DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO CON SISTEMA HMI PARA EL ANÁLISIS Y ESTUDIO DE...

7/25/2019 DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN MDULO DIDCTICO CON SISTEMA HMI PARA EL ANLISIS Y ESTUDIO DE SENS

1/112

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANASEDE QUITO

CARRERA: INGENIERA ELECTRNICA

Tesis previa a la obe!"i#! $el %&lo $e: INGENIERO ELECTRNICO

TE'A:

DISE(O E I'PLE'ENTACIN DE UN 'DULO DID)CTICO CON

SISTE'A *'I PARA EL AN)LISIS + ESTUDIO DE SENSORES +

TRANSDUCTORES DE PRO,I'IDAD ANALGICOS POR 'EDIO DE LA

TAR-ETA DE ADQUISICIN DE DATOS DAQ NI + CONTROLADA POR

EL SO.T/ARE LA0VIE/1

AUTORES:

-OS LUIS 0UC*ELI NARAN-O

LENIN 'AURICIO VEL)SQUE2 GARRIDO

DIRECTOR:

/ILLIA' 'ANUEL 'ONTALVO LPE2

Q&io3 abril $el 4567


2/112

DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD Y AUTORIZACION DE USO DE

TRABAJO DE GRADO

Nosotros autorizamos a la Universidad Politcnica Salesiana la publicacin total o

parcial de este trabajo de grado y su reproduccin sin fines de lucro.

Adems declaro ue los conceptos y anlisis desarrollados y las conclusiones del

presente trabajo son de e!clusiva responsabilidad de los autores.

""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

#ose $uis %uc&eli Naranjo $enin 'auricio (elsuez )arrido

**+ ,-,/0011 **+ ,-2/33-/22


3/112

DEDICATORIA

4edico este proyecto a mis padres Patricia Naranjo e 5vn %uc&eli6 y a mis &ermanos

4iego %uc&eli e 5vn %uc&eli6 uienes &an sido mi motivacin y aliento para seguir

adelante en cada objetivo planteado6 y as7 culminar con mis estudios y trabajo de

grado.

Adems6 dedico este trabajo a Abigail 8sp7n y Adriana 8sp7n6 ue d7a a d7a me &an

brindado todo su apoyo y comprensin cuando &ab7a dificultades en el camino.

A ustedes por siempre mi amor y agradecimiento.

#ose $uis %uc&eli Naranjo

8ste proyecto fue gracias a mis padres 'arcelo (elsuez y *armita )arrido uienes

me apoyaron incondicionalmente6 a mis &ermanas 'aricela (elsuez y 9imberly

(elsuez6 a mi esposa 'ar7a %eln (eloz6 a mi &ija $uciana (elsuez y mi sobrina

:amia (elsuez. )racias a ustedes por el apoyo y amor.

Adems6 sin olvidar a los ingenieros6 mis amigos uienes estuvieron en clases d7a a

d7a6 a mis familiares en general por sus buenos deseos.

A todos ustedes muc&as gracias.

$enin 'auricio (elsuez )arrido


4/112

AGRADECIMIENTO

Agradecemos a la Universidad Politcnica Salesiana por &aber formado parte

fundamental en nuestra formacin profesional y al 5ng. ;illiam 'ontalvo6 como

tutor del trabajo de titulacin uien &a orientado6 apoyado y corregido el trabajo con

un inters y entrega ue &a sabido sobrepasar todas las e!pectativas puestas en una

persona.

#ose $uis %uc&eli Naranjo < $enin 'auricio (elsuez )arrido


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NDICE

INTRODUCCIN......................................................................................................,

CAPTULO 1..............................................................................................................2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.................................................................2

,.,. Problema a resolver...............................................................................................2

,.2. =iptesis................................................................................................................2

,./. #ustificacin.........................................................................................................../

,.>. ?bjetivos................................................................................................................/

,.>.,. ?bjetivo general................................................................................................./

,.>.2. ?bjetivos espec7ficos........................................................................................../

CAPTULO 2..............................................................................................................>

MARCO TERICO...................................................................................................>

2.,. 8stado del arte.......................................................................................................>

2.2. *onceptos generales y terminolog7a......................................................................@

2./. 5ntroduccin sensores............................................................................................1

2./.,. Sensor..................................................................................................................1

2./.2. *lasificacin.......................................................................................................-

2././. Acondicionadores de seal...............................................................................,>

2././.,. Amplificador de instrumentacin..................................................................,@

2././.2. *ircuitos de acondicionamiento de seales...................................................,@

2.>. Sensores6 actuadores y dispositivos utilizados en el mdulo didctico...............,1

2.>.,. Sensor infrarrojo...............................................................................................,-

2.>.,.,. Buncionamiento.............................................................................................,

2.>.,.2. *lasificacin.................................................................................................,

2.>.2. Sensor fotoelctrico..........................................................................................,02.>./. Sensor ultrasnico.............................................................................................2,

2.>.>. 'otor a pasos....................................................................................................22

2.>.>.,. *aracter7sticas tcnicas..................................................................................2/

2.>.>.2. *aracter7sticas constructivas.........................................................................2/

2.>.@. N5 US%"133C1330...........................................................................................2>

2.>.@.,. =ardDare.......................................................................................................2@

2.>[email protected]. 8ntradas y salidas N5 U%S"1330...................................................................2@2.>.@./. 'odos de cone!in........................................................................................2-


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CAPTULO 3............................................................................................................20

DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MDULO DIDCTICO...........................20

/.,. 4escripcin del euipo........................................................................................20

/.2. 4iseo y construccin de la base de pruebas para materiales.............................20

/./. 8structura y mecanismo de posicionamiento para el mdulo.............................../,

/.>. 4iseo y construccin de los soportes de los sensores......................................../2

/.@. *onstruccin de la estructura para los circuitos de acondicionamiento y fuente de

alimentacin................................................................................................................//

/.1. Acople de piezas en la estructura de acr7lico......................................................./>

/.-. 4iseo6 clculos y construccin de los circuitos de acondicionamiento............./@

/.-.,. 4iseo del circuito conversor de >"23EmAF a 3"@E(F......................................./@

/.-.2. Bormulas para el clculo del circuito de acondicionamiento............................/-

/.-./. 4iseo y construccin de placas de acondicionamiento.................................../

/.-.>. 8suema de cone!iones del mdulo................................................................./0

/.. 'ateriales y &erramientas....................................................................................>3

/..,. 'ateriales.........................................................................................................>3

/..2. =erramientas....................................................................................................>,

/.0. *one!in de los sensores al mdulo 4AG US%"1330.......................................>,

/.0.,. *one!in con el sensor infrarrojo s&arp...........................................................>2

/.0.2. *one!in con el sensor ultrasnico festo.........................................................>2

/.0.,. *one!in con el sensor ptico festo.................................................................>/

CAPTULO 4............................................................................................................>@

DESARROLLO DEL ALGORITMO DE MONITOREO Y CONTROL...........>@

>.,. $ab(58;.............................................................................................................>@

>.2. Aduisicin de datos............................................................................................>1

>./. N5 'easurement < Automation 8!plorer H'AIJ..............................................>->.>. N5"4AGma!........................................................................................................>

>.@. 4iseo y desarrollo del programa en $ab(58;.................................................>

@.,. Sub(5 presentacin..............................................................................................@3

@.2. Sub(5 salto de ventana........................................................................................@3

@./. Sub(5 motor stepper............................................................................................@,

@.>. Sub(5 sensor infrarrojo.......................................................................................@/

@.@. Sub(5 sensor ptico.............................................................................................@>@.1. Sub(5 sensor ultrasnico.....................................................................................@1


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CAPTULO 5............................................................................................................@

ANLISIS DE DATOS............................................................................................@

@.,. 4escripcin de materiales para censar.................................................................@

@.2. Anlisis de los materiales frente a los sensores...................................................12

@./. *lculo de error en los sensores..........................................................................11

CONCLUSIONES....................................................................................................-3

RECOMENDACIONES..........................................................................................-2

LISTA DE REFERENCIAS.....................................................................................->


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NDICE DE FIGURAS

Bigura ,. 8structura sensor...........................................................................................-

Bigura 2. *lasificacin por funcionamiento.................................................................

