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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA SENSOR DE NIVEL DEL LECHO DE ARENA PARA EL TANQUE DESARENADOR DE LA PLANTA PTAR-C

EDGAR FRANCISCO ARCOS HURTADO

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI 2007

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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA SENSOR DE NIVEL DEL LECHO DE ARENA PARA EL TANQUE DESARENADOR DE LA PLANTA PTAR-C

EDGAR FRANCISCO ARCOS HURTADO

Pasantía para optar al titulo de Ingeniero Mecatrónico

Director JOSE FERNANDO PEREZ

Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI 2007

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Nota de aceptación:

Trabajo aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico. Ing. JIMMY TOMBE __________ Jurado Ing. JUAN CARLOS MENA______ Jurado

Santiago de Cali, 14 de junio de 2007

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AGRADECIMIENTOS

A DIOS primero que todo por haberme permitido llevar a cabo esta meta. A mi madre porque gracias a ella y a todo su esfuerzo es que soy lo que soy, a mi abuela por prestarme su sabiduría y paciencia y a toda mi familia porque aunque hacen mucho mas que fuerza eso significa demasiado. A mis colaboradores directos por que uno no sabe la ayuda que prestan hasta que lo hacen y por ultimo a todas las personas que de una u otra manera tuvieron que ver con la realización de este trabajo.

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CONTENIDO

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RESUMEN 14 INTRODUCCION 15 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16 2. MARCO TEORICO 17 2.1. SISTEMAS DE MEDICION 17 2.1.1. Medidor de nivel de peso móvil 17 2.1.2. Medidor de nivel de báscula 18 2.1.3. Medidor de nivel capacitivo 18 2.1.4. Medidor de presión diferencial 18 2.1.5. Medidor de nivel de ultrasonido 18 2.1.6. Medidor de nivel de radiación 19 3. ANTECEDENTES 20 4. OBJETIVOS 22 4.1. OBJETIVO GENERAL 22 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 22 5. JUSTIFICACION 23 6. METODOLOGIA 24 6.1. ETAPA DE RECONOCIMIENTO 24 6.2. ESTUDIO Y ANALISIS 24

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6.3. ETAPA DE DISEÑO Y PRUEBAS 24 6.4. ETAPA DE ELABORACION DEL INFORME FINAL 25 7. CRONOGRAMA 26 8. PRESUPUESTO 27 9. FINANCIACION 28 10. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL (PTAR). 29 10.1. PRETRATAMIENTO 30 10.2. ETAPA PRIMARIA 31 10.3. ETAPA SECUNDARIA 32 11. DESARENADORES AIREADOS DE LA PLANTA PTAR-C 34 11.1. FUNCION 34 11.2. DESCRIPCION GENERAL 34 11.3. MANEJO DE RESIDUOS GENERADOS 41 11.3.1. Residuos sólidos 41 11.3.2. Residuos líquidos 42 12. DESCRIPCION DEL PROYECTO 43 12.1. DESCOMPOSICION DEL PROBLEMA 46 12.2. DESCOMPOSICION FUNCIONAL 47 12.3. SUBPROBLEMAS CRITICOS 47 12.3.1. Convertir la variable física de nivel a una variable eléctrica 48 12.3.2. Acondicionamiento de la señal eléctrica 54 12.3.3. Visualizar la variable física en pantalla 55

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12.3.4. Obtener salida analógica deseada 56 13. SELECCIÓN DEL SENSOR 57 13.1. SENSORES CAPACITIVOS 58 13.1.1. Calculo de la capacitancia de cilindros paralelos 58 13.1.2. Limites de precisión 59 13.1.3. Prueba del sensor elegido 60 13.2. CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL 63 13.2.1. Linealidad 63 13.2.2. Midiendo capacitancia 64 13.2.3. Amplificadores 78 13.2.4. Circuitos single-ended 81 13.2.5. Circuitos con puentes 81 13.2.6. Excitación 82 13.2.7. Filtrado 83 14. DESCRIPCION DEL DISEÑO 85 14.1. HARDWARE 86 14.1.1. Salida de 0-5 V. 95 14.1.2. Salida de 4-20 mA. 97 14.1.3. Visualización 101 14.2. SOFTWARE 103 15. ESPECIFICACIONES FINALES Y PUESTA EN MARCHA 108 16. MANUAL DE USUARIO 112

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17. CONCLUSIONES 118 18. RECOMENDACIONES 119 BIBLIOGRAFIA 120 ANEXOS 121

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LISTA DE TABLAS

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Tabla 7.1. Cronograma 26 Tabla 8.1. Presupuesto 27 Tabla 12.1. Necesidades de la empresa 43 Tabla 12.2. Especificaciones preliminares 44 Tabla 12.3. Relación de medidas con necesidades 45 Tabla 13.1. Comparación de sensores 58 Tabla 13.2. Comparación de circuitos que miden capacitancia 65 Tabla 14.1. Componentes del sistema desarrollado 103 Tabla 15.1. Especificaciones finales 108

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 10.1. Esquema general de una PTAR 30 Figura 10.2. Esquema de pretratamiento de la PTAR-C 30 Figura 10.3. Esquema tratamiento primario de la PTAR-C 31 Figura 10.4. Esquema tratamiento secundario de la PTAR-C 32 Figura 11.1. Esquema y funcionamiento de pretratamiento 36 Figura 11.2. Interior de un desarenador 37 Figura 11.3 Entrada de agua de un desarenador 37 Figura 11.4. Salida de agua de un desarenador 38 Figura 11.5. Motor hidráulico y depósito de arenas 38 Figura 11.6. Eyector de arenas 39 Figura 11.7. Tanques desarenadores 40 Figura 12.1. Representación de entradas y salidas 46 Figura 12.2. Descomposición funcional 47 Figura 12.3. Medidor de nivel por ultrasonido 48 Figura 12.4. Generación de onda 50 Figura 12.5. Recepción de onda 50 Figura 12.6. Montaje del sensor 51 Figura 12.7. Medidor de nivel por radar 52 Figura 12.8. Medidor de nivel capacitivo 53 Figura 12.9. Sensor de nivel por medición de peso 54 Figura 13.1 Capacitancia de cilindros paralelos 59 Figura 13.2. Mezcla en el interior de un desarenador 61 Figura 13.3. Recipiente de prueba 62 Figura 13.4. Resultados de la prueba de capacitancia 62 Figura 13.5. Conversión análoga-digital y digital-análoga 67 Figura 13.6. Muestreo de señales 68 Figura 13.7. Selección de la señal de muestreo 69 Figura 13.8. Aliasing 69 Figura 13.9. Espectro de señales 70 Figura 13.10. Circuitos sample and hold 71 Figura 13.11. Circuito DC para capacitancia 72 Figura 13.12. Circuito oscilador 73 Figura 13.13. Diagrama básico del 555 74 Figura 13.14. Multivibrador astable 75 Figura 13.15. Oscilador RC protegido 76 Figura 13.16. Circuito puente con oscilador RC 76 Figura 13.17. Circuito demodulador sincronizado 78

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Figura 13.18. Circuito high-Z 78 Figura 13.19. Circuito low-Z 79 Figura 13.20. Circuito de retroalimentación 79 Figura 13.21. Circuito de retroalimentación con desviaciones capacitivas 80 Figura 13.22. Puente de resistencias 81 Figura 13.23. Puente de capacitores 82 Figura 13.24. Espectro de la señal 83 Figura 14.1. Fuente de corriente controlada por voltaje 87 Figura 14.2. Circuito de carga 88 Figura 14.3. Circuito de carga detallado 89 Figura 14.4. Funcionamiento de un comparador de voltaje 90 Figura 14.5. Comparador de voltaje implementado 91 Figura 14.6. Comparador agregado al sistema 91 Figura 14.7. Visualización de la señal de control y el voltaje del capacitor 92 Figura 14.8. Visualización del voltaje del condensador y la salida Del comparador 93 Figura 14.9. Conexión de la salida del comparador 93 Figura 14.10. Señal de control 94 Figura 14.11. Conexión de 2 comparadores 95 Figura 14.12. Diagrama del AD7390 96 Figura 14.13. Salida de 0-5 V con un AD7390 96 Figura 14.14. Diagrama de tiempos para la conversión con un AD7390 97 Figura 14.15. Diagrama de un AD694 98 Figura 14.16. Amplificación de 0-5 a 0-10 V 99 Figura 14.17. Conexión para trabajar en un rango de entrada de 0-10 V con un rango de salida de 4-20 m 100 Figura 14.18. Implementando alarma 101 Figura 14.19. Display de cristal líquido (LCD) 102 Figura 14.20. Conexión del LCD 102 Figura 14.21. Diagrama de flujo general 105 Figura 14.22. Subrutina sensar 106 Figura 14.23. Salida analógica 107 Figura 15.1. Comportamiento del sistema 109 Figura 15.2. Salida analógica 110 Figura 15.3. Señal de corriente 111 Figura 16.1. Arranque del dispositivo 112 Figura 16.2 Primer pantalla de configuración 113 Figura 16.3. Configuración de rango 113 Figura 16.4. Configuración de rango 2 114 Figura 16.5. Configuración de rango 3 114 Figura 16.6. Configuración de salida 115 Figura 16.7. Configuración de salida 2 115 Figura 16.8. Configuración de salida 3 116

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Figura 16.9. Configuración realizada 116 Figura 16.10. Valores establecidos por configuración 116

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LISTA DE ANEXOS

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Anexo 1. Esquemático completo del sistema de medición 121 Anexo 2. Diseño en el software EAGLE del circuito impreso 122 Anexo 3. Planos del circuito impreso 123 Anexo 4. Circuito impreso 125 Anexo 5. Carta asesor empresarial 126 Anexo 6. Carta director y solicitud de jurados 127

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RESUMEN Este trabajo pretende dar a conocer el diseño y posterior construcción del dispositivo prototipo con el cual se pretende mejorar el sistema de desarenacion de la Planta de tratamiento de aguas residuales de cañaveralejo midiendo el nivel del lecho de arena de los desarenadores de la PTAR-C, el cual servirá para tener un monitoreo constante del estado de los desarenadores evitando la salida de operación de estas estructuras, protegiendo las bombas eyectoras y permitiendo un posterior control en el momento que se desee ya que este sistema de medición de lecho de arena otorga herramientas como salidas análogas para su desarrollo. El presente informe describe las pautas y procedimientos utilizados para el desarrollo del prototipo del sistema de medición del nivel del lecho de arena que será instalado en los tanques desarenadores de la PTAR-C, consta de diferentes diagramas, esquemas y tablas que hacen más fácil el entendimiento del mismo. En este documento se realiza un análisis detallado de las necesidades que debe satisfacer el dispositivo y se establecen especificaciones preliminares, las cuales fueron estudiadas a fondo para lograr un mejor desempeño y de de esta manera lograr la satisfacción del cliente que en este caso es EMCALI y mas concretamente la PTAR-C. Por ultimo, este documento esta sujeto a críticas o mejoras que lectores del mismo puedan aportar buscando siempre un mejor desempeño del sistema de medición del lecho de arena y así mismo mejorar el sistema de desarenacion de la planta de tratamiento de aguas residuales de cañaveralejo

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INTRODUCCION En la actualidad el desarrollo tecnológico brinda la oportunidad de encontrar diferentes soluciones a diversos problemas en el ámbito industrial. Uno de los más importantes es el censado de variables físicas, proceso en el que se han venido presentando grandes mejoras, gracias a la aparición de sensores con características superiores. No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos forman un sistema. Los sensores capacitivos pueden resolver muchos problemas de sensado o medición de variables. Pueden ser integrados en un circuito impreso o hasta en un microchip y ofrecer una altísima resolución. Son usados para codificar posición lineal y rotatoria, sensar el nivel de líquidos o granos como en este caso, en paneles de ingreso de datos, micrómetros, detectores de proximidad etc. El uso de sensores capacitivos ha crecido rápidamente debido a que los diseñadores han ido descubriendo sus virtudes. Los sensores capacitivos pueden ser invariantes a la temperatura, humedad o a algún desalineamiento mecánico, su exactitud es excelente, su tecnología se integra fácilmente así como también necesitan de muy poca energía para su operación. Algunos factores cohíben el uso de sensores capacitivos, incluyendo los especializados circuitos necesarios o la falta de entendimiento de la tecnología así como también la gran superstición de que los sensores capacitivos no son lineales y no pueden operar en condiciones de extrema humedad, lo cual se contradice si se tiene en cuenta el gran numero de sensores capacitivos que se encuentran en el mercado.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El sistema de desarenado que tiene la planta PTAR-C cuenta con unos tanques desarenadores a los cuales llega el agua residual después de pasar por las rejas gruesas y finas para recolectar basuras, las arenas sedimentadas en el fondo del desarenador son enviadas a la cámara de succión de las bombas eyectoras de arena. Las bombas eyectoras se activan en cumplimiento de un ciclo que funciona de manera automática para la extracción de arena sobre los desarenadores en servicio, siguiendo una parametrización de tiempos para el funcionamiento. El control no toma en cuenta la altura del lecho de arenas en la cámara de succión por falta de instrumentación para tal fin. La compactación de la arena en el fondo de los pozos de succión de los eyectores de los desarenadores viene afectando significativamente la operación de estas estructuras ocasionando de forma recurrente la salida de operación de ellas, por esta razón la implementación de dispositivos de medición del nivel, la indicación de la altura del lecho y la visualización mediante una curva de comportamiento del lecho. La pregunta problema es ¿Cómo mejorar el sistema de desarenacion en la planta PTAR-C?

