PROTOTIPO Medidor de PH Diagrama a cuadros

Figura 1. Diagrama a bloques de medidor de PH

El acoplador de impedancias acopla la impedancia del electrodo de pH para evitar que el voltaje a procesar caiga de un valor menor que el de la fuente de voltaje (electrodo). El filtro pasa bajas solo deja pasar señales menores a 2 Hz. (frecuencia de salida del electrodo muy cercano a cero); además de que quita problemas de ruido debido a la frecuencia de línea (60 Hz.). El filtro utilizado fue un Butterworth. El amplificador se ajusta para que varíe de -2 a +2 volts (ganancia de 4.76). El bloque inversor-sumador tiene la función de cambiar la pendiente negativa de la respuesta del pH a pendiente positiva y desplazar la señal hacia valores positivos, teniendo en cuenta que el rango optimo de conversión del CAD es de 0-4 volts. Para tal proceso se diseño el circuito amplificador de diferencia. Finalmente para el proceso analógico se implementa un acoplamiento mediante un seguidor (utilizando operacional) para la excitación adecuada del convertidor analógico digital. El circuito resultante se muestra en la figura 2.

Digitalización de la señal

Para digitalizar la señal analógica del pH, se utilizo un CAD de 10 bits para dar una resolución de .97 mV, equivalente a 0.003419 unidades de pH. Para desplegar la señal se auxilio del microcontrolador INTEL 8031.

Pruebas y Calibración del Instrumento Se realizaron pruebas con electrodos y sustancias de valores pH conocidos (sustancias “buffer”), para verificar el funcionamiento del instrumento. Se realizo una tabla comparativa entre el voltaje de entrada al medidor de pH en mV y voltajes de salida del medidor de pH (volts) teórico y experimental. Finalmente se le determinó la unidad pH equivalentes exhibida para el voltaje de entrada correspondiente.

Para calibrar el instrumento se compara el resultado obtenido contra un medidor pH de laboratorio. Los resultados fueron adecuados dentro de un margen de error del 10 % se requiere perfeccionar el instrumento al considerar la medición de temperatura ya que esta influye en la medición de pH, así como ver otras alternativas para llevarlo a cabo.

Figura 2. Circuito del medidor de PH

PROTOTIPO Medidor De Gasto El objetivo de la realización de este proyecto de investigación, es el diseño de un prototipo capas de hacer entender la instrumentación de alguna variable común en la industria, para ello, utilizamos como variable el gasto dentro de una torre destiladora que se encuentra dentro del área de laboratorios pesados de la escuela superior de ingeniería química del instituto politécnico nacional. La torre prototipo consta de un deposito inferior donde se concentra la mezcla a destilar, utilizaremos solo agua como mezcla. También dentro de este deposito se encuentra una bomba de agua la cual simularía la evaporación de la mezcla, esta bombeara agua que pasara a través de una válvula controlada por un motor de DC que mediante pulsos de voltaje positivos y negativos controlaremos

el

flujo

de

agua,

estos

pulsos

se

darán

enviaran

automáticamente, dependiendo del nivel que se encuentre en un deposito superior. Para que luego así el flujo pase a la siguiente etapa donde mediremos el gasto correspondiente, mediante un transductor de gasto (que es un turbina), el encoder de la turbina nos da un resultado en frecuencia, esta frecuencia es convertida en voltaje que a su ves es convertida de una señal analógica a una digital para poder desplegar el resultado en un desplegado de de 7 segmentos con 3 ½ dígitos. Regresando al flujo, la siguiente etapa consta de un deposito superior el cual mantiene un nivel necesario constante, para ella el deposito consta de dos sensores de nivel (limite superior e inferior) y una válvula de desagüe hacia el depósito inferior. La válvula actuara dependiendo del flujo de entrada y se abrirá o cerrara manualmente para mantener el nivel requerido. El flujo que llega a este depósito, es el mismo flujo que pasa a través de la primera válvula, a través de transductor de gasto, y es el gasto que llamaremos

gasto del residuo, o sea, el gasto de la sustancia destilada y el que es desplegado.

2. Introducción La torre prototipo consta de los siguientes bloques, que tienen un flujo de trabajo conforme trabaja nuestro prototipo.

Instrumentación y desplegado de 7 segmentos.

Entonces tenemos que nuestro transductor nos entrega a su salida valores en frecuencia, estos valores tendrán que ser acondicionados para poder ser cuantificados, codificados y así desplegados ya sea en PC o en 7 Segmentos. Por lo cual utilizaremos el siguiente circuito que a bloques queda de la siguiente manera:

Transductor

Convertidor de Frecuencia a Voltaje

Amplificador de acondicionamiento de la señal Desplegado 7 Segmentos PC

Convertidor Analógico Digital

El convertidor de frecuencia a voltaje se utilizara un CI que es el lm331, este convertidor tiene varias características, convierte de voltaje a frecuencia, de frecuencia a voltaje, de temperatura a frecuencia, etc

Tomaremos la salida de este circuito para darle la ganancia necesaria acondicionando la señal para que el ADC pueda convertir de la manera correcta. Esto se hará con un amplificador operacional no inversor un TL072 de la manera con una trimpot para que pueda ser calibrada.