Bigura /. *lasificacin por seal ue proporciona.......................................................0

Bigura >. *lasificacin por naturaleza de funcionamiento.........................................,3

Bigura @. *lasificacin por fabricacin......................................................................,2

Bigura 1. Proceso de acondicionamiento de seales...................................................,>

Bigura -. Amplificador de instrumentacin................................................................,@

Bigura . KobotinoL...................................................................................................,1

Bigura 0. 'PSL @33"B'S.........................................................................................,1

Bigura ,3. ;orMstation 'PS PAL..............................................................................,-

Bigura ,,. 8spectro electromagntico de longitudes de ondas...................................,-

Bigura ,2. 5nfrarrojo por refle!in.............................................................................,0

Bigura ,/. 5nfrarrojo por refle!in.............................................................................,0

Bigura ,>.*omponentes de un sensor fotoelctrico...................................................23

Bigura ,@. 8structura interna de un $84....................................................................23

Bigura ,1. *omponentes de un sensor de pro!imidad ultrasnico.............................2,

Bigura ,-. 'otor a pasos............................................................................................22Bigura ,. N5 US%"1330............................................................................................2>

Bigura ,0. =ardDare de tarjeta...................................................................................2@

Bigura 23. P5N?U:....................................................................................................21

Bigura 2,. 'odo de cone!in entrada anloga...........................................................2-

Bigura 22. *ircuiter7a de un canal de salida analgico...............................................2

Bigura 2/. *one!in de entradas y salidas digitales...................................................2

Bigura 2>. 4iseo de base para materiales en Solid;orMs........................................./3Bigura 2@. *onstruccin preliminar y final de la base de materiales en acr7lico......../,

Bigura 21. *ase del escner desarmado....................................................................../,

Bigura 2-. *ase del escner implementado con la base de materiales del mdulo..../2

Bigura 2. 4iseo del soporte para los sensores en Solid;orMs................................/2

Bigura 20. Soporte para sensor terminado..................................................................//

Bigura /3. 8structura final de posicionamiento y base para los sensores...................//

Bigura /,. 8structura en acr7lico diseado en Solid;orMs........................................./>

Bigura /2. 8structura en acr7lico diseo final............................................................./>


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NDICE DE TABLAS

:abla ,. 4escripcin de 5C3 analgicas y digitales ....................................................21

:abla 2. (alores m!imos y m7nimos de salida (o..................................................../-

:abla /. $ista de materiales........................................................................................>3

:abla >. $ista de &erramientas....................................................................................>,

:abla @. Simbolog7a para diagramas de flujo.............................................................>0

:abla 1. Kango de trabajo sensor infrarrojo................................................................@/

:abla -. Kango de trabajo sensor ptico.....................................................................@>

:abla. Kango de trabajo sensor ultrasnico.............................................................@1

:abla 0. 4iferentes materiales....................................................................................@

:abla ,3. Anlisis de pruebas con el sensor ptico y los materiales..........................12

:abla ,,. Anlisis de pruebas con el sensor infrarrojo y los materiales.....................1>

:abla,2. Anlisis de pruebas con el sensor ultrasnico y los materiales...................1@

:abla,/. Anlisis de error con el sensor ptico con el material H8J..........................11

:abla,>. Anlisis de error con el sensor infrarrojo con los materiales HA6 %6 4 y )J

....................................................................................................................................1-

:abla,@. Anlisis de error con el sensor ultrasnico con los materiales HA6 %6 *6 86 B

y )J.............1
http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153http://var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/HYPERLINK%23_Toc384233153


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NDICE DE ECUACIONES

8cuacin ,. clculo de (o.........................................................................................../-

8cuacin 2. frmula del amplificador inversor........................................................../-

8cuacin /. clculo de error porcentual.....................................................................11


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NDICE DE ANEXOS

Ane!o ,. :arjeta de aduisicin de datos N5"US% 1330............................................-1

Ane!o 2. Sensor ultrasnico festo..............................................................................-0

Ane!o /. Sensor ptico festo......................................................................................,

Ane!o >. Sensor infrarrojo s&arp................................................................................/

Ane!o @. 'anual tcnico............................................................................................@


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RESUMEN

$os mdulos didcticos tienen como objetivo primordial brindar a los estudiantes y

docentes la oportunidad de mejorar la forma de impartir y aduirir conocimientos6 al

igual ue los sistemas ='5 H5nterfaz =ombre 'auinaJ6 permiten al usuario realizar

un control6 monitoreo y anlisis del comportamiento de diversos procesos

industriales.

8ste mdulo didctico se desarroll en el softDare $ab(58; mediante el uso de la

tarjeta de aduisicin de datos 4AG N5 y los sensores analgicos de pro!imidad ue

actualmente se encuentran en el laboratorio de :eor7a del *ontrol y Sensores de la

carrera de 5ngenier7a 8lectrnica de la Universidad Politcnica Salesiana.

8ste mdulo didctico proporciona las &erramientas necesarias para el anlisis y

estudio del comportamiento de sensores de pro!imidad analgicos. 8l mismo ue se

encarga de presentar los datos aduiridos por los sensores para determinar el rango

de trabajo y su comportamiento frente a diversos materiales6 mediante un sistema

='5 para la visualizacin y control de los datos aduiridos.

$o importante del mdulo didctico es tener claro ue se puede obtener datos de

cualuier sensor de pro!imidad analgico y proceder a realizar un estudio del mismo6

adems se puede utilizar para el desarrollo de varias prcticas de sensores6 ya ue

actualmente en el campo industrial son los elementos encargados de suministrar toda

la informacin para el control de un proceso.


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ABSTRACT

:&e training modules are primarily intended to provide students and teac&ers t&e

opportunity to improve t&e Day of imparting and acuiring MnoDledge6 liMe ='5

systems H =uman 'ac&ine 5nterface J alloD t&e user to control 6 monitor and analyze

t&e be&avior of various industrial processes.

:&is training module Das developed in $ab(58; softDare using t&e acuisition card

N5 4AG data and analog pro!imity sensors t&at are currently in t&e laboratory of

*ontrol :&eory and *areer Sensors 8lectronic 8ngineering from t&e Polytec&nic

University Salesian.

:&is training module provides tools for analyzing and studying t&e be&avior of

analog pro!imity sensors. :&e same is responsible for presenting t&e data acuired

by t&e sensors to determine t&e range of DorM and t&eir be&avior in different

materials6 using a ='5 system for visualization and control of t&e acuired data.

:&e training module is important to understand t&at you can get data from any analog

pro!imity sensor and proceed to a study of it6 also can be used for t&e development

of various sensors practices6 as currently in t&e industrial field are elements

responsible for providing all information to control a process.


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INTRODUCCIN

8l diseo e implementacin del proyecto busca mejorar la forma de aduirir

conocimientos acerca de los sensores utilizados en la automatizacin industrial6

refirindose espec7ficamente a los sensores y transductores de tipo analgicos.

$a distribucin de este trabajo se realiz de la siguiente forma+

8n el cap7tulo ,+ aborda temas relacionados con la estructura del proyecto6 en las

cuales se indica el t7tulo del proyecto6 justificacin6 delimitacin6 planteamiento del

problema6 objetivos planteados6 los mtodos y tcnicas de investigacin ue seutilizaron en el desarrollo del proyecto.

8n el cap7tulo 2+ plantea todas las generalidades del proyecto6 donde se abordan los

temas ue permitirn una fcil comprensin del proyecto desarrollado como es la

base terica6 principios6 conceptos generales6 caracter7sticas6 comportamiento y

diferencias de los diferentes dispositivos6 respaldados en literatura especializada.

8n el cap7tulo /+ describe la construccin y diseo del mdulo6 donde se muestran los

planos6 esuemas del proyecto6 circuitos de acondicionamiento y la descripcin del

euipo utilizado para el desarrollo del proyecto.

8n el cap7tulo >+ presenta el algoritmo de control desarrollado6 donde se suministra

una e!plicacin sobre los diferentes entornos de la programacin desarrollada en

$ab(58; para el monitoreo y control del ='5.

8n el cap7tulo @+ muestra las pruebas y resultados de funcionamiento del proyecto

implementado.

1


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CAPTULO 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

11 P!"#$%&' ' !%("$)%!

=oy en d7a el sector industrial ecuatoriano presenta una obsolescencia en la

mauinaria y euipamiento en las industrias6 debido al constante desarrollo e

innovacin en el campo mecnico6 informtico6 sobre todo el control y la regulacin

de sistemas y procesos automatizados ue estn permitiendo lograr consigo la

reduccin de costos6 aumento de la productividad y mejorar los procesos

industriales.

$as instituciones de nivel superior estn empeadas en ofrecer profesionales con una

slida formacin tcnica6 destreza en anlisis6 solucin de problemas y

mantenimiento en diferentes reas industriales.

$a Universidad Politcnica Salesiana busca forjar oportunidades de investigacin en

situaciones realistas resolviendo dificultades de la industria local y regional6 y al

mismo tiempo aportar al desarrollo productivo y a la calidad acadmica6 con la ayuda

de mdulos didcticos6 simuladores y dispositivos electrnicos.

*on lo e!puesto anteriormente se implementar un mdulo didctico para el anlisis

y estudio de sensores y transductores de nivel industrial ue trabajen bajo seales

analgicas6 brindando al usuario un aprendizaje terico y prctico de los diferentes

sensores.

12 *+,-.%(+(

$a implementacin de un mdulo didctico de sensores permitir ue los estudiantes

y docentes puedan mejorar la forma de aduirir e impartir conocimientos con

respecto a los sensores y transductores de tipo analgico consiguiendo mejorar el

desempeo acadmico de los mismo6 debido a ue la Universidad Politcnica

2


17/112

Salesiana presenta carencias6 limitaciones de recursos ue dificultan el aprendizaje

en esta rea.

13 J/(.+0+'+-

8l estudio de sensores y transductores en la Universidad Politcnica Salesiana

presenta limitaciones por recursos y materiales didcticos para su aprendizaje. 8sto

se puede mejorar a travs de la implementacin de mdulos ue permitan verificar y

comprobar la base terica de los dispositivos6 enfocndose en puntos importantes

como+ funcionamiento6 aplicaciones6 ventajas y desventajas.