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2. MARCO TEORICO 2.1. SISTEMAS DE MEDICION Este proyecto esta inmerso en el área de instrumentación y mas concretamente en los medidores de nivel de sólidos. En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. Los detectores de nivel de punto proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Los sistemas mas empleados son el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasonidos. Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto mas bajo al punto más alto. Entre los instrumentos empleados se encuentran el de peso móvil, el de báscula, el capacitivo, el de presión diferencial, el de ultrasonidos y el de radiación. Como el dispositivo a diseñar debe medir el nivel en todos los puntos entonces se van a estudiar más a fondo los detectores de nivel continuos. 2.1.1. Medidor de nivel de peso móvil. Consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior del silo mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja, y un detector adecuado invierte el sentido del movimiento del peso con lo que este asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento indicando Así el nivel en aquel momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura de los mecanismos de vaciado.

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2.1.2. Medidor de nivel de báscula. Mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva mas producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por lo tanto el nivel. La tolva Se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una báscula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos (galga extensiométrica). De estos elementos, uno de los más empleados es el de galga extensiométrica (pieza de elasticidad conocida capaz de soportar la carga sin exceder de su límite de elasticidad. La tensión o la compresión a que el peso somete a la célula, hace variar la longitud del hilo metálico y modifica por lo tanto su resistencia eléctrica). El sistema es relativamente caro, en particular en el caso de grandes tolvas, pudiendo trabajar a altas presiones y temperaturas. Su presición depende del sensor utilizado pudiendo variar de +-0.5 a +-1%. 2.1.3. Medidor de nivel capacitivo. Mide la capacidad del condensador formado por el electrodo y las paredes del tanque, este tipo de medición produce un mayor error en la Medición de nivel de sólidos que de líquidos debido a la mayor adherencia que puede presentar el solidó en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por las variaciones de densidad del solidó. La varilla del medidor esta aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada para resistir la caída del producto y las Fuerzas generadas en los deslizamientos internos. La medida esta limitada a materiales en forma granular o en polvo que sean buenos aislantes, la presión y temperatura máximas de servicio Pueden ser de 50 Kg. /cm2 y 150° C y el aparato debe calibrarse para cad a tipo de material. Su precisión es de unos +- 15mm aproximadamente. 2.1.4. Medidor de presión diferencial. Se emplea en la medida y el control continúo de lechos fluidizados. Consiste en dos orificios de purga de aire situados en el depósito por debajo y por encima del lecho. Un instrumento transmisor neumático o electrónico mide la presión diferencial posterior de los dos orificios mencionados que depende del nivel del lecho fluidizado. El instrumento puede trabajar a temperaturas superiores a 300° C y posee una respuesta rápida. 2.1.5. Medidor de nivel de ultrasonidos. Consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos esta mas bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un rele. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el rele se desenclava actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito.

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Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de transito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasonidos, el sistema es adecuado para materias con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones y puede emplearse tanto en materiales opacos Como transparentes. Sin embargo si la superficie del nivel no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. Su precisión es de +- 1 +- 3 %, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150° C. 2.1.6. Medidor de nivel de radiación. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radiactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector discontinuo todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1300° C, presiones máximas de 130 Kg. /cm2, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Sin embargo, es un sistema de coste elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a quienes afecte la radiactividad. Su presición es de +- 1 % y su campo de medida de 0.5 m por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de medida del nivel.

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3. ANTECEDENTES Actualmente los desarenadores de la planta PTAR-C no cuentan con un sistema de medición del lecho arena, estas estructuras nunca han tenido dispositivos para tal fin. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables tales como la presión y la temperatura, permite añadir inteligencia en la medida del nivel y obtener precisiones de lecturas altas, del orden del 0.2% en el intervalo de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. El transmisor de nivel inteligente hace posible la interpretación del nivel real (puede compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lectura), la eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido a los agitadores), y la fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de transmisión. El transmisor o varios transmisores pueden conectarse a través de una conexión RS-232, a un ordenador personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisores inteligentes. En una importante central termoeléctrica de colorado, el sistema de medición ultrasónica de nivel presentaba ciertas limitaciones. El operario del camión solo podía Cargar aproximadamente 6 m. de un silo de 20 m. de capacidad antes de que se desestabilizara la medición, forjándole a dejar de cargar más ceniza. Esto limitaba la cantidad de material que se podía cargar en los camiones. El operario encargado de llenar el silo quería llenarlo lo más posible sin llegar a desbordarlo, de forma que a medida que llegaban los grupos de camiones, todos ellos pudiesen ser cargados al máximo. Si no había material suficiente en el silo, los camiones tenían que esperar, lo que un importante gasto adicional para camiones. Como solo se podía medir por debajo del 20% del tope, el sobrellenado siempre era un problema, y la planta tenia que llamar a menudo en domingo a los camiones para que vaciasen el silo. La medición de nivel tenia que ser más precisa para mejorar la eficiencia del llenado y de la descarga.

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La planta encontró en abril de 2002 la solución a sus problemas con un transmisor de radar Siemens SITRANS® LR 400. Este instrumento utiliza la tecnología de radar de frecuencia modulada y onda continua (FMCW) para ofrecer mediciones fiables y continuas de nivel. Gracias a un cable de potencia de 4 hilos y una frecuencia de 24 GHz. hace posible aplicaciones de largo alcance (hasta 50 m). Su capacidad para penetrar en el polvo lo hace ideal para aplicaciones con sólidos Pulverulentos, tales como cenizas volantes, cemento, harina y polvo negro de carbón. El instrumento se instalo en un orificio de 18’’ de la parte superior del silo de cenizas volantes.

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4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVO GENERAL Desarrollar un dispositivo mecatrónico para sensar el nivel del lecho de arena sumergido en la cámara de succión del tanque desarenador para monitoreo y posterior control del sistema de desarenacion. 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Estudiar el comportamiento del lecho de arenas y analizar los requerimientos del dispositivo para un mejor desempeño.

Diseño y construcción del prototipo del sistema de medición del nivel del lecho de arenas de los desarenadores. (la construcción del prototipo esta supeditada a las condiciones económicas y técnicas que brinda la empresa).

Identificar actividades a desarrollar y precauciones requeridas para la puesta en marcha del dispositivo en el tanque desarenador.

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5. JUSTIFICACION La planta de tratamiento de aguas residuales de cañaveralejo, PTAR-C, tiene como propósito descontaminar la aguas residuales de la ciudad de Santiago de Cali antes de que se produzca su vertimiento al rió cauca. Lo mas importante con la realización de este proyecto es que se esta dando solución a un problema real como es el de los desarenadores. En la actualidad las bombas eyectoras con que cuenta el sistema de desarenacion se activan en cumplimiento de un ciclo que funciona de manera automática siguiendo una parametrización de tiempos para el funcionamiento, como la cantidad de residuos sólidos no es una constante estas bombas eyectoras se activan en algunos casos cuando el nivel del lecho de arenas es muy bajo, por otra parte cuando el nivel del lecho de arena es demasiado alto y se activan las bombas eyectoras se produce una falla forzando así la salida de operación de estas estructuras, por esta razón, para mejorar el sistema de desarenacion se plantea el desarrollo de este proyecto con el fin de realizar un monitoreo constante del nivel del lecho de arena el cual permite una mejor operación de los desarenadotes y evitar daños en las bombas de extracción. Por otra parte es un muy buen proyecto de grado para optar el titulo de ingeniero mecatrónico, ya que aparte de diseñar el sistema de medición del lecho de arena, se obtiene mucho conocimiento del funcionamiento de los dispositivos que se encuentran en la PTAR-C y que solo se habían visto en la teoría.

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6. METODOLOGÍA La metodología a desarrollar esta basada en el desarrollo de etapas básicas que propondrán un mayor enfoque en aspectos técnicos necesarios para el desarrollo de este proyecto. 6.1. ETAPA DE RECONOCIMIENTO • Búsqueda y recolección de información de las características y el entorno del funcionamiento de los desarenadotes de la planta PTAR-C por medio del personal a cargo y documentación.

• Identificación de características adicionales o básicas deseadas por la planta PTAR-C, respecto al diseño del sistema de medición del nivel del lecho de arena, y planteamiento de especificaciones.

6.2. ESTUDIO Y ANALISIS • Estudio, análisis y selección del sensor más adecuado para la implementación del sistema a diseñar. 6.3. ETAPA DE DISEÑO Y PRUEBAS • Diseño y desarrollo del prototipo del sistema de medición del nivel del lecho de arena.

• Pruebas y ajustes fuera de línea para someter el prototipo diseñado a pruebas técnicas que simulen las condiciones reales del tanque desarenador, las cuales permitan validar el diseño realizado.

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6.4. ETAPA DE ELABORACION DEL INFORME FINAL • Elaboración del documento que contiene la descripción del sistema diseñado, la implementación del mismo, los resultados de las pruebas realizadas y las conclusiones obtenidas en el desarrollo del proyecto.

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7. CRONOGRAMA Tabla 7.1. Cronograma

Octubre SEMANA

S

Noviembre

SEMANAS

Diciembre SEMANA

S

Enero SEMANA

S

Febrero SEMANA

S

Marzo SEMANA

S ETAPA

S 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 2 3 4 5 6

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8. PRESUPUESTO Los gastos estimados para la elaboración de este proyecto son discriminados de la siguiente manera: Tabla 8.1. Presupuesto

Ítem Costo 1. Director $ 800.000 2. Costos de ingeniería (sensores, integrados, etc.) $ 2.000.000 3. Equipo de Laboratorio $ 3.000.000 4. Computador $ 1.500.000 6. Impresión (informes, bibliografía) $ 100.000 7. Papelería (Fotocopias, Internet) $ 150.000 8. Gastos Varios (Teléfono, transporte, alimentación)

$ 800.000

Total $ 8.350.000

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9. FINANCIACION Como medio de financiación los ítems 6, 7 y 8, mostrados en la tabla 8.1, serán cubiertos por el estudiante, el ítem 2 o las inversiones que sean necesarias en adquisición de elementos propios del proyecto correrán a cargo de la empresa EMCALI EICE E.S.P. Por ultimo, la Universidad proporciona los recursos presentados en los ítems 1, 3 y 4.