Y de la salida de este la mandaremos a la entrada de ADC0804, el cual nos da una resolución de 19mVolts/paso, y será acondicionada mediante un conector db 25 para ser leída en el puerto paralelo y así ser desplegada en la PC. Se utilizara el adc en modo de conversiones continuas con la siguiente topología:

Desplegado 7 segmentos Para ello utilizaremos el circuito ICL7107, que es un circuito integrado de alto rendimiento, que posee la facilidad de convertir un voltaje a datos digitales con desplegado en Displays de siete segmentos. Es un convertidor analógico digital con salida de ±3 ½ dígitos.

El ICL7107 tiene una gran exactitud versatilidad su configuración de pines es la siguiente:

La sección analógica del circuito integrado ICL7107 es divididas en tres fases, que son autozero, integración de la señal y desintegración de la señal.

El tiempo requerido para que la salida regrese a cero es proporcional a la señal de entrada, La salida digital desplegada es:

En lo que se refiere a la sección digital desintegrado, una tierra digital interna es generada de un diodo zener de 6 volts y una fuente. La frecuencia del plano posterior es la frecuencia del reloj pero dividida entre 800. Para tres lecturas por segundo, la serial del BP es una onda cuadrada de 60 Hz con una amplitud de 5 volts.

Control automático El control de nivel se dará mediante dos sensores dentro del deposito superior y mediante técnicas de puente H, podremos manipular un motor de DC que abrirá o cerrara la primera válvula.

3. Métodos Experimentales. De aquí que decidimos utilizar la tubería de ½´ para adaptar toda la tubería al transductor.

La bomba de agua del deposito inferior es sumergible y con un impulso de 2 m. de altura nos sirve perfectamente para alcanzar al deposito superior.

El deposito se realizo con acrílico con sellos para que no salga del agua el contenido que puede soportar es de 25 litros de agua. Vease en apéndice. Se conectara la salida del transductor al convertidor de frecuencia a voltaje, para así tener un voltaje que pueda ser adaptado al circuito integrado y ajustado para obtener una lectura confiable y fiable del gasto medido.

4. Resultados La bomba de agua sumergible, al funcionar la bomba, el líquido pasa al transductor de caudal de turbina y de ahí a un regulador de flujo, y mediante un

tubo de conexión entre los dos depósitos el nivel del depósito superior aumenta.

El volumen del líquido entre las marcas inferior y superior del depósito superior es de 1 litro y puede vaciarse a través de la llave de descarga. Para determinar el valor del caudal Q sin el acondicionador se mide el tiempo transcurrido para que el depósito superior se llene entre las dos marcas de nivel, calculado mediante: GASTO =

LITROS SEGUNDO

Es el valor que relaciona los pulsos generados por la rotación de las paletas de la turbina y el volumen del líquido desplazado sobre dos paletas adyacentes al rotor.

Las unidades son: Para obtener la KT, se determina el caudal Q en l/seg., posteriormente se mide con un frecuencímetro la frecuencia FQ correspondiente a dicho caudal. La KT estará dada por:

Ajuste del tiempo de conteo Dado que cada turbina tiene una constante en particular, es necesario ajustar el tiempo el tiempo de conteo para que el caudal real corresponda con la lectura del display. El tiempo de conteo en la escala de 1 seg está dada por :

Donde Qdisplay tiene unidades de pulsos y es el calor real que debe aparecer en el display. Dicho tiempo se ajusta con el potenciómetro RV1 (escala de 1 segundo), o bien:

Para la escala de 10 seg., ajustándose el tiempo con el potenciómetro RV2. Ambos tiempos pueden ser medidos en el punto 1 del acondicionador.

PROTOTIPO Medidor De Presión

INTRODUCCIÓN El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción.

Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos.

La presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.

La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con

un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

Es por ello que surge el interés de crear un prototipo de medidor electrónico de presión capaz de controlar esta presión, permitiendo así no rebasar los niveles máximos requeridos en los procesos industriales. De esta forma este prototipo es aplicado confines prácticos en un compresor de aire.

Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión.

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos,

conducción

de

gases,

turbinas

de

gas

y

construcción.

CONTROL El control automático desempeña un papel importante en los procesos de manufactura, industriales, navales, aeroespaciales, robótica, económicos, biológicos, etc. Como el control automático va ligado a, prácticamente, todas las ingenierías (eléctrica, electrónica, mecánica, sistemas, industrial, química, etc.), se ha desarrollado la etapa de control de una compresora. Control proporcional+integral+derivativo La unión en un circuito de los 3 controlador descritos anteriormente da lugar a un instrumento electrónico proporcional + integral + derivativo. El circuito simplificado consiste en un modulo proporcional más integral- donde se fija la ganancia o banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna y se selecciona la acción directa o la inversa del controlador y un modulo de acción derivada modificada donde se encuentra el potenciómetro de acción derivada.