4e esta manera6 el mdulo didctico ser Otil para estudiantes y docentes pues

permitir realizar el anlisis y comparacin entre dispositivos ue midan las mismas

magnitudes f7sicas y desarrollarn la capacidad para contrastar y seleccionar de

manera eficiente un sensor de acuerdo a la necesidad.

14 O#%.+)"(

141 O#%.+)" %%!'$

4isear e implementar un 'dulo didctico con sistema ='5 para el anlisis y

estudio de sensores y transductores de pro!imidad analgicos por medio de la tarjeta

de aduisicin de datos 4AG N5 y controlada por el softDare $ab(58;.

142 O#%.+)"( %(,%0+"(

4isear e implementar el &ardDare del mdulo didctico para las prcticas del

$aboratorio de instrumentacin.

*ontrastar y seleccionar los sensores y transductores ptimos.

4isear e implementar el programa de control en el softDare $ab(58; para

desarrollo del ='5.

Analizar cuantitativamente los errores en el diseo del proyecto.

8laborar un manual tcnico de prcticas para el mdulo didctico.

3


18/112

CAPTULO 2

MARCO TERICO

8ste cap7tulo aborda el estado del arte del proyecto y una fundamentacin terica ue

permita la comprensin y desarrollo del mismo6 describiendo trminos utilizados en

sensores y transductores6 conceptos generales6 clasificacin6 caracter7sticas y

comportamiento de los diferentes dispositivos electrnicos ue forman parte del

proyecto.

21 E(.'6" 6%$ '!.%

8n la Universidad Politcnica Salesiana6 e!iste inconvenientes en la catedra de

Sensores y :ransductores6 por no poseer mdulos para el estudio de sensores6 esta es

una desventaja para la formacin de los estudiantes en procesos industriales6 es por

esto ue se pretende desarrollar un mdulo didctico ue cumpla con las amplias

e!pectativas tanto para docentes y estudiantes de modo prctico6 de fcil

comprensin y manejo en un entorno grfico H$ab(58;J ue sea amigable para el

usuario6 adems de un &ardDare muy verstil ue permita montar y desmontar los

sensores6 con un sistema ='5 para evitar mediciones errneas por fallas &umanas6

consiguiendo de esta manera verificar el comportamiento6 funcionamiento y

caracter7sticas bsicas de los diferentes sensores de la misma forma la calibracin y

monitoreo.

$os mdulos didcticos desarrollados por empresas especializadas6 poseen varias

caracter7sticas adicionales a diferencia de uno construido artesanalmente6 para ello se

va a tomar como referente a la empresa B8S:? y sus mdulos didcticos como el

Sistema 'odular de Produccin 'PS6 ue tienen muc&as prestaciones como+

Q Unidades individuales y combinadas.

Q 4iferentes tcnicas de accionamiento.Q Blujos de materiales y de informaciones.

4


19/112

Q *onceptos de controles modernos y variables.

Q (ersatilidad modular.

4e igual manera la empresa BeedbacM6 ostenta gran cantidad de mdulos didcticos

al igual ue la empresa B8S:?6 e!celentes en funcionamiento y construccin pero

sus costos son demasiado elevados y no son de fcil aduisicin6 adems cada

empresa propone su propio tipo de softDare y lenguaje de programacin6 lo ue

algunos casos no son tan amigables en programacin ni en grficos6 la mayor7a

mdulos didcticos son modulares6 donde cada usuario los acopla de acuerdo a la

necesidad.

22 C"%,."( %%!'$%( 7 .%!&+"$"'

T!'(6/."!

8s un elemento o dispositivo electrnico ue se encarga de convertir o traducir una

seal de una forma f7sica6 de tipo+ calrica6 lum7nica6 acOstica6 presin6 movimiento6

caudal etc. a otra seal generalmente elctrica6 siendo esta de corriente o voltaje6 ue

permita medirla y controlarla de forma rpida y eficiente. HAreny6 233/6 pg. 2J

T!'(&+("!

4ispositivo ue se encarga de captar la seal de salida del sensor o transductor y

convertirla en una seal normalizada para ser transmitida a distancia6 en forma de

seal neumtica o electrnica. HSole6 ,00-6 pgs. ,/6,>J

C'&," 6% M%6+6' 8R'%9

8s el intervalo o conjunto de valores comprendidos entre el m7nimo y m!imo de la

capacidad de medida ue posea el dispositivo o instrumento para trabajar de forma

confiable6 viene e!presada por dos valores e!tremos.

A$'% 8S,'9

5


20/112

8s la diferencia algebraica entre los l7mites superior e inferior del campo de medida

del dispositivo o instrumento.

E!!"!

8s la diferencia algebraica entre el valor indicado por el instrumento y el valor real

medido de la variable.

E:'.+./6

8s la capacidad ue tiene un instrumento para entregar lecturas pr!imas al

verdadero valor real de la magnitud medida6 siendo esta la m!ima desviacin del

valor medido con respecto al valor real.

P!%+(+-

8s la cualidad ue tiene un instrumento para indicar con e!actitud ciertos valores de

lectura6 es decir un conjunto disperso de valores obtenidos de repetidas mediciones

de una magnitud6 y ser ms preciso el instrumento cuanto menor sea la dispersin

de los valores medidos.

R%("$/+-

8s el grado con ue el instrumento puede discriminar valores de una determinada

cantidad o valor6 ue este puede distinguir6 es decir ue la lectura m7nima ue pueda

leerse indicara la resolucin del instrumento.

23 I.!"6/+- (%("!%(

231 S%("!

6


21/112

8s un dispositivo electrnico capaz de medir variables ue pueden ser f7sicas y

u7micas del medio6 dando una seal de salida transducible y siendo esta

proporcional a la seal o variable medida. HAreny6 233/6 pg. /J

Figura 1. 8structura sensor

8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

232 C$'(+0+'+-

8n la actualidad e!iste una gran cantidad y variedad de sensores ue permiten elanlisis de distintas variables f7sicas o u7micas6 y estos pueden ser clasificados de

acuerdo a varios aspectos principales+

P"! (/ 0/+"'&+%.";

8n un sistema electrnico6 el sensor es el elemento dispuesto e!presamente para

obtener informacin. $a palabra sensor es el nombre popular con el ue seconocen los transductores. Se fabrican gran variedad de transductores6 capaces de

convertir cualuier parmetro f7sico6 u7mico o biolgico en una magnitud

elctrica. 8l fenmeno de la transduccin puede darse de dos modos+

H?rganizacion de servicio " S8A:6 ,006 pg. >J

A.+)"(; son elementos ue reuieren una fuente de alimentacin e!terna para

funcionar y generan una seal representativa de acuerdo a la magnitud medida.

7


22/112

P'(+)"(;son los ue no reuiere de una fuente de alimentacin e!terna6 sino ue los

cambios ambientales como+ &umedad6 calor6 viento6 etc... Son suficientes para para

su funcionamiento. HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. /J

Figura 2.*lasificacin por funcionamiento

Adaptado de+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. >J 8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

P"! $'( (%


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Figura 3.*lasificacin por seal ue proporciona

Adaptado de+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. >J 8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

P"! './!'$%>' 6% 0/+"'&+%.";

$a respuesta ue proporciona un sensor depende de la magnitud f7sica ue puede

ser detectada y Rtraducida en una variacin elctrica y del principio f7sico en ue

se base. 8!isten numerosos sensores ue miden parmetros muy diversos. Para su

estudio atendiendo al principio de funcionamiento se &an clasificado en los

siguientes tipos H?rganizacion de servicio " S8A:6 ,006 pg. @J+

P"(++-; son los ue pueden e!perimentar cambios respecto a la posicin en la

ue se encuentra6 en funcin de cada elemento ue lo compone.

F"."%$?.!+"(; son los ue pueden e!perimentar cambios respecto a la luz ue

incide sobre ellos mismo6 entregando una seal representativa respecto a la luz

detectada.

9


24/112

M'?.+"(;son los ue pueden e!perimentar cambios en la seal de salida

respecto al campo magntico o corriente elctrica detectada por sus laminas

metlicas de material ferromagntico.

T%&,%!'./!'; son los ue pueden e!perimentar cambios en funcin de la

temperatura del medio donde se encuentre ubicado.

*/&%6'6;son los ue pueden e!perimentar cambios en funcin de la cantidad

de &umedad del medio donde se encuentre ubicado.

P!%(+-; son los ue pueden e!perimentar cambios en la seal de salida respectoa la cantidad de presin a la ue es sometido.

M")+&+%.";son los ue e!perimentan cambios ante un est7mulo o movimiento

f7sico.

@/&+"(; son los ue pueden e!perimentar cambios respecto a agentes

u7micos ue incide sobre ellos mismo.

Figura 4.*lasificacin por naturaleza de funcionamiento

Buente+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. @J

P"! 0'#!+'+-;

10


25/112

8n el mercado e!iste una gran cantidad y diversidad de materiales para el diseo de

sensores de todo tipo como+ metlicos6 no metlicos6 fluidos6 gases6 orgnicos6

inorgnicos y semiconductores6 consiguiendo caracter7sticas especiales en el

dispositivo.