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10. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL (PTAR) Las aguas residuales es la basura líquida proveniente de tocadores, baños, regaderas, cocinas, etc. Que es desechada a las alcantarillas. En muchas áreas, las aguas residuales también incluyen algunas aguas sucias provenientes de industrias y comercios. La división del agua casera drenada de aguas grises y aguas negras es más común en el mundo desarrollado, el agua gris es permitida para ser usada en riego de plantas o para ser reciclada en el uso de baños. Muchas aguas residuales también incluyen aguas superficiales de los techos o áreas estancadas, por ejemplo Cuando la lluvia corre a través de los techos y la tierra, ésta puede recoger varios contaminantes incluyendo partículas del suelo (sedimentadas), los metales pesados, compuestos orgánicos, basura animal, aceite y grasa. Algunas jurisdicciones requieren agua de lluvia para recibir algunos niveles de tratamiento antes de ser descargados al ambiente. Ejemplos de procesos de tratamientos para el agua de lluvia incluyen las vasijas de sedimentación, las tierras húmedas y los separadores de vórtice (para remover sólidos gruesos). Las aguas residuales municipales incluyen descargas residenciales, comerciales e industriales, y pueden incluir la salida de fuertes precipitaciones. El lugar donde se realiza el proceso es en una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Ver figura 10.1.

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Figura 10.1. Esquema general de una PTAR

10.1. PRETRATAMIENTO

Figura 10.2. Esquema de pretratamiento de la PTAR-C

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Debe cumplir dos funciones:

• Medir y regular el caudal de agua que ingresa a la planta. • Extraer los sólidos flotantes grandes y la arena (a veces, también la grasa).

Normalmente las plantas están diseñadas para tratar un determinado volumen de agua, la PTAR de cañaveralejo esta en capacidad de tratar 7.3 m3/s. Hay horas, generalmente durante el día, en las que el volumen de agua producida es mayor, por lo que deben instalarse sistemas de regulación de forma que el caudal que ingrese al sistema de tratamiento sea uniforme.

Asimismo, es impresionante ver las cosas que el agua servida contiene: palos, pañales, botellas plásticas, granos de maíz, etc., por lo que es necesario retirarlas para que el proceso pueda efectuarse normalmente. Las estructuras encargadas de esta función son las rejillas, tamices, trituradores (a veces), desgrasadores y desarenadores como en el caso de PTAR de cañaveralejo que cuenta con seis desarenadores aireados. En esta etapa también se puede realizar la preaireación, cuyas funciones son: a) Eliminar los compuestos volátiles presentes en el agua servida, que se caracterizan por ser malolientes, y b) Aumentar el contenido de oxígeno del agua, lo que ayuda a la disminución de la producción de malos olores en las etapas siguientes del proceso de tratamiento.

10.2. ETAPA PRIMARIA

Figura 10.3. Esquema tratamiento primario de la PTAR-C

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Tiene como objetivo eliminar los sólidos en suspensión por medio de un proceso de sedimentación simple. Para complementar este proceso se pueden agregar compuestos químicos con el objeto de precipitar el fósforo, los sólidos en suspensión muy finos o aquellos en estado de coloide.

Las estructuras encargadas de esta función son los estanques de sedimentación primarios o clarificadores primarios. Habitualmente están diseñados para suprimir aquellas partículas que tienen tasas de sedimentación de 0,3 a 0,7 mm./s. Asimismo, el período de retención es normalmente corto, 1 a 2 h. Con estos parámetros, la profundidad del estanque fluctúa entre 2 a 5 m.

En esta etapa se remueve por precipitación alrededor del 60 al 70% de los sólidos en suspensión. En la mayoría de las plantas existen varios estanques primarios y su forma puede ser circular, cuadrada a rectangular.

10.3. ETAPA SECUNDARIA

Figura 10.4. Esquema tratamiento secundario de la PTAR-C

Tiene como objetivo eliminar la materia orgánica en disolución y en estado coloidal mediante un proceso de oxidación de naturaleza biológica seguido de sedimentación. Este proceso biológico es un proceso natural controlado en el cual participan los microorganismos presentes en el agua residual, y que se desarrollan en un reactor o cuba de aireación, más los que se desarrollan, en menor medida

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En el decantador secundario. Estos microorganismos, principalmente bacterias, se alimentan de los sólidos en suspensión y estado coloidal produciendo en su degradación en anhídrido carbónico y agua, originándose una biomasa bacteriana que precipita en el decantador secundario. Así, el agua queda limpia a cambio de producirse unos fangos para los que hay que buscar un medio de eliminarlos.

En el decantador secundario, hay un flujo tranquilo de agua, de forma que la biomasa, es decir, los flóculos bacterianos producidos en el reactor, sedimentan. El sedimento que se produce y que, como se dijo, está formado fundamentalmente por bacterias, se denomina lodo activado.

Los microorganismos del reactor aireado pueden estar en suspensión en el agua (procesos de crecimiento suspendido fangos activados), adheridos a un medio de Suspensión (procesos de crecimiento adherido) o distribuidos en un sistema mixto (procesos de crecimiento mixto).

Las estructuras usadas para el tratamiento secundario incluyen filtros de arena intermitentes, filtros percoladores, contactores biológicos rotatorios, lechos fluidizados, Estanques de lodos activados, lagunas de estabilización u oxidación y sistemas de digestión de lodos.

Como el sistema de medición del lecho de arena desarrollado para la PTAR-C estará ubicado en los desarenadores es por esta razón que en el siguiente capitulo se mostrara el campo de operación de una manera mas detallada.

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11. DESARENADORES AIREADOS DE LA PLANTA PTAR-C

11.1. FUNCION

La función de los desarenadores es retener las partículas arenosas contenidas en el agua residual afluente, con el fin de evitar la abrasión en los equipos y conducciones de la planta, prevenir obstrucciones de conductos y problemas de funcionamiento de bombas y evitar las sobrecargas en las etapas siguientes del tratamiento, en especial en caso de lluvia, en donde la cantidad diaria de arena que llega a la estación se puede multiplicar entre 3 a 7 veces, igualmente, los desarenadores previenen la acumulación de arenas en las etapas posteriores del tratamiento como canales de alimentación, digestores, fosos de lodo, etc.

Para favorecer la separación de la arena y evitar la sedimentación de sólidos orgánicos, el sistema de desarenacion contempla la agitación mediante aire.

11.2. DESCRIPCION GENERAL

Los desarenadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar.

Para la remoción de arenas y otros materiales inertes, la planta PTAR-C cuenta con seis tanques desarenadores.

El agua residual, proveniente del sistema de elevación de aguas y de las estaciones de bombeo, después de haber pasado a través de las compuertas de entrada y las rejas finas, es introducida por un extremo, recorre todo el tanque desarenador en donde se agita con suministro de aire, desarenado por decantación natural, extracción de arenas y sale al otro extremo por rebose de los vertederos de salida de agua de los desarenadores a un canal en concreto donde se divide hacia los costados para llegar a las tajeas que la llevaran a las cadicas y luego a los sedimentadotes primarios.

Los vertederos de salida son en lámina, graduables en altura colocados sobre el muro al final del tanque.

Cada desarenador esta equipado de 75 difusores de aire, que favorecen una buena separación de las arenas gracias al “spiral-flow” creado y la puesta en

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Suspensión de las materias orgánicas menos densas por el movimiento lateral creado.

Los sopladores de aire del pretratamiento suministran el aire para el correcto funcionamiento de estos difusores.

Las arenas que son depositadas en el fondo de cada uno de los desarenadores son recogidas en el canal lateral situado en el fondo del tanque, en donde son arrastradas por medio de un tornillo recolector de arenas, impulsado por una unidad hidráulica, hacia un pozo final de arenas en la entrada de los tanques.

Una vez depositadas las arenas en el foso del desarenador se procede a extraerlas para llevarlas a las unidades separadoras. Para tal fin se utiliza un sistema compuesto por bombas eyectoras (cuyo sistema motriz es agua a alta presión), válvulas de entrada de agua a presión y de salida de arenas.

Las bombas de extracción de arenas succionan las arenas con agua gracias a la inyección de agua presurizada desde las bombas de alta presión, y las llevan a los dos clasificadores denominados separadores de arenas que separan el agua de las arenas. Dentro del separador de arenas son arrastradas por un tornillo sinfín inclinado que las transporta hacia una tolva de arenas. El agua sobrante del separador de arenas se envía por gravedad, hasta la cámara de rejillas finas en la cabeza del proceso (recirculación).

Las tolvas van almacenando las arenas durante el funcionamiento del separador de arenas asociado, para su posterior evacuación de la planta en contenedores, una vez estas tolvas activan la alarma por peso o por accionamiento manual de sus botones pulsadores de apertura y cierre.

Adicionalmente y para evitar la acumulación de espumas en los desarenadores, se ha instalado un sistema rompe espumas que consiste en boquillas rociadoras de agua en la superficie del desarenador.

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Figura 11.1. Esquema y funcionamiento de pretratamiento

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En la figura 11.2 se puede apreciar el interior de un desarenador con sus difusores de aire, el tornillo recolector y la respectiva pendiente para facilitar que los residuos sólidos lleguen al canal de remoción de arenas.

Figura 11.2. Interior de un desarenador

En las figuras 11.3 y 11.4 se puede ver la entrada y salida del agua respectivamente de un tanque desarenador.

Figura 11.3. Entrada de agua de un desarenador

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Figura 11.4. Salida de agua de un desarenador

A continuación en la figura 11.5 se aprecia el motor hidráulico y el depósito de arenas

Figura 11.5. Motor hidráulico y depósito de arenas

En la siguiente figura se ve el eyector de arenas.

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Figura 11.6. Eyector de arenas

El sistema de desarenacion de la planta PTAR-C cuenta con los siguientes componentes:

- Sistema de difusión de aire : comprendido por los sopladores de aire para desarenacion y la unidad difusora de aire

- Sistema de remoción de arenas: comprendido por el canal a donde llegan los residuos sólidos por resultado de la decantación, el tornillo recolector de arenas, la unidad de potencia hidráulica y el depósito de arenas.

- Sistema de extracción de arenas: comprendido por el eyector de arenas, las bombas de alta presión, las válvulas de suministro de agua a alta presión, las válvulas de descarga y el sistema de separación de arenas.

- Sistema de roció de espumas: cuenta con dos unidades, con una potencia de 7.5 Kw., el fluido que utilizan es agua de pozo a una temperatura de 24° C la velocidad de las bombas es de 1750 rpm., y su funcionamiento es continuo.

- Compuertas: se tienen dos compuertas con una dimensión de 108” x 108”, su alimentación es de 460v-60 hz, con una potencia de 15 Kw., el vástago es ascendente.

La desarenacion se produce en seis tanques rectangulares en concreto con una cubierta de aluminio como se puede apreciar en la figura 11.7, a los que llega el agua después de pasar por el desbaste fino de 2 cm. Los tanques son aireados

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Figura 11.7. Tanques desarenadores

Para optimizar la sedimentación de las arenas, recolección, extracción, separación y disposición de las mismas.

El agua desarenada sale de cada desarenador y se reúne en un canal común con el agua de los demás tanques. En el canal hay una repartición de caudales hacia los cadicas que distribuyen el agua a las dos baterías de sedimentadotes.

La salida del agua de los desarenadores es controlada por vertederos en lámina que deben estar nivelados para asegurar una salida uniforme de todos los desarenadores.

Para la aireación de los tanques, los sopladores de aire suministran el aire necesario a los difusores. Estos soladores funcionan en continuo y el numero de ellos en operación depende del caudal de agua residual (Qe.) entrante a la planta.

Las arenas alcanzan el canal lateral desarenador y los tornillos realizan los ciclos de recolección de la arena. Un ciclo corresponde con el funcionamiento consecutivo de todos los tornillos disponibles, al menos una vez. Para producir la potencia necesaria para los motores de los tornillos de recolección de arena, se tiene una central hidráulica por cada (3) tres tornillos.

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Los ciclos de recolección de arena están ligados con el caudal entrante expresado en m^3/s.

Caudal entrante a la planta = caudal de impulsiones + numero de tornillos en servicio * 2 m^3/s a mayor caudal, menor será el tiempo de espera entre los ciclos de recolección de arenas.

Después del arranque de un tornillo de recolección y el tele ajuste de espera de extracción, la bomba de alta presión designada arranca y las válvulas de eyección y descarga del eyector correspondiente se abren.

La elección del funcionamiento entre las dos bombas se hace por medio de un teleajuste desde los puestos de sala de control o en los cuartos eléctricos de la planta.

Las válvulas de agua a presión y de descarga de arenas están ligadas al funcionamiento de las bombas de alta presión.

