ha reemplazado el transformador de corriente por un sensor de efecto Hall), por lo que podría considerarse del tipo semi-directo.Existen otras clasificaciones de medidores que dependen de propósitos específicos dentro del sistema de suministro de la red eléctrica (medidor totalizador, prepago, entre otros).
3.2. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN.
Rango de potencia: En este caso es de interés la medición de los aparatos consumidores de energía eléctrica, mejor denominados electrodomésticos. Para el dimensionamiento del dispositivo de medición no es necesario conocer el consumo total por unidad (vivienda, establecimiento grupo de establecimientos) que normalmente si es primordial para determinar el tipo de contador que se instalará por parte del proveedor del servicio, sino centrarse en el consumo máximo de los electrodomésticos.
En la tabla 1 se muestran los valores típicos de consumo de dispositivos eléctricos y electrónicos domésticos. El mayor valor de potencia para estos no supera 4500 W. Los mayores valores de consumo corresponden a dispositivos que se caracterizan por contener principalmente elementos resistivos, muchos de ellos se encuentran empotrados, por lo cual la medición permanente de la corriente circulante requiere de instrumentos de medición de dimensiones importantes, los cuales están descartados para este proyecto ya que se busca elaborar dispositivos de dimensiones reducidas. El valor máximo de potencia que será posible medir estará dado por las características del sensor de corriente (rango y sensibilidad) sin embargo es deseable que abarque buena cantidad de electrodomésticos sin comprometer el tamaño ni las características del sensor, por lo que se estima que opere en un rango máximo cercano a 750 W donde se encuentran la mayor parte de aparatos listados.
Rango de voltaje: El rango de voltaje a medir debe ser comparable con el rango del voltaje de línea nominal para la red eléctrica del país. El valor aceptable dentro del margen de calidad de servicio para las líneas de tensión (según se deduce de la norma ANSI C84.1) está en un rango deseable del ± 5% y un rango aceptable entre 5.8% y -8.3%La resolución CREG 024 de 2005 establece que en Colombia los límites para variaciones de tensión de larga duración (superior a 1 minuto) están en un rango del ±10% del voltaje nominal. De esta manera el dispositivo de medición debe cubrir un rango máximo que sea al menos un 10% superior al valor nominal de 120 V (132 V RMS o 186.6 V pico) para garantizar su funcionamiento normal ante variaciones de voltaje de larga duración.
29
Tabla 8.Lista de electrodomésticos típicos con sus rangos de potencia en vatios, la corriente se deriva de la potencia promedio para una línea monofásica con voltaje de 110 V (datos extraídos de la página
http://www.electrocalculator.com/ y adaptados al presente trabajo).
Aparato Tipo o marca Potencia (W) Corriente
(A) Mín Promedio Máximo
Afeitadora Genérica, antigua 0,7 2 15 0,017
Reloj Genérico 2 3,5 5 0,029
Cargador teléfono móvil Genérico 3 4 4,8 0,033
Altavoces PC / bocinas / parlantes Pequeños, laterales 3,4 10 23 0,083
Timbre de pared Genérico 8 10 15 0,083
Radio Genérico 0,1 13,4 40 0,112
Lector-reproductor DVD Grabador DVD sin nombre 8,7 13,8 25,3 0,115
Router ADSL (Internet) Genérico 10,1 20 30 0,167
Lámpara Fluorescente Fluorescente, genérico 6 24 40 0,200
Teléfono inalámbrico (base) Genérico 20 25 35 0,208
PC portátil Acer, EME725-452G64MIKK T4500 (2011) 35 46 65 0,383
Abrelatas eléctrico Genérico 50 60 80 0,500
Lámpara Bombilla filamento Bombilla filamento 40 60 120 0,500
Videoconsola HD cable box (disco duro externo) 30 80 194 0,667
Ventilador Cata 60 94 288 0,783
TV (LCD-DLP diferentes tamaños) DLP, 50-56 pulgadas 35 105 322 0,875
Reproductor DVD Genérico 25 106 200 0,883
TV (CRT) CRT Blanco y negro – Color 53 113 180 0,942
PC sobremesa (sólo la torre) Acer, AX3950 3.2GHZ/4GB 51 170 365 1,417 Impresora Laser Brother HL2240D monocromo (2011) 11 180 495 1,500
Batidora Genérico 140 210 250 1,750
Escáner HP Scanjet G2410 150 212 280 1,767
Extractor de aire (campana) Genérico 25 215 500 1,792
Exprimidora Genérico 35 245 450 2,042
Licuadora 5 velocidades 350 400 450 3,333
Nevera 21 ft3 90 408 1020 3,400
Rizador/alisador pelo aire caliente Revlon R420E 45 415 800 3,458
TV (plasma) Plasma, 42 pulgadas 450 465 470 3,875
Nevera Congelador grande OEM,JNS, 166 X 67,5 X 81,5 cm (2011) 100 517 890 4,308
Tostadora 1 uso, Philips 24 618 1051 5,150
Taladro (600 W) Genérico 600 670 750 5,583
Cafetera Genérico 600 680 730 5,667
Sandwichera Genérico 650 720 800 6,000
Aspiradora Genérica 670 1000 1300 8,333
Calentador de agua / terma eléctrica Genérico 20 1000 1500 8,333
Estufa cuarzo Genérico 350 1000 1200 8,333
Fotocopiadora Genérico 900 1000 1100 8,333
Olla arrocera Genérico 800 1000 1100 8,333
Hornillo eléctrico/Anafe Genérico 790 1050 1500 8,750
Plancha Genérico 1000 1067 1200 8,892
Lavadora 6 Kg 330 1100 2850 9,167
Secador pelo Braum silencio 1200 522 1100 2000 9,167
Horno microondas 1.2 ft3 1000 1250 1520 10,417
Microondas Genérico 640 1280 2000 10,667
Aire acondicionado Genérico, 2200 frigorías, 8800 BTU 560 1380 2950 11,500