=ay varias empresas ue se encargan del desarrollo de euipos de automatizacin

industrial y son reconocidas al nivel mundial por la alta calidad en sus productos

didcticos e industriales como+ 5B' 8$8*:K?N5*6 %ANN8K 8N)5N88K5N)

*?KP.6 B8S:?6 B884%A*96 $U*AS"NT$$86 S*=N8548K 8$8*:K5*6

%5N'AS:8K6 B$8I5'6 %UK98K:6 S5*96 8:*

A continuacin se presenta un detalle de su clasificacin+

M%+"(; son auellos ue cambian su comportamiento bajo una magnitud f7sica6

esta puede ser directa o indirecta para indicar cone!in o descone!in Habierto o

cerradoJ.

R%(+(.+)"(; estn fabricados mediante materiales resistivos para obtener una

variacin en su resistencia elctrica como son los sensores de efecto piezorresitivo.

C','+.+)"(; son dispositivos fabricados con materiales ue permitan conseguir un

campo electrosttico.

I6/.+)"(;son elementos ue permiten producir un campo electromagntico.

P+%>"%$?.!+"(; estn construidos con elementos cermicos policristalinos ypol7meros6 consiguiendo una alta fle!ibilidad y m7nima rigidez.

S%&+"6/."!%(; estn fabricados con elementos semiconductores como el silicio6

consiguiendo variar su conductividad elctrica de acuerdo al grado de impurezas con

la ue se le contamine HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pgs. /"-J.

11
http://www.binmaster.com/es/homehttp://www.binmaster.com/es/home


26/112

Figura 5.*lasificacin por fabricacin

Buente+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. 1J

S% .+," 6% )'!+'#$% 0(+'

*ampos H233J6 presenta de forma clara y detallada los diferentes sensores ue

pueden ser utilizados en la automatizacin industrial.

8n el medio e!iste gran variedad de sensores ue perciben informacin e!terna de

una magnitud f7sica de acuerdo a la variable ue est midiendo y transformarla enuna seal elctrica para cuantificar6 controlar o monitorear6 como son+

Sensor de temperatura+

Pirmetro ptico

Pirmetro de radiacin

:ermistor

:ermopar

12


27/112

Sensor de posicin lineal o angular+

)randes distancias+

Kadar

$serUltrasonido

4istancias peueas+

'todos pticos

'todos inductivos H$4: y (4:J

'todos resistivos y capacitivos

Posicin linear o angular+

*odificadores incremntales

*odificadores absolutos

:ransductores capacitivos

Sensores de presencia o pro!imidad+

5nductivos

*apacitivos

Botoelctricos

4e efecto =all

Kadiacin

5nfrarrojos

Sensores de &umedad y punto de roc7o+

=umedad en aire gases

=umedad en slidos

Punto de roc7o

Sensores de caudal+

4e slidos6 l7uidos o gases

Presin diferencial

'edidores magnticos

'edidores de rea variable

'edidores de desplazamiento positivo

Sensores de fuerza6 presin y par+

*alibrador de tensin

)alga e!tensiomtrica

13


28/112

Sensores de intensidad lum7nica+

$4Ks o BotorresistoresHresistores variables por la incidencia de la luzJ

Botoceldas o celdas fotovoltaicas

BotodiodosBototransistores

**4

*maras de v7deo

Keflectivo

4e ranura

Sensores de velocidad lineal o angular+

:acmetros*odificadores HencodersJ

Sensores tctiles+

'atriz piezoelctrica6 ptica o capacitiva

'atriz de contactos Hpgs. >"/-J

233 A"6++"'6"!%( 6% (%


29/112

A medida avanza la tecnolog7a se desplazado dispositivos o euipos de gran tamao

por unos de diminutas placas con mayor precisin y fiabilidad en los diferentes

procesos de uso6 como el integrar varios amplificadores operacionales en uno solo

Hamplificador de instrumentacinJ. H'ayn6 233/6 pg. 1,J

2331Amplificador de instrumentacin

*oug&lin y 4riscoll H,000J6 presenta de forma clara y detallada toda la informacin

sobre amplificadores diferenciales6 instrumentacin y de puente para el

acondicionamiento de seales.

8l amplificador de instrumentacin es uno de los amplificadores ms Otiles en cuanto

a medicin o control. 8st implementado con varios amplificadores operacionales y

varias resistencias de precisin6 ue &acen ue el circuito sea estable y e!acto en

cuanto a mediciones. Hpgs. 2,>"2>1J

Figura 7.Amplificador de instrumentacin

Buente+ H'ayn6 233/6 pg. 1,J

2332 Circuitos de acondicionamiento de seales.

Kuiz y otros H23,3J6 describen de forma clara y rpida los distintos circuitos de

acondicionamiento de seales.

15


30/112

$os acondicionadores de seales ms comunes son+

4ivisores de voltaje Puente de ;&eatstone :ransistores 'ultivibradores Astables *onvertidores AC4 Amplificadores ?peracionales

'icrocontroladores Hpgs. 0",2J

24 S%("!%( './'6"!%( 7 6+(,"(+.+)"( /.+$+>'6"( % %$ &-6/$" 6+6.+"

8n esta seccin se &ace mencin a los sensores6 actuadores y dispositivos ue van a

formar parte del mdulo didctico a construir6 como son+

S%("! +0!'!!"" 8S*ARP GP2D129; utilizado en los laboratorios de la

Universidad Politcnica Salesiana en Kobtica 'vil para la evasin de obstculos

en el KobotinoL de B8S:?.

Figura 8.KobotinoL

Buente+ HBestoJ

S%("! -,.+";utilizado en los laboratorios de la Universidad Politcnica Salesiana

en el Sistema de Produccin 'odular para la deteccin o apro!imacin de piezas en

el 'PSL @33"B'S.

Figura 9.'PSL @33"B'S

16


31/112

Buente+ HBesto 4idacticJS%("! /$.!'(-+"; utilizado en los laboratorios de la Universidad Politcnica

Salesiana en :eor7a de *ontrol para el control de nivel de los tanues del ;orMstation

'PS PAL.

Figura 10.;orMstation 'PS PAL

Buente+ HBesto 4idacticJ

241 S%("! +0!'!!""

8s un dispositivo electrnico ue tiene la capacidad de captar radiacin

electromagntica infrarroja generada por part7culas elctricas o magnticas en

movimiento. 8stos rayos infrarrojos no pueden ser detectados6 debido a ue el ojo

&umano no puede ver luz con longitudes de onda mayores a la luz visible ni menores

a los rayos ultravioletas. H:omasi6 233/6 pgs. 16-J

Figura 11. 8spectro electromagntico de longitudes de ondas

17


32/112

Buente+ H:omasi6 233/6 pg. -J

2411 Funcionamiento

8l sensor infrarrojo est conformado por un emisor y un receptor. 8l emisor se

encarga de enviar rayos infrarrojos mientras ue el receptor o foto detector es el

encargado de recibirlos. $os rayos infrarrojos detectados por el material fotosensible

del foto detector generan una corriente m7nima ue desblouea al dispositivo

permitiendo su activacin. $a seal obtenida por el receptor o foto detector se

amplifica y adapta a una tipo seal elctrica.

8n la actualidad se puede encontrar sensores infrarrojos activos como pasivos.

P'(+)"(;es un dispositivo ue poseen Onicamente el foto detector ue capta la

radicacin emitida por un objeto.

A.+)"(; es un dispositivo ue est compuesto tanto por el emisor y el receptor6

ambos formando parte del mismo circuito integrado HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36

pg. ,2@J.

2412 Clasificacin.

Kuiz y otros H23,3J6 mencionan ue los sensores infrarrojos integrados pueden

clasificarse por funcionamiento.

Kefle!ivos+

":rabajan a cortas distancias.

18


33/112

"8st integrado por el emisor y el receptor en paralelo.

Figura 12.5nfrarrojo por refle!in

Buente+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. ,2@J

Pro!imidad+

":rabaja a distancia medias6 ,3 a 3 cm.

" *ontiene el emisor y el receptor en un mismo dispositivo6 pero presenta una leve

inclinacin para el retorno del &az de luz. Hpgs. ,2@6,21J

Figura 13.5nfrarrojo por refle!in

Buente+ HKuiz6 )arcia6 < Noguera6 23,36 pg. ,21J

19


34/112

242 S%("! 0"."%$?.!+"

8l sensor fotoelctrico es bsicamente un emisor y receptor de luz ue puede ser de

tipo natural o artificial6 estos sensores pueden detectar cuerpos dependiendo del

material6 el cuerpo refleja la luz entonces el receptor podr medir la distancia a la ue

se encuentra6 es por esto ue tenemos una gran cantidad de sensores fotoelctricos

con diferentes cualidades y diseos6 para cada aplicacin.

Adems cada sensor fotoelctrico dependiendo de su material6 color6 tamao6 incluso

el medio donde se mide Hd7a soleado6 cuarto muy luminosoJ6 son factores ue afectan

en la medicin por lo tanto se tiene un sensor fotoelctrico para cada aplicacin.