Las arenas extraídas son llevadas por medio de tubería en acero galvanizado de 200 mm. Hasta las dos unidades separadoras de arenas.

El funcionamiento de los separadores es intermitente. Los tornillos de los separadores de arenas están ligados con la apertura de las válvulas de descarga de los eyectores de cada desarenador.

Las tolvas reciben las arenas transportadas por los tornillos de las unidades separadoras. Su descarga se hace por un indicador de peso de las arenas almacenadas.

Adicionalmente cada desarenador esta provisto de un sistema de rociado para desvanecer las espumas que se formen en la superficie del agua y arrastrar las natas. Este Rociado de espumas de desarenadores es una operación que se realiza durante todo el tiempo.

11.3 MANEJO DE RESIDUOS GENERADOS

11.3.1. Residuos sólidos. Las arenas resultantes del funcionamiento de los sistemas de extracción de y separación de ellas, serán almacenadas en las tolvas correspondientes, para su evacuación de la planta, cada que la alarma de peso informe al operador en la sala de control de llenado de la tolva. Los residuos una vez depositados en el camión, serán evacuados fuera de la planta, en el lugar autorizado por la autoridad de control ambiental.

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11.3.2. Residuos líquidos. En el sistema de separación de arenas, se encuentra un tornillo sinfín inclinado que arrastra las arenas evacuándolas hacia una tolva de arenas y deja pasar el agua sobrante para enviarla por gravedad, hasta la cámara de rejillas finas en la cabeza de proceso (recirculación).

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12. DESCRIPCION DEL PROYECTO Sistema sensor de nivel del lecho de arena para los tanques desarenadores de la planta PTAR-C Tabla 12.1. Necesidades de la empresa

Ítem Necesidad Import.

1 El equipo es autónomo 5 2 El dispositivo mide el nivel del lecho de arena 5

3 El equipo puede trabajar en un tanque hasta de 14 mts. 5

4 Debe poder medir un nivel de 4 mts del lecho de arena 5

5 El dispositivo permite visualizar el nivel del lecho de arena 5

6 Tiene una salida de 4-20 mA 5 7 El dispositivo debe ser de fácil instalación 4 8 La interfaz es de fácil uso 4

9 El periodo de mantenimiento debe ser de 2 meses 3

10 Su mantenimiento debe ser rápido y fácil 4 11 El costo del dispositivo debe ser bajo 4

Con la identificación de las necesidades y un estudio de productos presentes en el mercado, se obtuvo la información necesaria para delimitar las especificaciones preliminares para el producto en desarrollo.

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Tabla 12.2. Especificaciones preliminares Métrica

# Métrica Unidades Valor

1 El equipo sensa automáticamente Binario Si

2 El dispositivo realiza una medición correcta del lecho de arena Binario SI

3 Altura máxima del tanque de trabajo mts 14 4 Altura máxima de medición mts 4

5 Pantalla de visualización del nivel del lecho de arena Binario SI

6 Salida analógica mA 4-20 7 Ciclo de trabajo h 24 8 La interfaz es sencilla para nuevos usuarios Subj 4 9 Potencia consumida por el dispositivo W 100 10 Costo de venta $ 800.000 11 Periodo de mantenimiento meses 2

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Tabla 12.3. Relación de medidas con necesidades

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

N necesidades

Mét

rica

El e

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Cos

to d

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Per

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man

teni

mie

nto

1 El equipo es autónomo 5 ♦ 2 El dispositivo mide el nivel del lecho de arena 4 ♦ ♦ ♦ ♦

3 El equipo puede trabajar en un tanque hasta de 10 mts. 5

♦ ♦ ♦

4 Debe poder medir como mínimo un nivel de 3 mts del lecho de arena 5

♦ ♦ ♦

5 El dispositivo permite visualizar el nivel del lecho de arena 4

♦ ♦ ♦

6 Tiene una salida de 4-20 Ma 3 ♦ ♦ 7 El dispositivo debe ser de fácil instalación 4 ♦ ♦ ♦ 8 La interfaz es de fácil uso 3 ♦ ♦ 9 El periodo de mantenimiento debe ser de 2 meses 4 ♦ ♦ 10 Su mantenimiento debe ser rápido y fácil 3 ♦

11 El costo del dispositivo debe ser bajo 4 ♦ ♦ ♦

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12.1. DESCOMPOSICION DEL PROBLEMA Implementando el método de descomposición funcional, procedemos a representar el problema como una caja negra, con energía y señales, actuando sobre el material. Figura 12.1. Representación de entradas y salidas

En la caja negra se representan las funciones generales del producto, como la entrada de energía, entradas de magnitudes físicas y las señales de control. A continuación, y como consecuencia de la caja negra procedemos a hacer sub-funciones, con las cuales lograremos trabajar de una mejor manera para desarrollar así soluciones optimas para el problema.

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12.2. DESCOMPOSICION FUNCIONAL Figura 12.2. Descomposición funcional

12.3. SUBPROBLEMAS CRITICOS Después de descomponer el problema en sub-funciones. Se escogieron las más críticas que son: • Convertir la variable física de nivel a una variable eléctrica. • Acondicionamiento de la señal eléctrica. • Visualizar la variable física en pantalla. • Obtener la salida analógica deseada. Se escogieron las anteriores sub-funciones como las más críticas debido a que son las que requieren mayor análisis y estudio para lograr el mejor desarrollo en la solución del problema.

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12.3.1. Convertir la variable física de nivel a una variable eléctrica. Se considera como la sub-función mas critica, ya que de esta depende todo lo demás, en esta sub-función esta inmersa la selección del sensor a utilizar. Esta parte del sistema es la que nos asegura el buen funcionamiento del producto a Desarrollar; a continuación se mostraran los posibles sensores para el desarrollo del producto: Para nuestro sistema es necesario un sensor de sólidos que mida de una manera continua: • Medidor de nivel de ultrasonidos. • Medidor de nivel por radar. • Medidor de nivel capacitivo. • Medidor de nivel mediante medición de peso. - Medidor de nivel de ultrasonidos. Consta de un medidor de ondas sonoras de alta frecuencia, de entre 20 y 40 kHz, que se propaga por la fase gas hasta que choca con el líquido o solidó, se refleja y alcanza el receptor situado en el mismo punto que el emisor. (Figura 12.3). Figura 12.3. Medidor de nivel por ultrasonido

El tiempo entre la emisión de la onda y la recepción del eco es inversamente proporcional al nivel. El tiempo depende de la temperatura, por lo que hay que compensar las medidas. Los sensores llevan incorporado un sensor de temperatura para realizar la corrección de la velocidad de propagación del sonido.

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Hay que evitar que existan obstáculos en el recorrido de las ondas, aunque algunos medidores compensan lo ecos fijos debidos al perfil de deposito. Este tipo de sensores son sensibles al estado de la superficie del líquido, por lo que hay que tener presente la posible existencia de espumas. Los sensores de ultrasonido están formados por unidades piezoeléctricas en donde una de ellas es el emisor y la otra el receptor de ondas de presión ultrasónicas. Para esto, la unidad emisora debe excitarse con una señal adecuada en amplitud y frecuencia. La unidad receptora transducira todas aquellas ondas de presión ultrasónicas con la frecuencia indicada anteriormente, que lleguen a excitarla. La señal suministrada por el receptor será de una frecuencia enviada pero en amplitud y fase variara dependiendo de la distancia y de los diferentes ecos recibidos. El método mas utilizado para la determinación de la distancia es, en lugar de excitar el sensor con una señal fija de 40 kHz, a este se envían trenes de pulsos con periodos muy cortos. El tiempo transcurrido entre el comienzo de la emisión y el comienzo de la recepción será proporcional a la distancia recorrida por las ondas de precisión ultrasónicas. (Figura 12.4).

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Figura 12.4. Generación de onda

Como los ecos deben recorrer mas distancia, estos serán recibidos por el receptor un periodo de tiempo después que las ondas directas, y no perturbaran a la hora de cuantificar las distancias. (Figura 12.5). Figura 12.5. Recepción de onda

Un error que se puede generar es que, al introducir la tensión umbral, el tiempo medido es superior al tiempo real. Este error es fácilmente corregible por medio del ajuste de offset, ya que es prácticamente fijo. El segundo error, que realmente limita la utilización practica del sensor es el producido por una señal residual inducido entre los cables de 40 kHz, que sumada

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a la señal decepcionada provoca la variación de la amplitud de la señal real, y en la comparación siguiente, varié el punto de determinación. Los montajes del sensor para medidas de tanque completo deben hacerse en cámaras con diámetros internos mínimos de 20,3 cm. Se recomienda evitar la presencia de bordes u obstrucciones que puedan interferir en la trayectoria de la señal ultrasónica ver figura 12.6

A la hora de situar el sensor, debe tenerse en cuenta la existencia de objetos así como la entrada del líquido al tanque. - Medidor de nivel por radar. Es un sistema con un principio de funcionamiento similar al de ultrasonidos. No necesita ningún contacto con el líquido, ni incorpora ningún elemento que se mueva, por lo que su aplicación es Ideal en productos muy viscosos (incluso asfaltos), y su aplicación es muy útil incluso en sistemas en movimiento como es el caso de barcos. El actual rango de medida comercial de estos aparatos es de hasta 40 mts., con una gran precisión, del orden de los 2 mm. El nivel del liquido (o del solidó) se mide mediante las señales de radar transmitidas desde la antena situada en la parte superior del tanque. Cuando la señal de radar se refleja en la superficie del líquido, la antena recoge el eco. Dado que la señal varía en frecuencia, el eco tiene una frecuencia ligeramente diferente a la de la señal transmitida en ese momento. La diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia del líquido, y se puede calcular con precisión. Este método se denomina de onda continua de frecuencia modulada (FMCW, por sus siglas en ingles), y se utiliza en todos los medidores por radar de alto rendimiento. (Figura 12.7).

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Figura 12.7. Medidor de nivel por radar

- Medidor de nivel capacitivo. Este sensor se basa en medir la variación de la capacitancia de un condensador cuando va variando el medio dieléctrico entre sus placas. Con el deposito metálico e introduciendo una sonda metálica sin contacto entre ambos, se forma un condensador, al variar el nivel del liquido varia proporcionalmente la capacitancia; Si el deposito no es metálico se introducen dos sondas. Su respuesta depende de las características del liquido; que este sea o no conductor, que sus efectos como la corrosión, puedan alterar la superficie de los electrodos o la presencia en el seno del liquido de burbujas de aire o vapor, que afectarían la constante dieléctrica provocando errores en la medida. Por todo ello es necesario realizar determinaciones de las características en el ambiente donde ha de utilizarse. La capacitancia depende del medio entre la sonda y la pared. Si el aire esta presente (tanque vacío), la capacitancia es baja. Tan pronto como el producto toque la punta de prueba, la capacitancia aumenta. (Figura 12.8).

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Figura 12.8. Medidor de nivel capacitivo

Este sensor es muy conveniente para la monitorización de nivel en materiales macizos, polvorientos y de grano fijo, por ejemplo: • Tiza, yeso • Cemento • Harina, leche en polvo • Alimento animal mezclado - Sensor de nivel mediante medición de peso. En este sistema la medición se realiza mediante la medición de peso del conjunto deposito-carga, mediante células de carga, sensores de presión o galgas extensiométricas. Posteriormente, conociendo la densidad del material, el peso del depósito y el volumen de este, se convierte el peso medido en nivel de sólido. Este es un método muy apropiado para depósitos que se usen siempre para el mismo material, y tiene la ventaja de que no le influyen los perfiles del depósito, granulometría o cualquier otro sistema. Su mayor desventaja es que se trata de un sistema de medición de nivel que tiene que ser instalado con anterioridad al depósito, lo que exige una planificación de la necesidad de medición. (Figura 12.9).

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Figura 12.9. Sensor de nivel por medición de peso

12.3.2. Acondicionamiento de la señal eléctrica. Esta etapa del proyecto se tratara con mayor profundidad mas adelante, después de haber hecho la selección del sensor ya que este es quien nos da la pauta para la etapa mencionada. De todas maneras a continuación se mostraran algunos aspectos generales sobre el acondicionamiento de señales. En una etapa de acondicionamiento podemos encontrar estas etapas, aunque no todas están siempre presentes: Amplificación. Excitación. Filtrado. Multiplexado. Aislamiento. Linealización.