Para tener un error muy pequeño y que se cumpla la condición en el controlador se propone que los capacitares de nuestro controlador I y d sean de 0.1µf y los potenciómetros para el integrador será de 1MΩ y para el

derivativo será de 100kΩ. Con ayuda de los potenciómetros ajustaremos los controladores al mínimo error.

V0 = −

(

Rf R1

+

Rf R2

)V

I

proponiend o Rf = 10 k R1 = R 2 = 10 k Vi = 5v

10 K K ) V0 = − (10 10 K + 10 K * 5

V0 = −10 Funcionamiento del circuito:

Como se muestra en la figura siguiente a la entrada del sumador se tiene un potenciómetro que nos ayudara a poner un voltaje de referencia para que cuando el sensor de presión sea igual al voltaje de referencia y tenga un voltaje negativo entre al sumador y se reste provocando un voltaje de error que mediante los controladores PID compararán la entrada con la salida y dependiendo de la comparación se activará el circuito NE555 que esta configurado como un oscilador controlado por voltaje.

Después entrara a un fototriac que aislara la parte de control con la parte de la activación de la compresora que manejara corriente alterna.

En el voltaje de referencia se pondrá un potenciómetro

para variar la

referencia, el usuario podrá decidir a que presión quiere que se llene la compresora, una recomendación que se hace es que el voltaje de referencia a

la entrada sea colocado al voltaje máximo que puede entregar el sensor de presión sin que este empiece a fallar y por lo tanto funcione correctamente mucho tiempo,

Pruebas Para cuestiones de prueba se colocan diferentes voltajes de referencia para comprobar y observar el funcionamiento correcto de la etapa de control. El voltaje de salida del sensor se despliega en display de siete segmentos que más adelante se menciona la etapa de conversión analógica a digital.

Los voltajes de referencia y del sensor entran a un sumador que produce un voltaje de diferencia que será entregado al controlador PID, cuando los voltajes son iguales pero de signo contrario provocan un error menor al 1% y desactiva al oscilador controlado por voltaje y este a su vez al fototriac que funciona como interruptor entre la compresora y la alimentación de 120V de corriente alterna.

Estará apagado la compresora mientras no haya variación de presión cuando el sensor detecte cambios de presión en el interior de la compresora, esta se activa automáticamente hasta llenarse o hasta el rango que soporte el sensor de presión, en nuestro caso utilizaremos un sensor con un rango de 101.5 PSI y un voltaje de salida de 4.7V.

Para el desplegado de información se utilizara el circuito integrado ICL 7107 que convierte un voltaje analógico a 1 y 0 y que será de gran ayuda para que

mediante los display de 7 segmento se pueda visualizar la presión a la que esta sensando el dispositivo de medición.

El circuito que se muestra a continuación es el resultado final de combinar los controladores P, I y D junto con comparadores y algunos seguidores de voltaje, estos últimos son para cambiar la polaridad de la salida de algunos operacionales para que después se puedan restar o sumar dependiendo de cómo este trabajando dicho circuito.

Figura 6.- Circuito de control de medidor de presión

Conversión analógica digital Para el despliegue de los resultados se uso el convertidor A/D ICL7107. Este presenta el inconveniente de requerir un voltaje a máxima escala de 200mV. Por tal motivo es necesario atenuar la señal asta aquí procesada.

R16 5 K = = 0.5 R12 10 K Vo = 0.5 Vi Vo = −0.5 * 4V = −2V R17 1K = = 0.1 R13 10 K Vo = − (0.1)(−2V ) = 200mV

El ICL7107 opera en tres fases: 1) regreso automático a cero, 2) integración de la señal y 3) integración de la referencia. En la fase 1 de la conversión de doble pendiente, el ciclo se lleva a cero para empezar nuevamente. Este proceso se conoce como fase de regreso automático a cero. En la fase 2 del método de doble pendiente, la señal se integra durante un tiempo fijo con una pendiente que depende de la combinación RC del amplificador operacional de integración. En la fase 3, la entrada del integrador se conmuta de vi a Vref. La polaridad se determina durante la fase2 de modo que el integrador se descargue hacia cero. El número de pulsos de reloj que se cuentan entre el inicio de este ciclo (fase 3) y el momento en que la salida del integrador pasa por cero es una medida digital de la magnitud de vi.

Para un voltaje a máxima escala de 200mV, es recomendado un resistor de R2=47K, un valor nominal para Cint=C3=0.22µF, un valor para C2=0.47µF para minimizar el ruido. Y para todos los rangos de frecuencia es recomendado un resistor de R3=100K y el capacitor es seleccionado de acuerdo a la ecuación f=(0.45)/(RC), si la frecuencia de reloj es de 48 KHz y R3=100K , C4=100pF.

Conclusiones. El elemento principal del instrumento es el convertidor analógico digital del cual depende el procesamiento de la información para presentarla en forma digital.

Es decir, La señal analógica, que varía de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo (cuantificación discreta, o asignación de un valor numérico a una determinada intensidad de la señal) a una velocidad fija, obteniéndose así una señal digital a la salida del mismo. Esta señal se puede volver a convertir en analógica mediante un convertidor digital analógico.