$os sensores fotoelctricos constan de cinco componentes bsicos+

Adaptado de luz

4etector de luz

$entes

*ircuito lgico

Salida

Figura 14.*omponentes de un sensor fotoelctrico

Buente+ H%randley6 23,36 pg. J

A6',.'6" 6% $/>;generalmente se usa luz de tipo $846 siendo la ms usada la

infrarroja por su eficiencia relativa ue es mayor a la de luz visible tambin se usan

led de color rojo6 verde6 amarilla en general cada una tiene diferentes efectos6

tambin influye en material y el ambiente.

Bigura 15.8structura interna de un $84

20


35/112

Buente+ H%randley6 23,36 pg. J

D%.%."! 6% $/>; el detector generalmente es un fotodiodo o un fototransistor son

los encargados de receptar la luz del emisor para determinar la distancia6

dependiendo de la superficie color y medio donde estn funcionando.

C+!/+." $-+"; se encarga de convertir la seal de luz a una seal lgica tambin seencarga de ue la seal lgica sea mostrada correctamente amplificada para poder ser

medida puede ser en voltaje o amperaje dependiendo del circuito de

acondicionamiento interno.

4ispositivo de salida+ $a salida siendo una seal lgica para ue sea mostrada

correctamente6 esta tiene ue ser amplificada para poder ser medida puede ser en

voltaje o amperaje dependiendo del circuito de acondicionamiento interno.

H%randley6 23,36 pgs. -"0/J

243 S%("! /$.!'(-+"

$os sensores ultrasnicos se basan en el tiempo ue demora en viajar una onda de

sonido y rebotar con un objeto siendo la distancia directamente proporcional al

tiempo al ser el sonido constante6 las seales del sensor dependiendo de la aplicacin

puede ser digital o analgica tambin son muy usados ya ue la &umedad no les

afecta6 pero ciertos materiales no sirven para una medicin como la tela o espuma al

igual ue otros sensores depende muc&o de donde se va aplicar.

$os sensores de pro!imidad ultrasnicos tienen cuatro componentes bsicos+

:ransductorCreceptor

*omparador

*ircuito detector

Salida de estado slido

21


36/112

Figura 16. *omponentes de un sensor de pro!imidad ultrasnico

Buente+ H%randley6 23,36 pg. -1JT!'(6/."!!%%,."!;en esta etapa se emiten ondas sonoras las cuales c&ocan con

el objeto y estas ondas rebotan para retornar al sensor.

C"&,'!'6"! 7 +!/+." 6%.%."!;en esta etapa se compara el eco y se calcula la

distancia mediante el tiempo entre la emisin y recepcin.

4ispositivo interruptor de estado slido+ 8sta etapa es encargada de generar una seal

elctrica si es para uso de deteccin ser digital y para calcular distancias ser

analgica. H%randley6 23,36 pgs. -@"-J

244 M"."! ' ,'("(

8l motor a pasos o de movimiento inde!ado es un dispositivo electromecnico uerealiza un desplazamiento angular discreto6 de acuerdo a la serie de impulsos

elctricos ue reciba en sus terminales los impulsos elctricos o tren de pulsos

pueden determinar un ngulo de giro6 el mismo ue estar dado por la magnitud o

resolucin ue posea el motor.

=abitualmente la resolucin de un motor a pasos var7a de acuerdo a las

caracter7sticas de construccin6 ue puede ser de ,.@V a ,@V6 o ms6 segOn el modelo.

8l movimiento suave o brusco del motor a pasos depender de la frecuencia de los

impulsos aplicados y de la resolucin de los pasos en relacin a la inercia del motor.

$a caracter7stica principal del motor a pasos es su giro de forma incremental6 debido

a esta razn la secuencia de impulsos elctricos en sus bobinas determinara el

sentido de giro del motor. 8s decir6 consiguiendo el control tanto &acia adelante6 atrs

y un determinado nOmero de pasos por vuelta.

Bigura 17.'otor a pasos

22


37/112

Buente+ H%rico)eeMJ

2441 Caractersticas tcnicas.

*onsiderando las caracter7sticas del motor a pasos6 si se aumenta la velocidad el par

disminuye. 8sto se debe a ue las bobinas reuieren un tiempo de cargar para realizar

el giro del motor6 por esta razn si la duracin de los pulsos disminuye y la bobina nose descarga completamente se perder torue. H*onti6 23,,6 pgs. ,"@J

2442 Caractersticas constructivas.

*onti6 presenta de forma detallada las caracter7sticas de construccin6 debido a ue

en la actualidad6 e!iste gran variedad de diseos y configuracin de motores de paso

como+

Keluctancia variable+

8stn fabricados con un rotor dentado de &ierro dulce6 y en el estator6 est compuesto

por las bobinas. $as bobinas reciben impulsos elctricos provocando ue se activen6

esto &ace ue el rotor se alinee acorde el campo6 y provoue el paso.

Kotor no imantado

NOmero de pasos elevado

No par de retencin

No importa el sentido de la corriente

'otores multiestator

:ienen de / a @ bobinas conectadas a un terminal comOn.

5mn permanente+

23


38/112

A diferencia del motor de reluctancia variable6 est formado por un nOmero limitado

de dientes en su estructura f7sica y no var7a su posicin sin e!citacin en el estator

Par elevado

%uen par de retencin

%ajas frecuencias de trabajo

*aros

'enos resolucin

5mporta el sentido de la corriente.

=7brido+

8ste motor posee las caracter7sticas de ambos modelos tanto de reluctancia variable

como de imn permanente.

8l rotor est conformado por anillos de acero dulce dentado con un nOmero desigual

al del estator y dic&os anillos montados sobre un imn permanente6 colocado

a!ialmente en el estator.

's torue

's resolucin o magnitud

Buncionamiento a frecuencias ms altas

*osto elevado H*onti6 23,,6 pgs. @",@J

245 NI USBH

N5 US%"133C1330 es un dispositivo multifuncin de aduisicin6 control y

monitoreo de datos6 de bajo costo y muy adecuado para propsitos educativos por su

peueo tamao y fcil cone!in US%.

Figura 18.N5 US%"1330

24


39/112

Buente+ HNational 5nstrumentsJN5 US%"1330 tiene las siguientes especificaciones+

entradas analgicas H,> bits6 > MSCsJ

Salidas analgicas H,2 bits a ,@3 SCsJ

,2 8CS digitales

, contador de /2 bits de alta velocidad. H=alvorsen6 23,/6 pgs. 60J

2451Hardware.

A continuacin se indican las partes principales de la tarjeta en de diagrama de

bloues.

Figura 19.=ardDare de tarjeta

25


40/112

Buente+ HNational 5nstruments6 pg. 2J

2452Entradas y salidas NI !"#$%%&.

$a tarjeta N5 US%"13306 est formada por dos bloues de terminales acoplados a lose!tremos de la tarjeta6 uno ue nos indica las seales analgicas y el otro para

seales digitales.

8n el bloue de las seales analgicas se puede realizar dos tipos de cone!in6 modo

diferencial y KS8.

Figura 20.P5N?U:

26


41/112


:abla ,.

Descripcin de I/0 analgicas y digitales

5C3 ANA$W)5*AS 5C3 45)5:A$

:erminalSeal6nodo simple

Seal6diferencial

:erminal Seal

, )N4 )N4 ,- P?.32 A5 3 A5 3 X , P?.,/ A5 > A5 3 " ,0 P?.2

> )N4 )N4 23 P?./@ A5 , A5 , X 2, P?.>1 A5 @ A5 , " 22 P?.@- )N4 )N4 2/ P?.1 A5 2 A5 2 X 2> P?.-0 A5 1 A5 2 " 2@ P5.3,3 )N4 )N4 21 P5.,,, A5 / A5 / X 2- P5.2,2 A5 - A5 / " 2 P5./,/ )N4 )N4 20 PB5 3,> A? 3 A? 3 /3 X 2.@ (,@ A? , A? , /, X @ (,1 )N4 )N4 /2 )N4


2453'odos de cone(in.

8ntrada analgica

8l N5 US%"133C1330 tiene dos modos de cone!in para las entradas analgicas

estos son por nodo simple o diferencial como se puede observar a continuacin.

27


42/112

Figura 21.'odo de cone!in entrada anloga

Buente+ HNational 5nstruments6 pg. ,2J

Salida analgica

8l N5 US%"133C1330 posee 2 canales de salida analgica6 los mismos ue generan

una salida de 3 a @ (. Su modo de cone!in es referenciado a tierra para ambos

canales analgicos. HNational 5nstruments6 pg. ,2J

Figura 22.*ircuiter7a de un canal de salida analgico

28


43/112

Buente+ HNational 5nstruments6 pg. ,2J

5C? digital

8l N5 US%"133C1330 posee ,2 terminales digitales separados en dos puertos el P3

de 3"- y P, de 3"/. Para la cone!in de los terminales digitales se utiliza el modo de

nodo simple o seal referenciada a tierra. H5nstruments6 National 5nstruments6 pgs.

,26,-J

Figura 23. *one!in de entradas y salidas digitales

Buente+ HNational 5nstruments6 pg. ,-J

CAPTULO 3

DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MDULO DIDCTICO

8ste cap7tulo describe la construccin y diseo del mdulo didctico6 donde se

muestran los planos6 diagramas y esuemas ue fueron utilizados en su proceso de

fabricacin.