- Amplificación. Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible, la señal de entrada debe ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer. - Excitación. La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplo las galgas extensiométricas, termistores o RTD, que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una característica variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de wheatstone). - Filtrado. El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la

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temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que elimina interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica. Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasobajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que si no se eliminan aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error. - Multiplexado. El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un solo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor esta midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. - Aislamiento. Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar el aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común. Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un “bucle de masa”, que puede devolver resultados erróneos. - Linealización. Muchos transductores, tales como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la Linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuiteria externa. 12.3.3. Visualizar la variable física en pantalla. Para llevar esta etapa del sistema a cabo es necesario hacer una conversión análoga-digital por esta razón se mencionaron algunas etapas en la parte del acondicionamiento de la señal, para dar solución a esta sub-función es necesario Seleccionar un dispositivo en el cual se desarrollara la interfaz para el usuario, a continuación se mostraran las opciones a tener en cuenta:

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• Computador • LCD (display de cristal liquido) • Conjunto de display de 7 segmentos 12.3.4. Obtener salida analógica deseada. es importante mencionar que el desarrollo de este proyecto no incluye ningún tipo de control para la Extracción de arenas en el tanque desarenador, con este proyecto se pretende poder monitorear el estado del tanque mencionado, de todas maneras una de la necesidades del cliente era tener una salida de 4-20 mA para poder ejercer control mas adelante, si esa es la intención; recordemos que para llevar a cabo control sobre alguna planta este se puede hacer en lazo abierto (sin retroalimentación) o en lazo cerrado (con retroalimentación), la intención del cliente es llevar a cabo un control en lazo cerrado para lo cual necesita obligatoriamente la salida de un sensor por tal razón es tan importante para el cliente la obtención de esta salida analógica que nos indique el estado de la planta. Mas adelante hablaremos detalladamente como se realizara esta fase del proyecto.

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13. SELECCIÓN DEL SENSOR En el capitulo anterior se dio a conocer el ambiente de los desarenadores en el cual estará expuesto el sensor a utilizar, recordemos que a un desarenador llegan las aguas negras y con ellas arena, vidrio, piedras pequeñas, desechos orgánicos y muchos mas componentes de mas o menos igual tamaño que los anteriores, todos estos componentes son los que constituyen el lecho de arena que se llama así porque la mayor cantidad de este es arena; debido a esto es importante mencionar que el sensor a utilizar debe ser o seria mucho mejor que no tuviera partes móviles porque se podrían obstruir debido a tanto grano, cabe mencionar también que actualmente la PTAR-C cuenta con un sensor de ultrasonido para un tanque espesador donde llega el lodo que sale de los sedimentadotes y de allí su destino es el área de deshidratación para posteriormente su disposición final; el sensor de ultrasonido que esta instalado en el tanque espesador mide el nivel del lodo que esta por debajo de la fase de agua, este sensor no ha trabajado como se esperaba, su salida en muchas ocasiones no corresponde al nivel de lodo que tiene el tanque, esto se debe a que cuando la onda sonora que envía el transmisor choca y se devuelve, no precisamente choca con el nivel de lodo sino que en su camino se puede encontrar con cualquier elemento que esta suponga como lodo como por ejemplo un palo de madera, algún empaque etc. Por esta razón no se va a optar por usar un sensor de ultrasonido ya que en los desarenadores se podría presentar el mismo problema y aun con mayor frecuencia ya que estos corresponden a un proceso anterior a los sedimentadores y por ende la onda sonora puede encontrar muchos mas obstáculos. Por otra parte hay que recordar que los desarenadores ya están construidos lo que dificulta usar un sensor de medición de peso, además el ambiente es muy hostil para este tipo de sensor e implicaría un mantenimiento con mayor frecuencia. Como también se deben analizar los costos del sensor estos se nos elevarían mucho si utilizáramos un sensor de medición por radar, además con este podríamos llegar a tener el mismo problema que con el sensor ultrasónico, por todas las razones anteriores hemos decidido empezar el diseño del sistema sensor de nivel del lecho de Arena con un sensor capacitivo ya que no contiene partes móviles, es de fácil instalación, su mantenimiento no debe hacerse con mucha frecuencia además este Sensor es muy conveniente para la monitorización de nivel en materiales macizos, polvorientos y de grano.

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Tabla 13.1. Comparación de sensores, 5 es bueno, 0 es malo Sensor instalación costo mantenimiento Posible

funcionamiento ultrasonido 3 alto 4 2 Medición por radar

3 alto 4 4

Capacitivo 5 bajo 4 4 Medición de peso

1 medio 2 3

13.1. SENSORES CAPACITIVOS Los sensores capacitivos miden electrónicamente la capacitancia entre dos o más conductores en un ambiente dieléctrico, usualmente aire o liquido. Una técnica similar es medir el campo eléctrico, donde el voltaje electroestático del campo producido por conductores en un ambiente dieléctrico es tomado por una sonda y un amplificador de alta impedancia de entrada. Una señal de alta frecuencia es normalmente usada como excitación, como la impedancia reactiva de pequeñas laminas en el aire puede ser de cientos de mega ohmios, las señales de excitación de frecuencias de 100 kHz o mas reducen la impedancia a un rango de kilo ohmios para un manejo mas fácil. Algunos sistemas usan el ambiente como la trayectoria de retorno para corrientes capacitivas; una persona, por ejemplo es acoplada capacitivamente a un edificio o a la tierra con varios cientos de pF. Mas a menudo, la trayectoria de retorno es alambre. 13.1.1. Calculo de la capacitancia de cilindros paralelos. Para cilindros de largo L metros y radio a metros separados por b metros, como indica la figura 13.1, la capacitancia en faradios es:

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Figura 13.1. Capacitancia de cilindros paralelos

13.1.2. Limites de precisión. Algunos factores que deben ser tenidos en cuenta para desarrollar o implementar un sensor capacitivo son los siguientes: - Ruido. Un límite de medición de precisión en un sensor capacitivo puede ser el número de partículas de carga asociadas con la capacitancia. Si una prueba de voltaje de 1 V es aplicada a un disco de 1 cm., la capacitancia de 0.354 pF. Acumula una carga Q=CV de 0.354 * 10E-12 C. Con 6.242 * 10E18 electrones/C, nosotros tenemos 2.27 * 10E6 electrones en el disco. En sistemas donde la carga es cuantizada fraccionalmente (precisión de varias partes por millón) no es permitido un electrodo aislado. Ciertamente la cuantización de la carga de electrones no es un problema de la mayoría de los sistemas, y para cargas fraccionales son usualmente permitidos electrodos que son completamente flotantes. Otro límite es la entrada de corriente de ruido del circuito amplificador. Con las altas impedancias de sensores capacitivos, la corriente de ruido es usualmente más importante que el voltaje de ruido. Con una señal de excitación de 10 V p-p AC a 100 kHz, la reactancia de 0.354 pF. Es 45 kΩ y la señal de corriente es 10 V/45 kΩ que quiere decir 2 µA. Amplificadores bipolares con entrada de corriente de ruido de 1 pA en un ancho de banda de 1 Hz podría generar 100 pA y un ancho de banda de 10 kHz llevando a cabo la degradación de la señal en una razón de 4000:1. Pero amplificadores operacionales de entradas tipo FET están disponibles con corriente de Ruido menores que un femtoamp (10E-15 A) en 1 Hz, de esta manera la razón de la señal de ruido medida en un estrecho ancho de banda de 1 Hz puede ser mas grande que 20 * 10E9. Aparentemente la corriente de ruido no es un factor limitante excepto por una muy pequeña capacitancia reactiva o un gran ancho de banda.

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Actualmente la resolución puede ser de varios órdenes de magnitud peores que este, dependiendo del diseño del circuito; pequeños efectos de ruido, Exceden ruido en las uniones de los semiconductores, y ruido térmico en resistencias pueden amplificar la corriente de ruido. - Estabilidad ambiental. La estabilidad ambiental de capacitores con dieléctrico aire es realmente buena. La constante dieléctrica del aire seco a 0 ° C y 760 mm de presión es 1.000590, y de agua en estado gaseoso a 110 ° C es 1.00785; así se puede apreciar que los efectos de la temperatura y la humedad son mínimos; de todas maneras la medición de la capacitancia se dificulta para hacerse con precisión, pues deben ser consideradas perdidas de capacitancia; ser demasiado cuidadoso con la conexión a tierra y además una buena protección, por ende si se esta bien protegido contra las perdidas de capacitancia, la variación de esta debido a la constante dieléctrica y a los limites del campo puede usualmente ser ignorada. - Estabilidad mecánica. La estabilidad mecánica o la estructura de soporte puede ser una en ciertas ocasiones una gran preocupación. La estabilidad estructural para espacios de µm. Es crítica como por ejemplo para los sistemas de variación de micrómetros, pero para sistemas de variación de área o sistemas cuidadosamente diseñados referidos a capacitores, Puentes amplificadores, y diseño de circuitos de insensibilidad al espaciamiento, la estabilidad estructural no es un problema. - Estabilidad eléctrica. Con circuitos medidores de ratas, la salida es sensible solo a la razón de capacitancias. Por esta razón no se necesitan componentes muy precisos y un correcto diseño del circuito cancela los efectos de la variación de la fuente de poder y la variación de componentes. 13.1.3. Prueba del sensor elegido. Hay que recordar que un desarenador tiene básicamente una mezcla heterogénea de dos fases que son la fase de agua y el lecho de arena, es importante mencionar que la suma del nivel de las dos fases es siempre el mismo. (Figura 13.2).

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Figura 13.2. Mezcla en el interior de un desarenador

Como el lecho de arena no tiene una distribución uniforme en la cámara de succión del tanque desarenador, se decidió optar por medir en dos puntos y así tomar un promedio de las dos señales para obtener la salida, esto aumentara el numero de Electrodos a usar o lo que es igual el número de capacitores formados en un desarenador; la prueba realizada consiste en (resultados en grafica 13.4) ir depositando agua y arena de los desarenadores para ir midiendo la capacitancia formada entre los dos Electrodos puestos en el recipiente. La suma del nivel de arena y el nivel de agua debe ser siempre el mismo, ya que en el desarenador el nivel total siempre mantiene constante (Resultados en grafica 13.4). En un recipiente cilíndrico con las siguientes medidas (figura 13.3): H=0.335m D=0.290m Nivel de agua=0.250m Nivel de lecho de arena=0.050m Capacitancia=318 uF Nivel de agua=0.200m Nivel de lecho de arena=0.100m Capacitancia=420 uF Nivel de agua=0.150m Nivel de lecho de arena=0.150m Capacitancia=526 uF

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Nivel de agua=0.100m Nivel de lecho de arena=0.200m Capacitancia=616 uF Figura 13.3. Recipiente de prueba

Figura 13.4. Resultados de la prueba de capacitancia

Prueba de capacitancia

50, 318

100, 420

150, 526

200, 616

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250

Nivel de lecho de arena (mm.)

Cap

acita

ncia

(uF

.)

