Instrumentación 203038 Fase 4 - Investigar sobre sensores y diseñar sistema de instrumentación Presentado a: Jorge Enrique Arboleda Entregado por: Omar Alfredo Cuervo Código: Nestor Alirio Capera Moreno Código: 80237867 Edwin Alejandro Penagos Código: 80219995 Oscar Iván Perdomo Código:80216080 Freddy Hernán Triana Código: 80168623
Grupo: 203038_8
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA NOVIEMBRE DE 2018 BOGOTA
INTRODUCCIÓN Dentro del siguiente trabajo encontraremos la investigación sobre distintos sensores comerciales que sirven para la medición de distintas variables físicas, estos tienen diversas aplicaciones dentro de la industria y son importantes en la implementación de distintos sistemas de instrumentación donde encontraremos siempre que consta de sensor, control y actuador. Todo esto con el fin de adquirir competencias necesarias para nuestro desarrollo como profesionales.
OBJETIVOS
Investigar sobre sensores comerciales conocer costos y las características principales. Determinar el uso y aplicación de sensores proponiendo un sistema de instrumentación y control básico. Diseñar y calcular un sistema de instrumentación con un AD620 y un LM3914 bajo los parámetros solicitados.
Paso 1: Tabla de características sensores y precio ESTUDIANTE: NESTOR ALIRIO CAPERA Módulo Sensor de Temperatura y Humedad SHT10 FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS Sensor de temperatura y humedad digital. Este sensor es de carácter capacitivo, perfectamente calibrado, proporcionando una salida digital con valores precisos. Su bajo consumo de energía lo hace altamente eficiente, gracias a esta importante característica, se pueden llevar a cabo satisfactoriamente la adquisición de datos con una buena transmisión, lo que lo posiciona en un excelente lugar para implementaciones a nivel industrial, más que todo en el campo automotriz, instalaciones eléctricas, mediciones, pruebas y en la industria farmacéutica. Color Verde/Negro Tipo Capacitivo Rango de operación humedad 0%~100% RH Resolución humedad · 0.4% RH~0.05% RH · 8 bits ~ 12 bits Precisión humedad · 4.5% RH Repetibilidad 0.1% RH Histéresis 1% RH Respuesta en tiempo 8 segundos ( ) Rango de operación temperatura 40°C~123.8°C Resolución temperatura · 0.04°C~0.01°C · 12 bits ~ 14 bits Precisión temperatura 0.5°C Repetibilidad 0.1% RH Respuesta en tiempo 5 segundos ~ 20 segundos ( )
PRECIO
Precio: $ 23.800
Módulo Sensor Infrarrojo Piroeléctrico Mini HC-SR505 FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS
PRECIO
El sensor Piroeléctrico mini PIR HC-SR505 está basado en tecnología infrarroja a alta sensibilidad y confiabilidad que se puede controlar automáticamente. Debido a su tamaño mínimo y al modo de operación de baja Precio: $ 5653 potencia, es ampliamente utilizado en diversos equipos electrónicos automáticos, especialmente en productos autónomos que funcionan con baterías. Rango de voltaje 4.5V ~ 20V DC Corriente entrada <60µA Tiempo de retardo 8s ±30% Distancia de inducción 3 metros Ángulo de inducción Angulo de cono de 100 grados
ESTUDIANTE :OMAR CUERVO DONCEL HC-SR04 Sensor de distancia ultrasónico FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS
Referencia: HC-SR04 Sensor de distancia ultrasónico Voltaje de entrada: 5VDC Frecuencia de operación 20 khz400khz Angulo del sensor 15 Grados Distancia de detección 2 cm 400 cm Precisión 0,3cm Entrada de señal de disparo 10us Impulso TTL Sensor NBPD0122 FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS Características: sensor de temperatura y humedad Humedad relativa de operación: 10-90 % Temperatura de operación 5-45ºC Marca: Schneider Electric
PRECIO
Precio $6.000
PRECIO
Precio 35 Dólares
Descripción: Conexión por medio de cable USB; tiene integrados los siguientes sensores: Sensor de temperatura
Sensor de Humedad
Sensor de punto de rocío
Sensor de flujo de aire
Sensor de audio
4 Puertos para sensores externos
ESTUDIANTE:OSCAR IVAN PERDOMO OLARTE Sensor temperatura Arduino TC74 FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS
PRECIO
Es un sensor de temperatura digital especialmente adecuado para aplicaciones de bajo coste. Es capaz de convertir la temperatura dentro del propio sensor y se transmite a través de una palabra digital de 8 bit. Función: Sensor de humedad o temperatura Rango de medición 0 ... 100% Hr Rango de temperaturas: -40º C a 125º C Precisión: ±2 % (rango de 10% ... 90% H.r.) ±3 % (resto de rango) Histéresis: ±1 % Hr.