29


44/112

31 D%(!+,+- 6%$ %=/+,"

8l mdulo didctico est construido para ser de fcil uso6 siendo Otil tanto para

docentes como para estudiantes. Su principal objetivo es el tener una clara idea del

funcionamiento de los sensores de distancia analgicos ue se uieran probar y

manejar6 determinando as7 el margen de error y su lectura con diferentes materiales6

en su modo automtico cuenta con un motor paso a paso junto a un driver de control6

una caja reductora6 gu7as y base6 tambin se tiene la placa base y soportes de los

sensores diseados en acr7lico6 cada sensor cuenta con un circuito de

acondicionamiento de seal.

8l control y monitoreo del mdulo didctico se realiza por medio del softDare

$ab(58; mediante una 5nterfaz =umano 'uina H='5J.

32 D+(%


45/112


Figura 25.*onstruccin preliminar y final de la base de materiales en acr7lico

31


46/112

5magen+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

33 E(.!/./!' 7 &%'+(&" 6% ,"(++"'&+%." ,'!' %$ &-6/$"

$a estructura y mecnica de posicionamiento fue desarrollada en base a la mecnica

de engranes y rieles ue fueron aprovec&ados del case de un escner.

Figura 26.*ase del escner desarmado


Se procedi a disear las partes faltantes6 como tambin se modific la base del

case6 aprovec&ando el m!imo de mecanismos reciclables de dic&o escner6

obteniendo como resultado una buena plataforma mvil y el soporte para los

sensores de pro!imidad analgicos.

32


47/112

Figura 27. *ase del escner implementado con la base de materiales del mdulo


34 D+(%


48/112


Figura 30.8structura final de posicionamiento y base para los sensores


35 C"(.!/+- 6% $' %(.!/./!' ,'!' $"( +!/+."( 6% '"6++"'&+%." 70/%.% 6% '$+&%.'+-

8l diseo fue realizado en mica acr7lica6 Hmaterial muy verstil y maleableJ6

funcionando como aislante6 lo ue es ideal para evitar corto circuitos.

$as especificaciones se muestran en las siguientes figuras.

34


49/112


50/112


3 D+(%"23EmAF a 3"@E(F

36


51/112


Figura 35.4iseo del conversor en AK8S6 Hvista superiorJ


Figura 36.4iseo del conversor en AK8S6 Hvista posteriorJ


32 F"!&/$'( ,'!' %$ $/$" 6%$ +!/+." 6% '"6++"'&+%."

37


52/112

Se tienen dos etapas de amplificacin6 para la primera de estas es la de adicin y por

lo ue se empez utilizando la ecuacin ,.

8cuacin , clculo de (o

VO=I

TR

2=

V1

R1

R2

V2

R2

R2

Sabiendo ue K,Z,333[ yV

2

R2Z H>"23EmAFJ6 mediante la ecuacin , se obtiene

el valor de voltaje de salida de la primera etapa en relacin al valor de corriente ue

ingresa al circuito6 como se indica continuacin.

:abla 2.al!res "#$i"!s y "%ni"!s de salida !

1 A R2 "

"> 3.33> 12@ 3

"> 3.331 12@ ",.2@

"> 3.33 12@ "2.@

"> 3.3, 12@ "/.-@

"> 3.3,2 12@ "@

"> 3.3,> 12@ "1.2@

"> 3.3,1 12@ "-.@

"> 3.3, 12@ ".-@

"> 3.32 12@ ",3 8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

4onde el valor (, u offset es de ">E(F y la resistencia K2 o span es de 12@[6 en el

caso de 3",3E(F si se desea de 3"@E(F la resistencia ser de /,2.@[.

$a segunda etapa interviene los voltajes mediante un amplificador operacional

inversor6 ue utiliza la siguiente ecuacin 2.

8cuacin 2 frmula del amplificador inversor

VO

VI=

R2

R1=G

38


53/112

Si K,ZK26 entonces la ganancia ser+

VO=1(VI)

4ando como resultado el voltaje invertido.

33 D+(%


54/112

Paso -. Binalmente6 colocar los elementos y soldarlos6 como se muestra en la figura

/.

Figura 38.Perforacin y montaje elementos en la placa de bauelita


34 E(=/%&' 6% "%:+"%( 6%$ &-6/$"

8n la informacin del fabricante se precisa el tener la misma referencia elctrica

Htierra o masaJ tanto para la tarjeta de aduisicin 4AG 13306 como para las fuentes

y los circuitos de acondicionamiento6 a continuacin se muestra un esuema ue

detalla este tipo de cone!in.

Figura 39.4iagrama de distribucin y cone!in del mdulo

40


55/112


3H M'.%!+'$%( 7 %!!'&+%.'(

Para el diseo e implementacin del mdulo didctico se usaron una gran variedadde materiales y &erramientas ue se encuentran detalladas en forma clara en las las

tablas.

3H1 M'.%!+'$%(

:abla /.

&ista de "ateriales

MATERIALES

NOMBRE CANTIDAD

, Planc&a de mica acr7lica 2 Uni.

2 Pernos 1 Uni.

/ :uercas 1 Uni.

> Pernos peueos ,3 Uni.

@ :uercas peueas ,3 Uni.

1 Silicona / Uni.

- %rujita , Uni.

41


56/112

8scner , Uni.

0 Adaptado de poder A:I , Uni.

,3 *ircuitos de acondicionamiento / Uni.

,, 4river motor paso a paso , Uni.

,2 *able > metros

,/ %anana &embra ,3 Uni.,> %orneras @ Uni.

,@ Pomada para soldar , Uni.

,1 8stao , Uni.

,- 'otor paso a paso , Uni.

, :arjeta ni 1330 , Uni.

23 Kesistencias diferentes 23 Uni.

2, Potencimetros de precisin 1 Uni.

22 $m/@n / Uni.

2/ %orneras de 2 0 Uni.2> 4iodo rpido / Uni.2@ *apacitores ,3uf 2@v / Uni

21 %auelita virgen /3!,3 cm.

2- Percloruro ferrico / Uni


3H2 *%!!'&+%.'(

:abla >.

&ista de 'erra"ientas

*ERRAMIENTAS

\ NOMBRE CANTIDAD

, :aladro dremel ,

2 8stilete ,

/ *ortadora ,

> Playo ,

@ Alicate ,

1 %rocas /

- Sierra ,

4estornillador 2

0 *aut7n 2

,3 'ult7metro ,

,, Pistola de silicona ,

,2 *alibrador ,

,/ Pistola de calor 133D , 8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

42


57/112

3 C"%:+- 6% $"( (%("!%( '$ &-6/$" DA@ USB

A continuacin se detalla la cone!in entre la tarjeta de aduisicin de datos 4AG

1330 y los sensores S&arp HinfrarrojoJ6 Besto HultrasnicoJ y Besto HpticoJ.

Figura 40. Pines de la tarjeta 4AG US%"1330

Buente+ 4AG Assistant31 C"%:+- " %$ (%("! +0!'!!"" ('!,

Para la cone!in del sensor infrarrojo no se us un circuito de acondicionamiento6

debido a ue el sensor suministra una seal de voltaje6 por lo tanto se realiz una

cone!in directa entre el sensor infrarrojo y la tarjeta 4AG 1330. 8n la tarjeta 4AG

1330 se conecta el terminal , H)N4J con el terminal / HA5 3" J y la tierra del sensor6

para mantener el mismo punto de referencia. 8l terminal 2 HA5 3XJ de la tarjeta 4AG

1330 a la seal de salida del sensor infrarrojo H(outJ.

Figura 41.*one!in entre el sensor infrarrojo s&arp y la tarjeta 4AG US%"1330

43


58/112


32 C"%:+- " %$ (%("! /$.!'(-+" 0%(."

Para la cone!in del sensor ultrasnico se us un circuito de acondicionamiento entre

el sensor y la tarjeta 4AG 1330. $a seal de salida del sensor Hcable de color negro

(oJ debe conectarse a la entrada H5inJ del circuito de acondicionamiento y la tierra

del sensor Hcable de color azulJ a )N46 la fuente de alimentacin se conecta de

acuerdo a las especificaciones tcnicas del sensor Hcable de color rojoJ. $a tarjeta

4AG 1330 est conectada en modo de referencia a tierra entre el terminal 1 HA5 ," J

y )N4 para ue mantengan el mismo punto de referencia6 la seal acondicionada

H(outJ debe conectarse al terminal @ HA5 ,XJ y la tierra del circuito de

acondicionamiento H)N4J al terminal 1 HA5 ," J.

Figura 42.*one!in entre el sensor ultrasnico festo y la tarjeta 4AG US%"1330

44


59/112

8laborado por;#os %uc&eli < $enin (elasuez

31 C"%:+- " %$ (%("! -,.+" 0%(."

Para la cone!in del sensor ptico se us un circuito de acondicionamiento entre el

sensor y la tarjeta 4AG 1330. $a seal de salida del sensor Hcable de color negro (oJ

debe conectarse a la entrada H5inJ del circuito de acondicionamiento y la tierra del

sensor Hcable de color azulJ a )N46 la fuente de alimentacin se conecta de acuerdo

a las especificaciones tcnicas del sensor Hcable de color rojoJ. $a tarjeta 4AG 1330

est conectada en modo de referencia a tierra6 entre el terminal 0 HA5 2" J y )N4

para ue mantengan el mismo punto de referencia6 la seal acondicionada H(outJ

debe conectarse al terminal HA5 ,XJ y la tierra del circuito de acondicionamiento

H)N4J al terminal - HA5 ," J.