30 Potencia consumida: La potencia del dispositivo debe ser la mínima posible, ésta resulta de sumar el consumo de todos los componentes involucrados en el objeto IoT donde los más importantes son el microcontrolador, el dispositivo de conexión a la red y el sensor de parámetros eléctricos. Los valores máximos estimados están aproximadamente 450 mW para el sensor de parámetros eléctricos, 500mW para el microcontrolador y hasta 650 mW en el momento de envío de paquetes de datos grandes a través del dispositivo inalámbrico, por lo que el valor de potencia podría llegar a alcanzar 1.6 W como máximo dependiendo de las condiciones de operación y el envío de los datos. Típicamente los valores están muy por debajo de este rango, estimándose para el sensor de parámetros eléctricos un valor de 25 mW, 25 mW para el microcontrolador y alrededor de 3 mW para el dispositivo inalámbrico de red en reposo (siendo este el que presenta las mayores variaciones de consumo de potencia en todo el proceso normal de operación del dispositivo) por lo que la potencia en condiciones normales debería estar en un valor cercano a 53 mW.
Precisión de la medición: dado que el objetivo del proyecto es la implementación de objetos IoT, la precisión de la medición de los parámetros eléctricos no es un factor crítico. Es deseable, sin embargo, que el valor de la medición se encuentre dentro de un error no mayor al 5%. Instrumentos de mejor precisión por exigen gran tamaño y elevado costo, lo que implica una desviación en el propósito principal del trabajo.
Ambiente en el que se realizará la medición: El entorno de medición corresponde a ubicaciones de carácter doméstico (habitaciones, sala, cocina, entre otros) los cuales tienen unos niveles de humedad y temperatura estables. Se descartan medidores de alto costo diseñados para ambientes con grandes variaciones de temperatura así como exposición a humedad y corrosión.
Tipo de salida requerida: Los datos entregados por el dispositivo sensor deben contener la medición de los parámetros eléctricos elegidos (voltaje y corriente como mínimo) estos pueden ir representados de diferentes maneras como niveles de voltaje, trenes de pulsos o secuencias de datos a través de un puerto de comunicaciones. Se pretende sencillez en el diseño por tanto se busca que la captura de la información ocupe la menor cantidad de componentes posible.
Linealidad y velocidad de respuesta: Una alta linealidad no es crítica para el proyecto, es deseable sin embargo que la desviación de las mediciones sea pequeña, especialmente en los rangos más bajos de la medición de potencia y corriente. La velocidad de respuesta del sistema de medición debe ser no superior a un segundo que es el tiempo establecido para hacer el envío de datos a través del dispositivo de red.
31
3.3. SELECCIÓN DEL TIPO DE DISPOSITIVO.
Para la medición se seleccionó un dispositivo de estado sólido. En la actualidad existen varias series de circuitos integrados dedicados para la medición de energía eléctrica, una de las más completas y conocidas es la serie ADE77xx de Analog Devices la cual se ajusta a los requerimientos para efectuar todo tipo de mediciones eléctricas en diferentes tipos de líneas de tensión. De esta serie los circuitos integrados que entregan los parámetros deseados para una línea monofásica que tiene mayor interés dado su costo y confiabilidad son el ADE7753 y ADE7763. Básicamente se trata del mismo circuito donde las principales diferencias radican en su capacidad para soportar transitorios de voltaje y corriente, y descargas electrostáticas.
3.4. MEDICIÓN DE CORRIENTE.
Las técnicas para efectuar la medición de corriente buscan transducir la corriente eléctrica en una señal de voltaje que sea posible medir en un dispositivo de estado sólido. Se usan cuatro tipos de transductores para efectuar la medición, siendo el más sencillo una resistencia (o un divisor resistivo)de un valor muy bajo y preciso, conectada en serie con la carga, y medir la caída de potencial sobre dicha resistencia la cual es equivalente a la corriente circulante a través del dispositivo. Este tipo de medidor tiene la desventaja de que la corriente circulante que se va a medir pasa completamente a través del sensor; para efectuar la medición de altas corrientes se requiere que el elemento resistivo tenga grandes dimensiones y disipe una importante cantidad de potencia que se pierde en el proceso de medición. También tiene la desventaja de que no se genera aislamiento eléctrico de la línea hacia el medidor con lo cual el circuito de medición está expuesto a las características no deseadas de la línea AC, como sobre-tensiones. Por su parte, tiene la ventaja de ser sumamente sencillo y económico. Otra manera de hacer la medición de corriente es a través del denominado transformador de corriente, este hace uso de un circuito magnético que transduce el valor de la corriente desde el devanado de una bobina a otra acoplada mediante un núcleo. La bobina Rogowski es una versión más simple del transformador de corriente donde un inductor toroidal (normalmente con núcleo de aire) se enrolla alrededor del conductor a través del cual circula la corriente a medir, la señal obtenida corresponde a la derivada de la corriente por lo que es necesario añadir un integrador para recuperar el valor transducido de la corriente.
