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Utilizacion del software Labwiew para el proyecto de instrumentacion utilizando diferentes sensores electronicos...

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Instrumentación II – Proyecto Final

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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO -SEDE LATACUNGA-

INGENIERÍA MECATRÓNICA INSTRUMENTACION MECATRONICA

DATOS INFORMATIVOS INTEGRANTES: Paúl Jerez Diego Pazmiño Juan Sebastián Vásquez NIVEL: VII “A” CARRERA: Ingeniería Mecatrónica MATERIA: Instrumentación Mecatrónica FECHA: 16 de Enero del 2013.

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Instrumentación II – Proyecto Final

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 TEMA

“HMI CON TANQUE PARA LA UTILIZACION DE DIFERENTES SENSORES”  OBJETIVOS 

Objetivo Principal  Realizar un HMI, utilizando el software LabVIEW, para la utilización de diferentes sensores aplicados a la instrumentación Mecatrónica.

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Objetivos Secundarios  Entender el funcionamiento del software LabVIEW y así realizar nuestras aplicaciones prácticas para el presente proyecto instrumentista.  Realizar el armado de un tanque reservorio, y acoplar al mismo diferentes sensores de instrumentación para poder hacer nuestro HMI.  Entender el funcionamiento de un sensor ultrasónico (nivel), un LDR (claridad de la luz) y un LM35 (temperatura), realizar los escalamientos respectivos y el acondicionamiento de señales.

 MATERIALES Y EQUIPOS 

Materiales para la parte de la mecánica         

Llaves de herramientas Cautin Estaño y pomada de soldar Taipe 3 metros de alambre de timbre 1 metro de alambre UTP 1 Balde de capacidad de 8 litros 1 Balde de capacidad de 10 Litros 1 Tubo PVC de 5 metros y ½ pulgada

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Instrumentación II – Proyecto Final      

1 LV – MaxSonar – EZ4 MB1040 (Sensor ultrasónico) 1 LM35 (Sensor de temperatura) 1 LDR (Sensor de claridad de luz) 1 Niquelina 1 Vaina de protección

Materiales para la parte electrónica         

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4 codos PVC de ½ pulgada 2 Neplos perdidos 4 empaques de caucho 1 Llave de paso FV 1 Bomba de agua PIETRO de ½ HP

Materiales para la parte de instrumentación     

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1 Protoboard 2 Amplificadores LM741 1 LM 7912 (Regulador de voltaje -12[v]) 1 LM7805 (Regulador de voltaje 5 [v]) 3 Potenciómetros lineales de 10 KΩ 2 Resistencias de 10 KΩ 1 Resistencia de 4.7 KΩ Fuente de alimentación regulable Multimetro

Materiales para la parte del HMI     

Software LabVIEW 2010 Cable de conexión puerto USB – DAC DAQ NI USB – 6008 Cables de conexión Laptop Pavilion dm4

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 MARCO TEORICO Introducción.- Cuando uno mira a su alrededor percibe que los instrumentos de medida están en todas partes. El más ubicuo es el reloj, pero en las calles abundan los termómetros y los salpicaderos de los coches, estos están llenos de indicadores: velocidad, revoluciones, nivel de gasolina, etc. Denominaremos instrumentación al conjunto de instrumentos que hacen posible la medida de una variable física particular y, por extensión, también al conjunto de instrumentos de medida que permite seguir la evolución de un sistema físico, cualquiera que sea el número de variables físicas involucradas.1 Es por eso que lo que nos queremos plantear es la realización de un tanque en el cual podamos utilizar diferentes sensores de medición, un ultrasónico, que mediante su haz de luz nos permitirá medir el nivel de variación del agua, un sensor foto resistivo, que nos servirá para medir la claridad del agua en el mencionado tanque y un sensor de temperatura, el cual nos permitirá medir la variación de temperatura del tanque, todos estos sensores mediante su respectivo acondicionamiento de señales, y llevándolos a un escalamiento en el cual podremos tener valores verdaderos en el HMI, como son litros, % de claridad y grados centígrados respectivamente, podremos interactuar con la computadora y estableceremos el control de una planta que es nuestro objetivo en sí como ha sido visto en la materia de instrumentación.