.

Figura 43.*one!in entre el sensor ptico festo y la tarjeta 4AG US%"1330

45


60/112


CAPTULO 4

DESARROLLO DEL ALGORITMO DE MONITOREO Y CONTROL

46


61/112

8n este cap7tulo6 se presentar la configuracin y programacin implementada en el

softDare6 con una clara e!plicacin sobre los diferentes entornos de la programacin

desarrollada en $ab(58;6 para la creacin del interfaz =ombre"'uina H='5J.

41 L'#IE

$ab(58; H$aboratory (irtual 5nstrumentation 8ngineering ;orMbenc&J es una

plataforma de desarrollo y entorno de programacin visual creado por National

5nstruments. Posee un lenguaje de programacin grfico llamado R). $ab(58; es

utilizado comOnmente para el control y monitoreo de una gran variedad de

instrumentos6 aduisicin de datos y en la automatizacin industrial. Adems

$ab(58; incorpora una serie de librer7as ue permite al programador realizar una

infinidad de algoritmos de programacin ya sea de bajo6 medio y alto nivel.

H=alvorsen6 23,/6 pg. ,J

8ste softDare fue desarrollado originalmente para el control de euipos de

instrumentos elctricos en sistemas de instrumentacin6 debido a esto toma su

nombre instrumentacin virtual o (5. Por esta razn los programas ue se desarrollan

en $ab(58; son guardados en fic&eros con nombre y e!tensin R(5R.

Un (5 poseen dos partes muy importantes como son+

,." Panel frontal+ 8ste consta de botones6 alarmas6 pantallas6 indicadores6 medidores6

y la interfaz con el usuario.

2."4iagrama de bloues+ 8ste contiene la programacin6 circuiter7a interna y

terminales de los objetos creados en el panel frontal.

8l Panel frontal se enlaza al 4iagrama de bloues a travs de terminales6 ue son

puertos de entrada y salida ue intercambian datos o informacin entre ambas

pantallas. H(izcaino < Sebasti6 233-6 pg. >J

Figura 44.Panel frontal

47


62/112

Buente+ National 5nstruments H$ab(58; 23,2J.

Figura 45.4iagrama de bloues

Buente+ National 5nstruments H$ab(58; 23,2J

42 A6=/+(++- 6% 6'."(

8l propsito de aduirir datos es medir una seal elctrica o un fenmeno f7sico6 sea

corriente6 voltaje6 audio o presin. $a aduisicin de datos se encuentra encombinacin tanto de &ardDare como softDare para recopilar informacin.

Al aduirir datos se pueden definir varias aplicaciones como digitalizacin6 anlisis y

presentacin de la informacin6 la misma ue puede ser utilizada para incorporar a

sistemas de control6 sensores6 actuadores6 aplicaciones de softDare6 etc.

Un sistema de aduisicin de datos est conformado por los siguientes elementos+

48


63/112

,." Seales de entradaCsalida+ una seal de entrada o salida f7sica es normalmente de

tensin o corriente. $a seal de tensin suele ser 3"@v6 3",3v y la seal de corriente

entre >"23mA6 3"23mA.

2." =ardDare+ la tarjeta de aduisicin de datos es la interfaz de comunicacin entre

el softDare y el mundo e!terior6 tambin digitaliza las seales analgicas recopiladas

para ue puedan ser interpretadas por el ordenador.

/." SoftDare+ visualizar6 analizar6 monitorear los datos aduiridos6 desarrollar

algoritmos de control y la comunicacin directa con el &ardDare. H=alvorsen6 23,/6

pgs. >"1J

Figura 46.8lementos en un sistema de aduisicin de datos

Buente+ H=alvorsen6 23,/6 pg. >J

43 NI M%'(/!%&%. Q A/."&'.+" E:,$"!%! 8MAX9

'easurement < Automation 8!plorer es una &erramienta estndar de 'AI6 la

misma ue proporciona acceso a los dispositivos y sistemas de National 5nstruments6

como+ *AN6 4AG6 BieldPoint6 )P5%6 5'AG6 5(56 'odular 5nstruments6 (5SA6

etc

*aracter7sticas 'AI+

*onfigurar &ardDare como softDare.

)enerar copias de seguridad o reproducir datos de configuracin.

*rear y modificar canales6 tareas6 interfaces de los instrumentos virtuales.

49


64/112

8jecutar diagnsticos del sistema.

(isualizar dispositivos e instrumentos vinculados al sistema.

Actualizar el softDare de National 5nstrumentes.

Figura 47.5cono y pantalla de inicio N5 'AI


44 NIDA@&':

8l N5"4AGma! es la capa de comunicacin intermedia entre el softDare y el

&ardDare6 una interfaz ue permite la programacin de entradas y salidas anlogas

como digitales6 contadores y diferentes tipos de mediciones incluidas en variosdispositivos o instrumentos 4AG multifuncin. H=alvorsen6 23,/6 pgs. -6J

Figura 48.Paleta 4AGma!"4ata acuisition


45 D+(%


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diagramas de flujo se considera el uso de la simbolog7a descrita en la siguiente tabla+

:abla @.

(i")!l!g%a para diagra"as de *lu+!

S]'%?$? BUN*5WNProceso

5nicio C Bin

Proceso Alternativo

4ecisin

4atos H5C?J

Subrutina

Almacenamientointerno

4atos almacenados

^?


Para el algoritmo de control y monitoreo se implementaron varios sub(5s en

$ab(ieD6 como son+

Sub(5 presentacin

Sub(5 salto de ventana

Sub(5 motor stepper.

Sub(5 sensor infrarrojo

51


66/112

Sub(5 sensor ptico

Sub(5 sensor ultrasnico

51 S/#I ,!%(%.'+-

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 presentacin6

este Sub(5 posee botones de acceso a las diferentes subrutinas de cada sensor ue

forman parte del mdulo didctico como son+ infrarrojo6 ptico y ultrasnico6 de

igual forma posee un botn de salida6 el cual detiene y cierra totalmente el proceso

de la Sub(5 o subrutina.

Figura 49.4iagrama de flujo de Sub(5 presentacin


52 S/#I ('$." 6% )%.''

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 Salto de ventana

en el diagrama de flujo6 este Sub(5 abre o despliega directamente el panel de control

de cada subrutina de acuerdo al botn seleccionado.

52


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8sta subrutina est conformada por varias funciones de la paleta de Application

*ontrol de $ab(58;6 las cuales permiten llamar (5s referidos o enlazados con la

funcin invoMe node del programa y de igual forma configurar el uso de mOltiples

(5s al mismo tiempo.

Figura 50.4iagrama de flujo de Sub(5 salto de ventana


53 S/#I &"."! (.%,,%!

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 motor stepper

en el diagrama de flujo6 este Sub(5 controla el proceso de posicionamiento angular a

53


68/112

lineal6 y efectuar un control de seguridad cuando se encuentra en desplazamiento6

tanto la distancia m7nima como la m!ima.

Figura 51.4iagrama de flujo Sub(5 motor stepper


,." $as variables utilizadas por el algoritmo son puestas en marc&a de acuerdo a las

condiciones iniciales de funcionamiento &asta ue se ejecute la siguiente instruccin.

2." Se env7a una trama de bits para todo el puerto digital P3.3"P3.-Z 33333333.

/." Se ingresa el valor de desplazamiento en mm en la variable Numeric / y se

selecciona el sentido de desplazamiento a realizar.

>." *omo condicin de seguridad6 si el valor de desplazamiento e!cede del rango de

trabajo y se acciona el final de carrera de 5N5*5? o B5N6 el sistema cambia el sentidode desplazamiento y lo posiciona en el valor ingresado en la variable Numeric 2.

54


69/112

54 S/#I (%("! +0!'!!""

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 sensor infrarrojo

en el diagrama de flujo6 este Sub(5 controla el posicionamiento del obstculo6 y la

aduisicin de datos en un rango asignado por el usuario.

:abla 1.

,ang! de tra)a+! sens!r in*rarr!+!

KAN)? 48 :KA%A#?'7nimo >3 mm'!imo 2@@ mm


Figura 52.4iagrama de flujo Sub(5 sensor infrarrojo

55


70/112

8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez,." $as variables utilizadas por el algoritmo son puestas en marc&a de acuerdo a las

condiciones iniciales de funcionamiento ingresando el valor inicial y final de

desplazamiento6 &asta ue se ejecute la siguiente instruccin.

2." *uando la variable AU:?'A:5*? Z ,6 realiza la diferencia de los valores

ingresados6 para conocer la distancia de desplazamiento y aduirir datos cada ,mm.

>." Al iniciar la secuencia del 7tem /6 ingresa en un lazo ue se encarga de aduirir 23

valores de voltaje medidos por sensor infrarrojo los mismos ue ingresan en

secuencia al bloue de funcin '8AN ue entrega un valor promedio de los valores

de voltaje recopilados.