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Después de analizar esta prueba podemos decir que fue todo un éxito ya que aparte de que la capacitancia vario considerablemente cuando el nivel del lecho de arena aumento también podemos decir que vario linealmente. 13.2. CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Los circuitos de conversión de la variable del sensor capacitivo a una señal de salida deberían tener las siguientes características: • Buena linealidad • Componentes para aislar la entrada de perdidas en el campo eléctrico • Insensibilidad a perder capacitancias a tierra en los electrodos del sensor • Bajo ruido • Adecuar el ancho de banda de la señal • Correcta elección de la frecuencia portadora y de la forma de onda

13.2.1. Linealidad. Los sensores capacitivos pueden tener cualquier variación de área, con láminas deslizándose transversalmente sin cambiar el espacio entre ellas o por otra parte solo con cambios entre su espacio etc. Si se observa la formula del calculo de la capacitancia para laminas paralelas

Y la ecuación de impedancia capacitiva

Se puede ver que en sensores con variación de área la capacitancia varía proporcionalmente con el área pero la impedancia no, de igual manera los sensores con variación del espacio entre placas, la impedancia es lineal con el

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Espaciado pero la capacitancia no. Se debe diseñar un correcto circuito para linealizar cualquier tipo de variación. 13.2.2 . Midiendo capacitancia. A continuación veremos posibles circuitos para medir variaciones de capacitancia los cuales se estudiaran para obtener el que nos brinde un mejor desempeño - Comparación de circuitos. La elección de un circuito para un sensor capacitivo (tabla 13.3) debe considerar el requerimiento de exactitud, el costo, el espacio disponible y el ruido del ambiente entre otros. Por un lado solo unos pocos componentes pueden manejar medidas de capacitancia con circuitos DC, pero a un costo considerable de sensibilidad al ruido y a la deriva. Para aplicaciones que necesiten mas precisión en un ambiente donde se presente un alto ruido, un circuito con puente de sincronización es excelente.

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Tabla 13.2. Comparación de circuitos que miden capacitancia, 0 es bueno, 5 es malo Circuito

Función

Sensible A perdidas Capacitivas

Sensibilidad Al ruido

Necesidad De ADC

Filtro Pasabanda disponible

tamaño

Invariante Al ambiente

DC Volt = 1/C

Si 5 No no o 5

RC oscillator 1-shot

freq = 1/RC periodo= RC

Si 5 No no 1 5

IC oscillator (current- capacitance)

freq = 1/RC periodo= RC

Si 3 No no 2 5

LC oscillator

freq =

LC

1

si 2 No si 3 0

Sync., single ended

Volt = C1-C2 o C1/C2

No 1 Si si 4 1

Sync., bridge

Volt = C1-C2 o 1/C1-C2

No 0 Si si 5 0

Los diferentes circuitos de medición de capacitancia se analizaran por siete características. - Función. Para osciladores RC de libre funcionamiento, la frecuencia de salida en radianes/segundo es proporcionalmente a 1/RC. El periodo de salida es RC. Con

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Un oscilador RC de un solo disparo el tiempo de encendido varía directamente con la capacitancia. Los dos circuitos demoduladores sincronizados pueden tener diferentes funciones dependiendo de cómo la entrada es conectada al amplificador; para circuitos single-ended la salida de voltaje es una función de un capacitor de referencia C1 y un capacitor sensor C2. Para demoduladores sincronizados que usan puente, la salida de voltaje es proporcional a C1-C2 o (C1-C2) / (C1+C2). En algunos casos la función apropiada Debería ser elegida analizando la linealización del circuito teniendo en cuenta su principio de variación de capacitancia. - Sensibilidad a pérdidas de capacitancia. Los electrodos del sensor pueden llevar señales en el rango de los pF., cuando los electrodos son muy largos la señal se puede perder completamente. Con una correcta protección, sin embargo las pérdidas de capacitancia pueden quedar totalmente anuladas. Esta protección se agrega fácil cuando se trabaja con demoduladores sincronizados, es más complicado cuando se trabaja con circuitos osciladores. - Sensibilidad al ruido. Un riesgo de los circuitos osciladores es que la frecuencia cambia si el capacitor recoge capacitancias acopladas que se cruzan en circuitos cercanos. La sensibilidad de un oscilador RC al acoplamiento es baja al inicio del ciclo pero alta al final del mismo. Por esta razón en este tiempo de variación se puede llegar a generar una señal alias. Este problema puede ser manejado o acabado con filtros antialiasing; también es necesario desacoplar la fuente de poder. - Necesidad de ADC o DAC. La frecuencia es fácilmente convertida a un numero digital contando pulsos en un determinado periodo de tiempo, de esta manera no es necesario un ADC. Pero para demoduladores sincronizados se requiere un ADC para convertir la señal de voltaje a una palabra digital, de la misma manera cuando se requiere una salida análoga como es el caso que se presenta en la PTAR también cabe la posibilidad de usar un conversor digital-análogo; de todas maneras la integración de un ADC o un DAC en un circuito de acondicionamiento de la señal es relativamente fácil.

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Figura 13.5. a) Conversión análoga-digital; b) Conversión digital-análoga

Sin embargo para la selección de estos componentes se deben mirar los siguientes aspectos entre otros: Resolución. Tiempo de conversión. Filtro antialiasing. Circuito sample and hold (S/H). Rango de entrada.

- Resolución (Rad.): Mínimo valor de la señal de entrada para la cual el conversor producirá un código de salida. Determinada por el número de bits del conversor (n) y referido generalmente a plena escala (Vpe).

- Tiempo de conversión (Tc): tiempo requerido para la conversión de la señal de entrada, desde que se da la orden de inicio hasta que se obtiene la señal de fin de la conversión.

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Donde Fax es la frecuencia máxima a la que se puede muestrear sin aliasing. - Filtro antialiasing. Algo sobre muestreo de señales Figura 13.6. Muestreo de señales

El proceso de muestreo es mediante el cual se discretiza una señal análoga, de esta manera nuestra señal discretizada será un conjunto de impulsos que varían en amplitud dependiendo de la señal original (análoga). - Selección de la señal de muestreo. Es un proceso muy importante ya que de este depende gran parte del desarrollo

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Figura 13.7. Selección de la señal de muestreo

Cuando una señal es muestreada 6 veces (fig. arriba) o 3 veces (fig. abajo) por ciclo se puede reconstruir la frecuencia de la señal original. - Efecto de solapamiento (aliasing). En la figura 13.8 podemos observar de una mejor manera el efecto de solapamiento Figura 13.8. Aliasing

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Cuando la señal es muestreada 5 veces en 4 ciclos (5/4=1.25 veces por ciclo) la frecuencia de la señal reconstruida seria mucho menor a la original. Se produce entonces el efecto de solapamiento (aliasing). Figura 13.9. Espectro de señales (Espectro de la señal muestreada)

Muestrear significa multiplicar matemáticamente la señal temporal continua x(t) por un tren de impulsos s(t) (señal de muestreo) con frecuencia Fs. Esto genera nuevas componentes de alta frecuencia en el espectro de la señal muestreada. - Necesidad del filtro antialiasing. Como se vio anteriormente al muestrear la señal aparecen componentes de mucha mayor frecuencia. La frecuencia de muestreo Fs debe ser igual o mayor al doble de la frecuencia del espectro de la señal muestreada para evitar el efecto de frecuencia alias (aliasing). Frecuencia de Nyquist (Fn): mayor frecuencia que se puede muestrear sin aliasing. Fn = Fs / 2. Con un filtro antialising podemos limitar los componentes de mayor frecuencia que no nos interesen para evitar la corrupción de la señal. - Selección del circuito S/H: su necesidad se determina por el tiempo de apertura requerido. Casi todas las señales muestreadas lo necesitaran pero muchas veces viene incluido dentro del conversor.

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Figura 13.10. Circuitos Sample and Hold

- Rango de entrada: el rango de valores para el cual el conversor procesa la señal de manera satisfactoria. - Filtros pasabanda disponibles. El ruido puede ser sustancialmente reducido por los demoduladores sincronizados agregando un filtro pasabanda sintonizado con la frecuencia de excitación, esta opción no es valida para osciladores RC y IC, lo cual sugiere que para aplicaciones muy sensibles no es recomendable usar circuitos osciladores. - Tamaño del circuito. Los demoduladores sincronizados tienen más componentes que los circuitos osciladores. Esta es una ventaja considerable para los circuitos osciladores ya que a la hora de realizar la board el costo será menor, sin embargo métodos de capacitores switcheados integran fácilmente un demodulador sincronizado en un área de 2mm. - Invariante al ambiente. En una aplicación donde el circuito pueda ser expuesto a contaminantes o excesiva humedad, parches o remiendos resistivos en la board pueden afectar la correcta operación del circuito. Un correcto escudo (apantallamiento) puede manejar este problema para cancelar el efecto de pérdida o desvió de la capacitancia.

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- DC directo. Es el más simple circuito detector. Con un amplificador de alta impedancia, la capacitancia puede ser medida como diferentes voltajes DC, simplemente cargando el capacitor para ser medido y conectándolo a la entrada del amplificador. Como la carga es casi constante entonces el voltaje a la salida será V=Q/C donde Q es la carga y C la capacitancia. La constante de tiempo RC donde R es la entrada resistiva del amplificador y C la capacitancia, debe ser más grande que el periodo de medición de lo contrario se generara pérdidas de baja frecuencia. Los circuitos DC deben tener su entrada resistiva de un valor alto. Ver Figura 13.11 Figura 13.11. Circuito DC para capacitancia

Cuando C varía a una frecuencia por encima de 1/RC

Donde Q es la carga en el capacitor C y Cavg es la capacitancia de C sin desplazamiento

- Oscilador. El circuito DC directo visto anteriormente no puede manejar variaciones de capacitancias lentas sin el uso de un amplificador de alta impedancia de entrada. Con un capacitor de 10 pF, medidas de voltaje en el rango de los milivoltios y frecuencias de 1 Hz se requiere un amplificador con corriente de offset en el rango de los 0.01 pA, también midiendo con un circuito DC se introducirán disturbios no deseados por el sistema. Los circuitos preferidos son los que usan una alta frecuencia de excitación, por ejemplo, la impedancia reactiva de un capacitor desconocido puede ser medida Usando un elemento de sintonización como un oscilador. Existen varios tipos de osciladores los cuales pueden ser escogidos mirando sus pro y sus contra, con un oscilador RC, la frecuencia es

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proporcional a 1/RC, pero con un oscilador LC la frecuencia es proporcional a 1/((LC)EXP(0.5)) y se dificulta mas para su Linealización. Ver figura 13.12 Figura 13.12 . Circuito oscilador

El NE555 (también el LM555, CA555 y MC1555) es el circuito integrado de temporización mas comúnmente usado. Este circuito puede funcionar en dos modos: monoestable (un estado estable) o astable (sin estados estables). En modo monoestable produce retardos de tiempo muy precisos que van desde microsegundos a horas. En modo astable produce señales rectangulares con ciclos de trabajo variables. - Funcionamiento en monoestable. Inicialmente el temporizador 555 tiene una tensión de salida baja en la cual puede permanecer indefinidamente. Cuando el temporizador 555 recibe un disparo en un punto A de tiempo, la tensión de salida cambia de baja a alta. Permanecerá así durante un tiempo W antes de regresar de nuevo al nivel bajo. La salida se mantiene en nivel bajo hasta que aparece un nuevo disparo. Un multivibrador es un circuito con dos estados que tiene cero, uno o dos estados de salida astables. Cuando se usa el temporizador 555 en modo monoestable, se le conoce también como multivibrador monoestable, dado que tiene un único estado Estable. Es astable cuando permanece en nivel bajo hasta que recibe un disparo, que provocara que la salida cambie temporalmente a nivel alto. El nivel alto, sin embargo no es estable ya que la salida retorna a nivel bajo transcurrido el tiempo que dura el pulso. Cuando el temporizador 555 funciona en modo monoestable, se le denomina a Menudo multivibrador de disparo único debido a que produce un único pulso por cada disparo. La duración de estos pulsos de

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Salida puede controlarse con precisión con una resistencia y un condensador externos. El temporizador 555 es un circuito integrado de 8 pines. La figura 13.13 muestra cuatro de estos pines. El pin 1 esta conectado a tierra y el pin 8 a una fuente de tensión positiva. El temporizador 555 puede funcionar con cualquier fuente de alimentación entre +4.5 y +18 V. el disparo entra por el pin 2, y la Salida corresponde al pin 3. Los otros pines, no mostrados están conectados a componentes externos que determinaran la anchura del pulso de salida. Figura 13.13. Diagrama básico del 555

- Funcionamiento en astable. El temporizador 555 también puede ser conectado para funcionar como un multivibrador astable. Cuando se usa con esta configuración no posee ningún estado estable en el cual pueda permanecer indefinidamente. Dicho de otra manera, cuando funciona en modo astable oscilara produciendo un pulso rectangular de salida. La figura 13.14 muestra un temporizador 555 funcionando en modo astable. Como se observa, la salida es una serie de pulsos rectangulares. Como no es necesaria una señal de disparo para conseguir esta salida, este modo de funcionamiento es denominado también multivibrador de oscilación libre.