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Marco Teórico Parte Mecánica

Bomba Hidráulica.- Es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. 2

Figura # 01.- Bomba Hidráulica PIETRO de ½ HP

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https://www.google.com.ec/ %2Finformatica.uv.es%2Fiiguia%2FINS%2Fmaterial%2Finst01.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica

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Llaves de herramientas.- Las llaves de apriete son las herramientas manuales que se utilizan para apretar elementos atornillados mediante tornillos o tuercas con cabezas hexagonales principalmente. En las industrias y para grandes producciones estas llaves son sustituidas por pistolas neumáticas o por atornilladoras eléctricas portátiles.3

Figura # 02.- Llave Stillson o de boca ajustable

Cautín.- Es una herramienta eléctrica muy sencilla que posee un conjunto de elementos que al estar correctamente conectados van a generar en una barra de metal el calor suficiente para poder derretir los distintos metales (estaño, oro, etc.) 4

Figura # 03.-Cautin Eléctrico.

Balde.- Recipiente de forma cilíndrica parecido a un cubo, generalmente de mayor tamaño y menor altura, que se usa especialmente para contener agua. 5

Figura # 04.-Valde de agua Rey

Tubo de PVC.- Es el tipo más común de tubo utilizado en áreas con climas más cálidos. Generalmente, es de color blanco, el tubo de PVC (cloruro de polivinilo) es más rígido que el tubo de polietileno negro y requiere la utilización de solventes de PVC. 6 3

http://es.wikipedia.org/wiki/Llave_(herramienta) http://cautingelectricougma.blogspot.com/ 5 http://es.thefreedictionary.com/balde 6 www.hunterriego.com/recursos/glosario/default.htm 4

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Figura # 05.-Tubo de PVC

Llave de paso.- Una llave de paso o llave de corte, es un dispositivo, generalmente de metal, alguna aleación o más recientemente de polímeros o de materiales cerámicos, usado para dar paso o cortar el flujo de agua u otro fluido por una tubería o conducción en la que está inserto. También se suele llamar válvulas a estas llaves, puesto que algunas de ellas, además de servir para cortar el paso, tenían la función de evitar que el agua circule en la dirección contraria a la deseada (reflujo), es decir, que además eran válvulas en la acepción primitiva del término. 7

Figura # 06.- Llave de paso Fv

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Marco Teórico Parte de Instrumentación

Sensor LV-MaxSonar-EZ4.- Es el sensor de haz estrecho ancho que es también el menos sensible a los objetos secundarios que se ofrecen en la línea de sensores LV-MaxSonar-EZ. El LV-MaxSonar-EZ4 es una excelente opción cuando sólo los objetos más grandes necesitan ser detectado. Descripción del componente:    

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Resolución de 1 pulgada Velocidad de lectura 20 Hz 42kHz sensor ultrasónico mide la distancia a los objetos RoHS Posee 3 salidas del sensor: Tensión Analógica, Ancho de serie, Pulso

http://es.wikipedia.org/wiki/Llave_de_paso

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 Prácticamente ninguna zona muerta en el sensor, los objetos situados a menos de 6 pulgadas de rango como 6 pulgadas  De alcance máximo de 254 pulgadas (645 cm)  Funciona de 2,5-5.5V  Bajo 2.0mA requisito actual promedio  Módulo pequeño, peso ligero  Diseñado para una fácil integración en su proyecto o producto  Más estrecho haz de los sensores LV-MaxSonar-EZ  Lo mejor para grandes aplicaciones de detección de objetos. 8

Figura # 07.- Sensor Ultrasónico LV – MaxSonar – EZ4

Sensor LM35.- El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El LM35 por lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en grados Kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a lo largo de su rango de temperatura (de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de producción. Características del componente:           8

Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados) Factor de escala lineal de +10 mV / ºC 0,5ºC de precisión a +25 ºC Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC Apropiado para aplicaciones remotas Bajo coste Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V Menos de 60 µA de consumo Bajo auto-calentamiento (0,08 ºC en aire estático) Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA. 9

http://www.maxbotix.com/Ultrasonic_Sensors/MB1040.htm

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Figura # 08.- Sensor de temperatura LM35

Sensor LDR.- Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado foto resistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico. Características del componente: Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un foto resistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante. La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor. 10

Figura # 09.- Sensor de luminosidad LDR

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http://electronica.webcindario.com/componentes/lm35.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Fotorresistencia

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Instrumentación II – Proyecto Final 

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Marco Teórico parte Electrónica

LM 741.- Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O.), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. 11

Figura #10.-Amplificador Operacional LM741

Potenciómetros Lineales.- Son sensores de distancia resistivos que incorporan un cursor arrastrado por un vástago sobre una pista resistiva plástica, que provoca una variación de resistencia en los terminales de salida. Los potenciómetros lineales los podemos encontrar en diferentes rangos hasta los 1000mm, según las series. También según las series, se dispone de modelos tipo palpador o doble rótula, así como accesorios de acoplamiento flexible, punta palpadora o rótula. 12

Figura #11.-Potenciómetro Lineal

Protoboard.- Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo que se asegura el buen funcionamiento del mismo. 13