56


71/112

@." Al tener el valor promedio de los datos aduiridos6 este valor se ingresa a la

ecuacin obtenida de la curva caracter7stica para conseguir el valor de distancia en

funcin a la ecuacin del sensor infrarrojo.

1." 8l almacenamiento de las variables posicin6 voltaje y distancia en cm se realiza

cada vez ue el obstculo se desplaza ,mm y al terminar el rango asignado por el

usuario los datos son almacenados en una &oja de 8!cel.

55 S/#I (%("! -,.+"

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 sensor ptico en

el diagrama de flujo6 este Sub(5 controla el posicionamiento del obstculo y la

aduisicin de datos en un rango asignado por el usuario. Adems genera un arc&ivo

con cada dato aduirido por la tarjeta 4AG 1330.

:abla -.

,ang! de tra)a+! sens!r ptic!

KAN)? 48 :KA%A#?'7nimo ,, mm

'!imo >@ mm8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

Figura 53.4iagrama de flujo de sensor ptico

57


72/112


,." Se inicializa las variables utilizadas en el algoritmo y son puestas en marc&a de

acuerdo a las condiciones iniciales de funcionamiento

2." Se debe ingresar el valor inicial y final de desplazamiento &asta ue se ejecute la

siguiente instruccin.

/." Se realiza la aduisicin de datos cada , mm con la variable AU:?'A:5*?.

>." *ada 23 datos aduiridos se realiza un promedio.

58


73/112

@." Al tener el valor promedio se ingresa a la ecuacin para obtener el valor de

distancia.

1." Al terminar el proceso de aduisicin de datos6 el softDare indicar una ruta de

almacenamiento para el arc&ivo de aduisicin.

5 S/#I (%("! /$.!'(-+"

A continuacin se muestra el proceso ue realiza la subrutina Sub(5 sensor

ultrasnico en el diagrama de flujo6 este Sub(5 controla el posicionamiento del

obstculo y la aduisicin de datos en un rango asignado por el usuario.

:ablaH

,ang! de tra)a+! sens!r ultrasnic!

KAN)? 48 :KA%A#?'7nimo ,>1 mm'!imo 2@@ mm8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

Figura 54.4iagrama de flujo Sub(5 sensor infrarrojo

59


74/112


60


75/112

CAPTULO 5

ANLISIS DE DATOS

8n este cap7tulo se presenta los datos referentes a la aduisicin de datos en la tarjeta

4AG 1330 tanto en voltaje como en medidas6 para determinar el margen de error y el

comportamiento frente a diferentes materiales.

51 D%(!+,+- 6% &'.%!+'$%( ,'!' %('!

Se coloc una letra para diferenciar los diferentes materiales comenzando en la A

&asta la letra ) a continuacin una breve descripcin.

:abla 0.

Di*erentes "ateriales

'A:8K5A$ AS5)AN*5WN

Superficie muy aspera A

Superficie aspera %

Superficie transparente *

:ela 4Aluminio 8

Plastico color negro B

*arton )


Para describir mejor los materiales se va a dar a conocer un poco de cada uno de

ellos+

A+ superficie muy spera6 este material es grumoso de color negro con partes

brillantes6 fue utilizada una lija de metal en tela \ /16 como se muestra a

continuacin.

61


76/112

Figura 55.'aterial para pruebas HAJ


%+ Superficie spera6 este material es un poco spero color gris con partes brillantes6

fue utilizada una lija de agua \ >33.

Figura 56.'aterial para pruebas H%J


62


77/112

*+ Superficie transparente6 este material es mica acr7lica transparente muy similar a

vidrio.

Figura 57.'aterial para pruebas H*J


4+ :ela6 este material es de algodn 03_ y polister ,3_6 colocado en un marco de

acr7lico.

Figura 58.'aterial para pruebas H4J


63


78/112

8+ Aluminio6 material tipo papel semimetlico generalmente domstico6 usado para

recubrir el acr7lico.

Figura 59.'aterial para pruebas H8J


B+ Plstico color negro6 material semi brillante6 recubriendo la paleta de acr7lico.

Figura 60.'aterial para pruebas HBJ


)+ *artn6 material a base de papel reciclado formando un elemento sin capasHcartn prensadoJ.

64


79/112

Figura 61.'aterial para pruebas H)J


52 A$+(+( 6% $"( &'.%!+'$%( 0!%.% ' $"( (%("!%(

Se analiz cada material con cada uno de los sensores determinando con cual se

puede obtener datos con mejor resultado6 obteniendo una tabla para cada sensor y

determinando as7 un claro funcionamiento de los mismos frente a los materiales.

:abla ,3.

-n#lisis de prue)as c!n el sens!r ptic! y l!s "ateriales

(A$?K8S *?N 8$ S8NS?K WP:5*?4istancia real 4istancia medidaHcmJ cm HAJ cm H%J cm H*J cm H4J cm H8J cm HBJ cm H)J

3.2 ,.1- 3.@ 3.1 BK BK 3. BK 3.> 2 ,./@ ,., BK BK ,.@ BK 3.1 2.@1 ,.1 2.2@ 3. BK 2 BK 3. /.,1 2.-/ 2.1 ,.2 3.@ 2. BK

, /.@ /.> /.,1 ,./@ 3.0@ /.@ 3.,.2 >.@ >.>/ >.> ,.1 ,., >.@ ,,.@ BK BK BK 2 ,./ BK ,.2

2 2.> ,.@> ,.2.@ 2.- ,.0@ 2.2

/ /.@ 2./2 /.-/.@ >./ 2.1 >

65


80/112

> >.1 /.> >.1>.@ BK /.- BK

@ >.2@.@ >.1

8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuezAnlisis por material+

A+ esta superficie refleja la luz del sensor en varias direcciones y es un material

negro ue absorbe la luz6 esto &ace ue se pierda datos y no es posible tener un dato

real.

%+ se comporta de igual forma ue el material A6 pero a diferencia ue la perdida de

datos es aparentemente un poco menor y no es posible tener un valor real.

*+ al ser un material transparente brillante se pierde datos reales similar a los speros

negros6 pero en este caso la luz atraviesa el cuerpo y parte de los datos se pierden6

por tanto no se puede tener valores reales.

4+ al ser un material donde la luz pasa a travs de este por ser la unin de &ilos o

fibras no es ptima para obtener datos en este caso no es posible tener valores reales

de medicin.

8+ al ser un material reflejante se pierde profundidad y env7a los datos ms luz

adicional &aciendo ue el valor de medicin sea mayor6 no se recomienda usar este

ya ue no se obtiene valores reales.

B+ al ser un material a base de petrleo como el plstico y mayormente color negro6

este absorbe la luz de tal manera ue no tenemos valores reales de medicin.

)+ al ser un derivado del papel este material prcticamente es ideal para la mayor7a

de pruebas6 es consistente6 liso6 no absorbe la luz y se obtuvo valores reales de

medicin en base a la curva caracter7stica del sensor.

8sto demuestra ue en el sensor ptico B8S:? tiene mejor resultado con el material)+ cartn6 obteniendo los mejores resultados a diferencia de los otros. :omando en

cuenta ue cada material tiene su curva y ecuacin6 es decir se podr7a medir cada

material &aciendo los clculos correspondientes. A continuacin sensor 5nfrarrojo.

66


81/112

:abla ,,.

-n#lisis de prue)as c!n el sens!r in*rarr!+! y l!s "ateriales

(A$?K8S *?N 8$ S8NS?K 5NBKAKK?#?

4istancia real 4istancia medida

HcmJ cm HAJ cm H%J cm H*J cm H4J cm H8J cm HBJ cm H)J

> 2.3- 2.2 .@@ 2.,, >.0 /.-- 2.,,

1 1.,2 1., ,,./1 1.3 - 1.- 1.,2

.2 ./ ,@ .2 0., .1 .2,3 ,3.,> ,3./ 23. ,3./ ,,.3@ ,3.- ,3.2

,2 ,2., ,2.2> 2>.- ,2.2 ,/.1 ,2. ,2.2

,> ,>.2- ,>.2 2.>- ,>.2 ,@.> ,>. ,>.2

,1 ,1.2 ,1.2 />.@ ,1., ,-.0 ,-./ ,1./

, ,.- ,.1 />.- ,.@ ,0.@ ,0.@ ,.-

23 23. 23. BK 23.1 22.@ 2,.@ 2,

22 2/ 22.0 2/ 2>.- 2> 2/

2> 2@ 2>. 2@ 21 2@ 2@

21 21.0 21.0 2- 2-.0 2-./2 2-8laborado por+ #os %uc&eli < $enin (elasuez

Anlisis por material+

A+ se obtuvo datos reales de medicin por ser un material solido color negro es

ptimo para censar.

%+ se obtuvo datos reales de medicin por ser un material solido color gris es ptimo

para censar.

*+ no es posible censar este material6 al ser transparente los datos son incorrectos.4+ se obtuvo datos reales de medicin6 indicando ue la tela es un material ptimo

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO CON SISTEMA HMI PARA EL ANÁLISIS Y ESTUDIO DE...

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