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Figura 13.14. Multivibrador astable

La salida es convertida a un valor digital usando un contador de frecuencia o un contador de intervalos de tiempo con buena exactitud, generalmente un cristal controlado, tiempo base. Un contador de frecuencia es apropiado para linealizar variaciones de espaciado y un tiempo de intervalo es correcto para sensores con variaciones de área. - Protección de un oscilador RC. La no protección de un circuito oscilador RC puede tener problemas con la perdida o desviación de capacitancia y resistencia agregada en el nodo de sensado. La adición de un amplificador operacional de entrada FET como muestra la figura 13.15 produce una baja impedancia en el voltaje protegido por decirlo de alguna manera. - Circuito de puente con oscilador RC. La ventaja de usar un circuito puente es que se obtiene una medición más exacta si se tiene más de un capacitor de sensado. El circuito oscilador no acepta directamente entradas del puente, pero el circuito oscilador puede ser configurado por un ratiometric respuesta como muestra la figura 13.16

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Figura 13.15. Oscilador RC protegido

Figura 13.16. Circuito puente con oscilador RC

Este circuito muestra un oscilador RC con la salida del amplificador retroalimentada. La frecuencia es proporcional a RC. La salida del amplificador es multiplicada por una constante x la cual varia linealmente entre 0 y 1 dependiendo de los electrodos de sensado, de esta manera retroalimenta con la entrada positiva, lo cual quiere decir que Vf=xVo. Con la retroalimentación positiva, la salida del amplificador será switcheada ya sea a +Vp o a –Vp. La salida del amplificador debería ser rail to rail para una mejor exactitud, y una resistencia de alto valor o un switch usado en la entrada positiva del amplificador para llevar el

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nivel de DC a punto. La entrada negativa del amplificador Oscila entonces de +xVp a –xVp con una constante de tiempo RC y un periodo de oscilación T que es: ecuación 13.7

El circuito es razonablemente lineal para x<<1 y adicionalmente puede ser linealizado remplazando la resistencia con una fuente de corriente de I amperios, la ecuación entonces seria ecuación 13.8

- Demodulador sincronizado. En el método mas flexible y exacto de medición de capacitancias lo primero que se hace es aplicar una señal de alta frecuencia en el rango de los 10kHz – 1MHz a través de una impedancia conocida a el capacitor bajo prueba, luego amplificar la señal y aplicarla al demodulador sincronizado. Varias variaciones de el amplificador son disponibles las cuales pueden medir apropiadamente cualquier capacitancia o impedancia proporcional a 1/C para producir una salida lineal y también pueden ser usados varios circuitos de entrada tales como un puente o un single-ended. Con una frecuencia alta de excitación no se necesitan los amplificadores de alta impedancia a la entrada, debido a que la impedancia capacitiva es bastante baja. Los escudos o protecciones son más fáciles de implementar en demoduladores sincronizados que en circuitos osciladores, y un filtro pasabanda es fácilmente agregado para limitar el ruido del ancho de banda si se necesita. El circuito de la figura 13.17 muestra una completa señal de demodulador, con ambos ciclos incluidos, positivos y negativos contribuyendo al nivel de salida de DC. Se puede linealizar la variación de capacitancia o de impedancia dependiendo de la configuración del amplificador.

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Figura 13.17. Circuito demodulador sincronizado

13.2.3. Amplificadores. Con la preferencia de demoduladores sincronizados, el circuito amplificador es escogido para producir una señal lineal dada la configuración del sensor, para permitir un adecuado apantallamiento y protección y para reducir el efecto de la perdida de capacitancia, a continuación se muestran algunos ejemplos: - Amplificador High-Z. El amplificador de alta impedancia de entrada usa una ganancia de valor 1 en la retroalimentación negativa como muestra la figura 13.18 Figura 13.18. C ircuito high-Z

Con una fuente de corriente continua, este circuito produce una salida proporcional a la impedancia del sensor C. la entrada es usualmente protegida por un apantallamiento conectado a la salida; sin protección, una perdida de capacitancia de solo unos pocos pF. Será generada. Esta perdida de capacitancia será casi completamente anulada con una buena protección. - Amplificador Low-Z. La baja impedancia de entrada, o la tierra virtual del amplificador (figura 13.19), tendrá una impedancia de entrada inversamente proporcional a la ganancia del amplificador siendo retroalimentada la impedancia. Esta conexión tiene similares características de ruido, pero posee un mejor desempeño en voltajes pequeños además puede ser protegido usando un apantallamiento conectado a tierra o flotante. La salida es proporcional a C1/C2 o

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Zc2/Zc1 y puede ser usado para linealizar variaciones de área o espaciamiento usando los sensores C1 o C2 Figura 13.19. C ircuito Low-Z

- Amplificador de retroalimentación. Ver figura 13.20 Figura 13.20. C ircuito de retroalimentación

Este circuito tiene una salida proporcional a C1-C2 lo cual quiere decir que la salida es lineal para sensores con variación de área. La entrada es protegida a tierra. Este amplificador es particularmente bueno a la hora de eliminar efectos de perdida de capacitancia; por otra parte si nosotros asumimos que tenemos un acoplamiento capacitivo formado por los electrodos de sensado entonces se forma un pequeño capacitor C3. El circuito puede tener las siguientes variaciones (figura 13.21)

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Figura 13.21. Circuito de retroalimentación con desviaciones capacitivas

Cs1, Cs2, y Cs6 son normalmente pequeños con respecto a la salida de baja impedancia del amplificador. El circuito e Cs3, C3, y Cs4 atenuara la señal. Cs5 afectara directamente la ganancia y debe ser minimizado, esto puede ser manejado fácilmente con dos fases de amplificación. El circuito de retroalimentación tiene 2 importantes ventajas sobre los otros vistos: • Insensible a perder capacitancia. • Potencialmente protegido a tierra.

Cabe decir también que los amplificadores realimentados con demoduladores sincronizados tienen el mejor desempeño y son recomendados para aplicaciones de alta precisión. - Restauración de DC. Los circuitos de las figuras 13.17, 13.18, 13.19 y 13.20 no trabajan por mucho tiempo debido a que la corriente de bias en la entrada del amplificador causa a la salida Tendencia a alcanzar el nivel de la fuente de alimentación. Este problema puede ser manejado con una impedancia de alto valor a través de la entrada del amplificador, o a través del capacitor de retroalimentación para amplificadores invertidos, algunas opciones son: • Una resistencia de alto valor, 100 M o más. • Una resistencia de 1 M en configuración T • FET de alta impedancia • FET de switcheo, momentáneamente cerrado en el momento en que la medición no se ve afectada.

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13.2.4. Circuitos single-ended. La medición de capacitancia con un circuito single-ended usa un capacitor discreto, como por ejemplo una película de componente dieléctrico, como una referencia para estabilizar las propiedades del capacitor bajo prueba. Un posible circuito es mostrado en la figura 13.17 donde la corriente AC de la fuente es la referencia. Otro, mostrado en la figura 13.18, usa un amplificador de baja impedancia y un capacitor acomodado Como una referencia. Si la variación es de área el capacitor variable debe ser C1 para garantizar la linealidad pero si la variación es de espacio entonces el capacitor variable debe ser C2 para garantizar la linealidad. El uso de un capacitor como elemento de retroalimentación mejora el desempeño del circuito. 13.2.5. Circuitos con puentes. La ventaja de usar un circuito puente es que produce una mayor estabilidad en el tiempo de respuesta si la capacitancia que se esta midiendo depende de un par de sensores. - Puente de Wheatstone. El circuito estándar del puente de wheatstone mostrado en la figura 13.22 es usado a menudo para instrumentación de bajo ruido. Figura 13.22. Puente de resistencias

Si el puente esta balanceado, R1/R2=R3/R4 y la salida es cero. De esta manera un amplificador de ganancia grande puede ser usado para amplificar pequeñas diferencias en una o ambas partes del puente. La ventaja del puente es que se pueden usar componentes idénticos para R1-R2 y R3-R4 por consiguiente una tendencia térmica por ejemplo no tiende a afectar el balance del puente. - Puente de capacitores. Existen varias configuraciones para un puente de capacitancias. A continuación se muestra uno que es bastante útil (figura 13.23).

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Figura 13.23. Puente de capacitores

El amplificador debería tener una ganancia alta para que la ecuación funcione de manera correcta. Algunas perdidas de capacitancia por tierra en la entrada del amplificador no afectan la salida de voltaje, pero reduce la ganancia disponible del amplificador para altas frecuencias. C1 y C2 deberían ser de construcción idéntica para que el balance del puente sea estable. Este circuito es uno de los preferidos por los diseñadores de sensores capacitivos. - Puentes vs. Circuitos Single-ended. El circuito de puente es esencial para circuitos sensibles que necesiten amplificar una pequeña diferencia de capacitancia, además su salida es mas estable cuando se presentan variaciones en la fuente de alimentación u otros componentes que un circuito single-ended, por otra parte es mejor un puente de capacitancias si la necesidad es trabajar con un alto rango de linealidad, en resumen el puente de capacitancias tiene un mejor desempeño que circuitos single-ended. 13.2.6 Excitación. Un voltaje de excitación se utiliza para obtener un mejor desempeño del circuito cuando se esta en presencia de fuentes muy ruidosas. Por otra parte como veremos mas adelante, es necesario cuando las capacitancias generadas son muy bajas. - Onda seno. La excitación con onda seno es útil para sistemas con necesidad de alta frecuencia, por ejemplo sistemas con medidas muy bajas de capacitancia. Además son preferidas para circuitos que necesiten alta exactitud. La excitación con onda seno es esencial para circuitos de puentes de alta ganancia. El problema es generar una onda seno exacta, aparte de esto para la demodulacion de una

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Onda seno se necesitan multiplicadores análogos y otros componentes mas caros y menos exactos comparados con los que se usan con una onda cuadrada. - Onda cuadrada. La demodulacion de una onda cuadrada se hace generalmente con switches CMOS y amplificadores operacionales, esto implica que salida de voltaje tiene una muy buena precisión, satisface de una mejor manera los sistemas de baja ganancia. 13.2.7 Filtrado. Como se vio anteriormente, gracias al filtrado podemos obtener la señal que realmente queremos. - Filtro pasobajo. El circuito de la figura 13.17 incluye un filtro paso bajo para quitar componentes en la demodulacion. La necesidad de este filtro puede ser vista por el espectro de las señales (figura 13.24) con una onda seno de excitación a 20 kHz y una señal de DC de 5 V Figura 13.24. Espectro de la señal

El filtro pasobajo quita los componentes armónicos y ruido de alta frecuencia, además desecha señales de interferencia.

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- Filtro pasabanda. Para estar mas seguro de procesar una señal limpia se puede agregar un filtro pasabanda antes del amplificador. El amplificador especialmente si es de alta ganancia puede generar falsos niveles de salida, o en casos extremos se puede llegar a saturar. Estos efectos son aliviados con un filtro pasabanda.