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http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-dedistancia_36/Potenci%C3%B3metros-lineales_53/ 13 http://www.circuitoselectronicos.org/2007/10/el-protoboard-tableta-de-experimentacin.html

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Figura #12.-Protoboard

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Marco Teórico Parte del HMI

Software LabVIEW.- Es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñarsistemas, con un lenguaje de programación visual gráfico. Recomendado para sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido, pues acelera la productividad. El lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy en día se ha expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de electrónica (Instrumentación electrónica) sino también a su programación embebida, comunicaciones, matemáticas, etc. 14

Figura #13.-Presentacion Software LabVIEW

DAQ NI – 6008.- La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que

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http://www.circuitoselectronicos.org/2007/10/el-protoboard-tableta-de-experimentacin.html

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hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). 15 Características Tecnicas:     

8 entradas analógicas (12 bits, 10 kS/s) 2 salidas analógicas (12 bits a 150 S/s), 12 E/S digitales; contador de 32 bits Energizado por bus para una mayor movilidad, conectividad de señal integrada La versión OEM está disponible Compatible con LabVIEW, LabWindows/CVI y Measurement Studio para Visual Studio .NET  Software controlador NI-DAQmx y software interactivo NI LabVIEW SignalExpress LE para registro de datos. 16

Figura #14.-DAQ NI USB 6008

PC Industrial.- Los PCs industriales son equipos robustos que pueden soportar ambientes hostiles y, al mismo tiempo, ofrecen una capacidad de expansión increíble, flexibilidad, fiabilidad y la más alta calidad que se espera de un equipo industrial. 17 Para nuestro caso y elaboración del proyecto aclaramos que utilizamos una laptop Dell Intel Core I7.

Figura #15.- Pc Personal

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http://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/201986 17 http://www.inves.es/web/inves/pc-industrial1

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 PROCEDIMIENTO 

Etapa de diseño de la bomba hidráulica

Balde de reservorio de agua Llave de Paso

Bomba hidráulica de ½ Hp

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Etapa de diseño del balde de instrumentación

Adquisición del tanque de instrumentación

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Sensor LVMaxSonar

Sensor LM35

Niquelina Sensor Foto resistivo (LDR)

Llave de desfogue

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Etapa de diseño de acondicionamiento de señales mediante el Protoboard

Accionamientos de niquelina y bomba hidrahulica

Acondicionamie nto del LV MaxSONAR Acondicionamie nto del LDR

Acondicionamie nto del LM35

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Instrumentación II – Proyecto Final

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Etapa de diseño del HMI mediante Software LabViEW

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Instrumentación II – Proyecto Final

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 ANALISIS DE RESULTADOS  I.

Calculo del LDR

II.

Calculo del sensor ultrasónico.

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I.

Cálculos de las ganancias de los amplificadores

Cálculos de las ecuaciones de interpolación para los respectivos escalamientos a magnitudes físicas. Ecuación de interpolación del sensor ultrasónico

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Ecuación # 01

II.

Ecuación de interpolación del sensor LDR

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Instrumentación II – Proyecto Final

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Ecuación # 02

 Circuitos de acondicionamiento I.

II.

Circuito de acondicionamiento LDR

Circuito de acondicionamiento Sensor de nivel

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Instrumentación II – Proyecto Final III.

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Circuito de acondicionamiento Sensor de Temperatura

 Pruebas realizadas I.

II.

Primero antes que todo se realizó las respectivas pruebas de funcionamiento de los circuitos, amplificadores, sensores, reguladores, adquisición de datos para empezar al armado de cada uno de los circuitos de acondicionamiento. Realizamos la prueba de variación de nivel por medio del sensor ultrasónico.

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Instrumentación II – Proyecto Final

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Vemos que la variación de voltaje es mínima cuando el haz de luz está tapado

A medida que el sensor sube de altura, su valor de voltaje también aumenta

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Instrumentación II – Proyecto Final III.

Realizamos la prueba de porcentaje de transparencia del agua por medio de la LDR

70 % de transparencia del agua en agua clara

Una vez agregado gelatina roja y chocolate se logró tener un 35% de transparencia

IV.

V.

Realizamos pruebas de temperatura por medio del sensor LM35.

Realizamos pruebas de encendido y apagado de un relé para activar la bomba y la niquelina

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Instrumentación II – Proyecto Final

Relé desactivado

Activación del relé

 Simulación Diagramas P&ID

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Instrumentación II – Proyecto Final

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Balde de instrumentación de sensores

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Bomba Hidráulica

E8

Balde de agua reservorio

E9

Sensor ultrasónico

P18

Niquelina

P19

Sensor foto resistivo

P20

Sensor de temperatura