32 tensión proporcional. La exactitud del dispositivo se optimiza a gracias a la cercanía de de la señal magnética al transductor al estar todo construido en un mismo encapsulado.
Figura 1. Comparación de tamaños de los tipos de sensores de corriente: A) Resistivo, B) Transformador de corriente, C) Bobina Rogowski, D) Sensor de estado sólido de efecto Hall.
Una de las series de IC de sensores de corriente más usada en la medición de tensiones de red domésticas es la serie ACS7xx de Allegro Microsystems, de esta se ha seleccionado el IC ACS714 el cual tiene una capacidad de medición hasta 20 A, el cual cubre todo el rango de electrodomésticos de la tabla 1. En la figura 2 se observa la conexión típica del dispositivo, requiriendo únicamente un par de condensadores que fijan la tensión de alimentación y un filtro pasabajas externo para eliminar ruidos de la línea [15].
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3.5. MEDICIÓN DE VOLTAJE.
La medición de voltaje, como en el caso anterior, puede hacerse directamente desde la línea a medir usando un divisor resistivo o un transformador convencional de voltaje, otros métodos como el uso de optoacopladores lineales permiten el aislamiento eléctrico entre el voltaje a medir y el instrumento, empero exigen el uso de una mayor cantidad de componentes a parte de fuentes de alimentación en ambos lados de la medición, motivo por el que se han descartado buscando una mayor sencillez, de modo que la medición se tomará usando un divisor resistivo. Un aspecto muy importante a tener en cuenta al hacer la medición de esta manera será el acople entre la tierra digital y en neutro de la línea AC tal como se describe en la sección 5.4.1.1.
3.6. SENSOR SELECCIONADO
3.6.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL ADE7753.
EL ADE7753 es un medidor de potencia eléctrica monofásica basado en un sistema de registros, con interfaz serial y salida de pulsos. El mismo ofrece entre otras las siguientes características [16]:
- Salida de tren de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la potencia activa.
- Interfaz serial de cuatro hilos compatible con SPI, que permite la comunicación entre Microcontroladores.
Alta exactitud (menos del 0,1% de error sobre un rango de 1000 a 1).
- Detección de baja tensión o ausencias de la misma durante lapsos predefinidos, con umbrales de tensión de línea programables.
- Muestras digitales de las formas de onda de tensión y corriente.
- Calibración digital de la potencia, la fase y la deriva (offset de entrada). - Sensor de temperatura incorporado.
- Referencia de tensión de 2,5 ± 8% y temperatura de 30ppm/ºC incorporada.
- Salida de pulsos sincronizada con los cruces por cero de la tensión de línea, que puede ser utilizada para extraer información de tiempo o frecuencia y sincronizar dispositivos externos.
- Disponibilidad de 18 registros de datos (6 de sólo lectura y 12 de lectura y escritura), accesible a través de la interfaz serial desde un registro maestro de comunicaciones.
- Ancho de banda nominal de 14KHz.
- Variación típica en la frecuencia de salida del orden de 0,2%.
34 - Frecuencias de reloj de opresión en el intervalo de 1MHz hasta 10MHz. (El valor nominal es de 3,579545MHz)
- Entradas y salidas lógicas compatibles con TTL y CMOS.
-Alimentación a partir de una fuente sencilla de +5V con bajo consumo de potencia (15mW, típico).
Figura 3. Esquema de bloques del IC ADE7753 (tomado de la hoja de datos del fabricante).
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3.6.2. MONTAJE DEL CIRCUITO ADE7753.
EL montaje del ADE7753 se realizó de acuerdo a la documentación técnica de la hoja de datos de fabricante. Se requiere de pocos componentes para poner en funcionamiento este IC. En la figura 4 se muestra el circuito elaborado para efectuar las pruebas de medición y calibración, para estas pruebas la alimentación de voltaje DC se realizó usando una fuente regulada con transformador, por lo que se garantizó el aislamiento eléctrico a fin de que el acople de la tierra digital con el neutro de le línea AC no generara cortocircuitos que pudieran destruir el circuito, Así mismo, se realizaron pruebas usando aislamiento con transformador en el divisor resistivo encargado de la medición de voltaje para poder conectar el microcontrolador al PC y hacer pruebas del comportamiento de los registros del ADE7553.
Figura 4. Circuito propuesto para la calibración del circuito ADE7753.
3.6.2.1 Conexión del sensor de voltaje.