Este sensor de temperatura lo podemos encontrar en un pack de 5 por unos $90.170, sale cada uno a $18.034 con gastos de envío incluidos
Sensor de humedad o temperatura PCE-P18L FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS La medición de temperatura y humedad del aire se realiza a través de un elemento semiconductor. Internamente, se convierte la magnitud física medida en una señal normalizada 4 … 20 mA.
Este instrumento de medición se alimenta mediante un bucle de
PRECIO
alimentación de tensión continua, y está por tanto preparado para trabajar con indicadores digitales alimentados por transmisor. También puede ser conectado a sistemas de visualización para el control continuo. El sensor de humedad se monta en la pared mediante dos tornillos, y se puede usar al instante. Función: Sensor de humedad o temperatura Rango de medición 0 ... 100% Hr Rango de temperaturas: -40º C a 125º C Precisión: ±2 % (rango de 10% ... 90% H.r.) ±3 % (resto de rango) Histéresis: ±1 % Hr.
tiene un costo de $354.048
ESTUDIANTE :EDWIN ALEJANDRO PENAGOS APARICIO Sensor de vibración LDT0-028K/L FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS
PRECIO
Características: • Sensor de vibración de polímero
piezoeléctrico laminado • Sin masa inercial • Mayor sensibilidad en altas
frecuencias. Frecuencia resonancia 180 Hz
de
• Se puede alterar su frecuencia de
resonancia sosteniéndolo en lugares diferentes de su longitud. • Acoplamiento AC • Elemento sensor resistente y
flexible que soporta impactos de alta carga • Fácil montaje con pines soldables al PCB o cable • Temperatura de operación: 0 ºC a
85 ºC Aplicaciones: • Desbalance de máquinas • Detección de impactos • Ruptura de cristales • Movimiento de vehículos • Dispositivos antirobo • Monitoreo de parámetros vitales.
Movimiento del cuerpo • Suiche flexible
Precio $11.250
• Sensor de penetración o apertura
de paneles, gabinetes y chasises • Detector de falla de ventiladores • Detección de dispensado en
máquinas dispensadora • Detección de flujo de agua • Entre otros
Sensor de humedad en suelos Referencias YL-69 FOTO SENSOR
CARACTERISTICAS
PRECIO
Características: • Medida análoga de la humedad
con salida de variación de voltaje (AO) • Señal digital de superación de
umbral con salida para el usuario (DO) y LED indicador. La sensibilidad de disparo se puede ajustar mediante trimmer. Esta función es provista por un comparador con LM393 • Pines de conexión de la tarjeta:
VCC: alimentación, GND: Tierra, DO: Salida digital indicadora de superación de umbral, AO: Salida análoga de la medición de humedad • LED indicador de encendido • Voltaje de alimentación: 2 V a 6 V • Dos agujeros de sujeción en el
sensor de diámetro 3 mm aprox. y un agujero de sujeción en el módulo electrónico de 2 mm aprox. • Incluye 6 cables de conexión
Hembra-Hembra de 20 cm. • Dimensiones aprox: Sensor 6 cm x
2 cm. Módulo electrónico 4 cm x 1.5 cm Aplicaciones: • Monitoreo de la humedad en
suelos • Jardinería • Alarma de inundación • Detección de nivel máximo en un
tanque
Precio $7.693
Paso 2 Estudiante: Nestor Alirio Capera Sistema de medición de temperatura para un invernadero con sensor SHT10 Los invernaderos son ambientes creados artificialmente para simular condiciones óptimas que permitan el cultivo en masa de determinado producto, el sistema que propongo es un dispositivo que mediante la instalación de sensores internos envié datos a una aplicación web que permita monitorear el comportamiento de la temperatura mediante la implementación de protocolos de comunicaciones y dispositivos micro controladores que traduzcan la información y activen los sistemas de riego cuando sea necesario para proteger los cultivos .
Dentro de mi investigación encontré proyectos que buscan automatizar todos estos procesos y que además de la temperatura tienen en cuenta otras variables para optimizar el producto final.
Estudiante: OMAR ALFREDO CUERVO Para este paso propongo el uso del LM35 para controlar la temperatura de un área, haciendo uso de amplificadores operacionales, acopladores de señal y ventiladores como elementos actuadores para regular la temperatura.
Iniciamos con la creación del primer circuito donde configuramos un umbral de 26ºC, donde por debajo de este umbral no tenemos voltaje a la salida, y al superar el umbral se activa la salida para habilitar un actuador que regule la temperatura y vuelva a ponerla por debajo del límite de operación, a la salida del amplificador operacional podemos emplear un AD620 con el fin de ampliar la señal para poder activar el ventilador que vamos a emplear como actuador.
1. Comportamiento por debajo de los 26ºC: para realizar el circuito comparador se emplea un integrado LF353 y se configura como un comparador con un arreglo de resistencias se
configura el setpoint de temperatura en 26ºC haciendo que el voltaje en el potenciómetro conectado a la entrada inversora tenga un valor de 260mV, la entrada no inversora se conecta a la salida del LM35, de esta forma cuando el valor de la salida del L35 supere los 260mV, es decir los 26ºC, el amplificador pondrá Vcc a la salida y dará la señal al actuador para disminuir la temperatura. 1.1. Temperatura por debajo del límite del setpoint:
1.2. Temperatura por encima del límite de operación, al
Cálculos:
Según el manual de operación la salida del LM35 corresponde a 10mV por cada ºC, nuestro setpoint estará configurado a 26ºC, es decir debemos fijar un valor de 260mV en la entrada inversora del amplificador:
12∗ → 260 = 12∗ →260220Ω+ = +∗ = 220Ω+ 220Ω+ = 12 ∗ →57,2Ω+260∗ = 12 ∗ 57,2Ω=12−260 57,2Ω = 4872,23Ω = 12−260
Se investiga más en el mercado acerca de sensores y sistemas de medición que controlen variables de tipo ambiental como temperatura y humedad, y se encuentra la solución de Schneider, se muestra continuación, que consta de sensores conectados por medio de cables USB o cables RJ45 a dispositivos ubicados dentro del ambiente a controlar, todos estos centralizados a un único controlador llamado Appliance, además del sensor empleado para este ejercicio, también se tienen más referencias de sensores entre las cuales se encuentran:
Sensores de humo
Sensores de apertura de puertas
Sensores de detección de partículas
Sensores de contacto seco
Sensores de derrame de fluidos
Sensores de vibración
Alarma Beacom
Cámaras con detección de movimiento
Sensores inalámbricos de temperatura
Sensores inalámbricos de temperatura y humedad
Descripción física de la solución:
1. Entrada de corriente AC. 2. Reset del appliance. 3. LED indicador de actividad. 4. Puerto RS485, para conectividad via Modbus 5. Puerto de red 6. LED de alarma 7. Relevos de salida de 12 VDC a 75 mA 8. LED de alimentación. 9. Entradas de 4 a 20 mA 10. Puertos de sensores 11. Puerto especial para sensor de derrame de fluidos 12. Puerto para el Alarma Beacom 13. Puerto A-Link, usado para conectar sensores con display o aumentar la capacidad del dispositivo mediante na red CAN. 14. LED de alarma. 15. LED de alimentación 16. Puerto de configuración 17. Puertos USB tipo A 18. Ventilador Interfaz de configuración: El sistema se maneja por medio de una herramienta que se puede descargar de la red llamada Advance View:
A esta se accede por medio de la dirección IP del dispositivo y es en esta herramienta donde se realizan todas las configuraciones de los sensores y el sistema de alarmas. En nuestro caso el área que nos interesa es el área de la izquierda donde encontramos el sensor:
Como se observa aparece el dispositivo en la parte superior y en la parte inferior aparecen los sensores integrados con sus respectivas medidas, en este ejemplo en particular nos vamos a centrar en las medidas de temperatura y humedad a las cuales es posible configurarle diferentes umbrales de alertas y advertencias: 1. Configuración de umbrales de temperatura:
a. Seleccione el sensor a configurar con click derecho y luego la opción configure sensor como se muestra a continuación:
b. Si desea en esta pantalla se puede personalizar el nombre del sensor en la opción modify:
c. Luego de configurar el nombre personalizado, se da ok y se regresa a la pantalla anterior donde se elegirá la opción de umbral a modificar, por defecto la herramienta tiene un umbral por intervalo pero se pueden adicionar mas presionando el botón Add en la parte inferior izquierda:
Para este caso solo se mostraran las opciones disponibles, pero se empleara el umbral por defecto:
Seleccionamos la opción cancel para salir de allí son realizar modificaciones y a continuación seleccionamos Edit:
d. Al ingresar a esta opción debemos asegurar que el sensor este habilitado, y configurar el valor máximo y mínimo que queremos para generar las alertas, en este caso vemos que el sensor está actualmente midiendo una temperatura de 24,6ºC y le configuramos un umbral máximo de 30ªC y mínimo de 20ºC, cuando llegue a alguno de estos valores el sensor alarmara la herramienta
e. En la pestaña Advanced podemos diferentes opciones entre las que se enuentra la severidad de la alarma, en este caso vamos a dejarla como una advertencia:
f. Damos click en ok en las dos pantallas siguiente sy volvemos al menú principal donde podemos ver todos los sensores nuevamente: Ahora vamos a generar una alarma por alta temperatura en el sensor para observar su comportamiento:
Se puede observar la gráfica de temperatura si se da click derecho sobre el sensor y se selecciona la opción view graph
Aquí podemos ver la gráfica de la variable hasta 8 horas atrás, la gráfica en rojo indica los momentos en los cuales la variable supero un umbral determinado:
Al retornar al valor normal de operación la gráfica vuelve a ser azul, pero queda en rojo el tiempo en que paso la alarma y quedan marcados el valor máximo y minimo de la variable durante el intervalo de tiempo observado:
Este tipo de alarmas pueden ser notificadas a través de diferentes medios como por ejemplo correo electrónico en la ventana principal se encuentra la configuración del servidor de correo:
De esta forma quedan creados los umbrales y las notificaciones de alarmas para nuestro sensor:
Adicionalmente se puede mapear una salida del Appliance para que al detectar una alarma a ctive una acción, ya sea encender un Beacom, a por medio de los relevos de salida del dispositivo activar un circuito a la salida que controle un elemento como el ventilador que se mencionó en pasos anteriores
Estudiante:
Oscar Iván Perdomo Olarte
Control por retroalimentación de un calentador de agua
Satisfacer la demanda de agua caliente a una temperatura T. Objetivo de control: mantener la temperatura de salida en un valor deseado. Otro objetivo de control: Mantener el nivel de agua estable o entre determinados valores Dos variables de control. Distintas exigencias de control. P
Para ello se utilizará el sensor temperatura Arduino TC74, con un trasmisor de protocolo I2C, un controlador de temperatura ESM-3710-N, el traductor de Arduino obteniendo asi un calentador de agua.
. Estudiante: Edwin Alejandro Penagos Aparicio Se realiza un circuito con ayuda del sensor LDT0-028K/L que nos ayuda a conocer si hay algún sismo haciendo sonar un parlante con un sonido esto también con ayuda de Arduino.
Estudiante: FREDDY HERNAN TRIANA
Paso 3 Colaborativo
Paso 3: Diseñar y simular en software CAD un sistema de instrumentación en el cual: Implemente un sensor de los identificados en el paso 1, simule su funcionamiento y diseñe una etapa de escalización en la cual obtenga a la salida una escala de 0V-9V. Se sugiere usar un AD620, puede realizar las adecuaciones que considere necesarias para obtener la salida solicitada. Implemente visualización por Leds para la escala de 0V – 9V. Se sugiere usar un LM3914, para visualizar la salida mediante leds.
Rpt/ Cálculos Puente De Wheatstone Calculamos nuestro puente Wheatstone teniendo el potenciómetro como Rx:
= 2000Ω∗1000Ω 1000Ω =2000Ω
Cálculos AD620
Medimos el valor máximo que puede alcanzar la salida el puente para este caso es de 0.33 V
. Calculamos la ganancia para que la amplificación no pase de 9V
9 =27.27 = 0.33 Consultamos el datasheet del amplificador para calcular la resistencia de ganancia.
Calculamos
49.4 =1897Ω = 27.27−1
Cálculos LM3914 Para realizar el cálculo de las resistencias usamos la fórmula del voltaje de referencia que nos proporciona el datasheet del LM3914.Asignanado valor a la resistencia 1 de 1000
Ω
Calculamos:
2 )=6200Ω 9=1.25(1 1000Ω Para asignar el voltaje de cada uno de los leds para que exista un incremento dividimos los nueve voltios por la cantidad de Leds instalados.
= 0.9 Por lo que a cada led se le hará un incremento de 0.9V
Simulamos en proteus.
Observamos que a medida que aumenta el voltaje de 0V a 9V los leds se van encendiendo.
Link Video YouTube: https://youtu.be/5JRqjZ8M7c0
CONCLUSIONES
Se identificaron los distintos sensores comerciales, donde se pudo determinar sus características y sus aplicaciones en la industria. Para el diseño de sistemas de instrumentación es importante tener en cuenta que consta de sensor, control y actuador.
El amplificador de instrumentación dispositivo de baja potencia que requiere sólo una resistencia externa para establecer las ganancias de 1 a 10.000. Ofrece una energía más baja (sólo corriente de alimentación máxima 1.3mA), por lo que es una buena opción para aplicaciones portátiles (o remotos) que funcionan con baterías. El LM314 es un circuito integrado que compara una señal eléctrica con un valor de referencia.