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14. DESCRIPCION DEL DISEÑO El sistema sensor de nivel de lecho de arena desarrollado para la planta PTAR-C funciona bajo el método de calcular la capacitancia entre dos electrodos los cuales están separados por un dieléctrico que en el caso de los desarenadores realmente son dos dieléctricos, el agua y el lecho de arena. Como el nivel del lecho de arena dentro de la cámara de succión del tanque desarenador no es uniforme, se decidió medir en dos puntos para obtener una medida mas acertada, esto quiere decir que el sistema sensor realizado tiene dos entradas, los electrodos en el tanque desarenador estarán situados estratégicamente en los puntos mas críticos para obtener un mejor control posterior. Este sistema no calcula la capacitancia por medio de los métodos anteriormente mostrados, aunque si recoge ideas o principios de algunos, lo que se hace es calcular el tiempo de carga de los condensadores formados en el interior del tanque. Cabe decir que todo el sistema sensor es controlado por un microcontrolador PIC 16f877a que se decidió escoger básicamente por el numero de puertos de entrada y salida que este nos ofrece. Además al incorporar un microcontrolador en el diseño aumentan sustancialmente las prestaciones, se reduce el tamaño, el costo, mejora la fiabilidad y disminuye el consumo. El sistema sensor de nivel de lecho de arena cuenta con cuatro salidas que son: 0 a 5v. 4-20mA 0 a 10v Una salida que indica cuando el lazo de corriente esta abierto (0-1). Además de la salida visual que es indicada por un LCD, el cual nos muestra el nivel en centímetros del lecho de arena en cada uno de los puntos medidos independientemente y el promedio. El sistema sensor de nivel tiene un menú de configuración en el cual se puede escoger cual de los dos puntos de medición usar para las salidas, o los dos si es necesario (en este caso la salida será el promedio) y el rango de la salida; este menú es accedido por medio de tres botones que se encuentran al lado del LCD y un cuarto botón que es una parada de funcionamiento del sensor, que también sirve para desbloquear si esto llegara a suceder. Es importante mencionar que para los desarenadores de la planta PTAR los rangos de trabajo ya están establecidos:

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• 0 a 50. • 0 a 100. • 0 a 150. • 0 a 200. • 0 a 250. • 0 a 300. • 0 a 350. • 0 a 400 cm. Esto es de gran utilidad y es uno de los puntos mas relevantes debido a la gran flexibilidad que puede llegar a ofrecer para reducir averías en las bombas eyectoras, ya que los 20mA se pueden tener tanto a 50 como a 400 cm. del nivel de lecho de arena según la configuración realizada. Lo anteriormente mencionado no quiere decir que este sistema sensor de nivel solo funcione en estos rangos, este desarrollo puede ser instalado en cualquier tanque, eso si con la limitante de que la máxima capacitancia de trabajo es de 25.000 uF. Y con los rangos que el cliente desee. El voltaje de alimentación necesario para el sistema es un voltaje dual de +15 y -15v. 14.1. HARDWARE Como se menciono anteriormente el sistema sensor de nivel calcula el tiempo de carga de los condensadores formados en el interior del tanque para luego procesarlo. Para garantizar la linealidad del sistema fue necesario implementar una fuente de corriente y así los condensadores se cargaran siempre a la misma rata. Ver figura 14.1

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Figura 14.1. Fuente de corriente controlada por voltaje

La anterior figura nos muestra una fuente de corriente controlada por voltaje la cual fue implementada para el sistema sensor de nivel. Como las corrientes de colector y emisor del transistor son casi iguales, la corriente a través de R es aproximadamente igual a la corriente por la carga; y la tensión en los extremos de R es igual a Vcc menos Vin. En consecuencia la corriente por R es igual a:

A continuación se muestran las ecuaciones para la máxima tensión en la carga y para la máxima resistencia de carga respectivamente:

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Ahora que podemos asegurar la linealidad de nuestro sistema sensor de nivel nos centramos en como y cuando debemos cargar y descargar los capacitores. Es evidente que primero se debe diseñar un circuito que nos permita realizar la carga de los condensadores cuando se desee ver figura 14.2. Figura 14.2. Circuito de carga

En la anterior figura se puede ver la ubicación de la fuente de corriente en el sistema, el condensador en prueba y la señal de control, este circuito nos permite cargar el condensador en el momento que queremos tomar la medición; si se pone un uno en la base del transistor npn el condensador se descargara porque el voltaje en su polo positivo será cero, de lo contrario si ponemos un cero en la base del transistor el condensador automáticamente se empezara a cargar. En la siguiente figura se puede ver un circuito mas especifico.

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Figura 14.3. Circuito de carga detallado

En el anterior circuito se puede ver que ya se han ajustado voltajes en la fuente de corriente, si los analizáramos con las ecuaciones vistas, podríamos darnos cuenta que esta fuente de corriente tiene una salida de 10 mA. Hasta ahora se tiene la forma de cargar y descargar el condensador, poniendo un cero y un uno en la señal de control respectivamente; pero ¿como nos damos cuenta de que el condensador ya esta cargado?, para resolver esta inquietud lo que se realizo implementar un comparador. En muchas ocasiones se quiere comparar una tensión con otra para ver cual es la mayor. En esta situación, un comparador puede ser la solución perfecta. Es un circuito de dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un Terminal de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadores operacionales, ya que existen dos estados en la salida, dependiendo de si la tensión es alta o Baja. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos análogos y digitales. La manera mas simple de construir un comparador consiste en conectar un amplificador operacional sin resistencias de realimentación ver figura 14.4. Dada la

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Alta ganancia de tensión de lazo abierto, una tensión de entrada positiva provoca una Saturación positiva, y una tensión de entrada negativa provocara una saturación negativa. Figura 14.4. Funcionamiento de un comparador de voltaje

El comparador construido para el sistema sensor de nivel de la PTAR tiene muy pocas variaciones comparado con el de la anterior figura. La entrada inversora del Amplificador es donde va la referencia, la cual para el sensor de lecho se puede ajustar según la necesidad, cabe decir que para todas las pruebas realizadas y criterios de diseño la referencia fue el 63.3% del voltaje de alimentación del circuito comparador que es 5 V, esto quiere decir que la referencia tiene un valor de 3.15 V, este valor mantiene la linealidad y la rapidez necesaria para la medición. Es valido mencionar que entre mayor sea la referencia mayor será el tiempo de carga de los condensadores en prueba ya que a mayor referencia, mas se demorara en alcanzar el nivel de esta. La figura 14.5 ilustra de mejor manera lo anteriormente dicho.

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Figura 14.5. Comparador de voltaje implementado

Según la figura de arriba cuando el voltaje del condensador esta por debajo de 3.15 V la salida del comparador será de 0 V, pero cuando el voltaje del condensador supera los 3.15 V, Vout automáticamente pasa a 5 V. la implementación del circuito comparador en el sistema de medición de lecho de arena que como lo indica la figura 14.6. Figura 14.6. Comparador agregado al sistema

Así si la señal de control fuera una onda cuadrada entonces la salida del comparador seria de la siguiente manera:

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Figura 14.7. Visualización de la señal de control y el voltaje del capacitor

La anterior grafica se obtuvo del software proteus el cual es un simulador de circuitos electrónicos, su fuerte esta en la electrónica digital y microcontroladores. En esta figura se puede apreciar claramente como va subiendo el nivel de voltaje del condensador a medida que pasa el tiempo y cuando la señal de control se encuentra en nivel alto. A continuación se puede apreciar la salida del comparador ver figura 14.8.

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Figura 14.8. Visualización del voltaje del condensador y la salida del comparador.

Cuando el voltaje del condensador sobrepasa los 3.15 V, la salida del comparador se pone en uno, en este momento la señal de control se manda a cero y se espera un tiempo para volver a tomar la medición, la salida del comparador se envía como una interrupción por flanco de subida hacia el microcontrolador para saber cuando el condensador ha sido cargado ver figura 14.9. Figura 14.9. Conexión de la salida del comparador.

Hasta ahora se ha hablado de la parte del acondicionamiento de la señal, como y cuando se mide, sin embargo no se ha enfatizado en la señal de control. Anteriormente se dijo que todo el sistema sensor de nivel estaba gobernado por un microcontrolador PIC 16f877A lo cual quiere decir que la señal de control es enviada desde el mismo.

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Como se vio anteriormente la señal de control es recibida por la base de un transistor npn, esto nos indica que entre el microcontrolador y el transistor debe haber una interfaz para garantizar el buen funcionamiento del sistema medidor. Este acoplamiento es realizado mediante un negador Schmitt trigger que aparte de acoplar las señales ayuda en la lógica del sistema ya que cuando el transistor recibe por la base un nivel lógico alto, el condensador a prueba no recibirá ningún voltaje con el cual realice su carga ver figura 14.10 Figura 14.10. Señal de control.

Como el sistema sensor de nivel de lecho de arena desarrollado para la PTAR involucra dos puntos de medición esto quiere decir que se necesitan dos señales de control, dos fuentes de corriente y dos circuitos de carga y descarga, lo anterior es solo agregarlo de la misma manera vista que en las figuras anteriores, sin embargo para detectar que uno de los dos condensadores ha sido cargado es necesario Agregar una compuerta OR en el sistema de medición, de tal manera que cualquiera de los sensores que se cargue produzca una interrupción para dar aviso al siguiente proceso. Ver figura 14.11

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Figura 14.11. Conexión de 2 comparadores.

Hasta el momento se ha visto toda la parte del hardware para medir la capacitancia que se presenta en los condensadores, por otra parte el sistema sensor de nivel de lecho de arena también incluye ciertas salidas las cuales serán vistas a continuación: 14.1.1. Salida de 0-5 V. Esta es la salida base ya que de esta dependen todas las demás. Como ya se ha visto el sistema de medición de lecho de arena mide el tiempo de carga de los condensadores en el interior del tanque, cuando se tiene este tiempo se procesa para así determinar el nivel y la salida ya sea de corriente o voltaje. Se tenía la posibilidad y de hecho fue la que se implemento, el uso del conversor digital-análogo serial de 12 bits AD7390, si se tiene en cuenta que la velocidad del proceso de desarenacion es lenta, entonces no hay problema en usar un conversor de interfaz serial, de todas maneras un conversor de este tipo tiene una muy alta velocidad, por otra parte uno de los requerimientos del cliente es que el dispositivo Pueda medir un nivel del lecho de arena de 4 m con una resolución de 1 cm., en este caso un conversor como el nombrado es excelente ya que tiene una resolución de 1.2 mV; es evidente que la visualización del nivel del lecho de arena no depende del conversor, lo que se quiere aclarar al usar este conversor es que mejora considerablemente la variación de voltaje cuando cambia el nivel. A continuación se muestra el diagrama funcional de conversor AD7390 figura 14.12

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Figura 14.12. Diagrama del AD7390

En la siguiente figura se puede ver la conexión para que el AD7390 tenga como salida un rango de 0 a 5 V. Figura 14.13. Salida de 0-5 V con un AD7390

Los pines LD, CLK, SDI y CLR son conectados directamente al microcontrolador, el pin LD es el que habilita la conversión, CLK es la señal de reloj que se envía en el momento que se ingrese el dato a convertir, SDI es el dato a convertir y CLR es para Borrar cualquier dato incorrecto, a continuación se muestra un diagrama de tiempos para realizar la conversión de manera correcta figura 14.14.

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Figura 14.14. Diagrama de tiempos para la conversión con un AD7390

El voltaje de salida del conversor AD7390 es gobernado por la siguiente ecuación:

Donde: Vout = voltaje de salida Vref = referencia de voltaje D = dato a convertir Como es claro, el voltaje de salida depende del voltaje de referencia y de la palabra digital, el numero 4096 sale de realizar la operación 2E12, 12 porque el numero de bits del conversor es 12, el máximo voltaje de alimentación para el conversor debe ser de 5.5 V y como el voltaje de referencia no puede ser mayor que la alimentación entonces se decidió alimentar el conversor con 5 V y conectar este mismo nivel de voltaje a la referencia cambiando la ecuación anterior a:

Para lo cual el máximo voltaje de salida (5 V) se tendrá cuando la palabra digital sea 4096 = 2E12. 14.1.2. Salida de 4-20 mA. Para la salida de 4-20 mA se introdujo un chip conversor de voltaje a corriente que es el AD694.

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El integrado AD694 es un transmisor de corriente que maneja un lazo estándar de 4-20 mA para el control de válvulas, actuadores y otros dispositivos comúnmente usados en el control de procesos, por la anterior razón fue que se decidió implementarlo en el sistema sensor de nivel. Este conversor de voltaje A corriente puede ser calibrado para obtener una corriente de salida de 4-20 mA en dos rangos solo formando un puente entre pines que veremos mas adelante. (Los rangos son 0-10 V y 0-2 V). En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del AD694. Figura 14.15. Diagrama de un AD694

Anteriormente se vio como se obtiene la salida de 0-5 V gracias al conversor digital análogo AD7390. Como el conversor de voltaje a corriente trabaja en los rangos de 0-2 V o 0-10 V se decidió implementar una etapa de amplificación para trabajar con un Voltaje máximo de entrada al AD694 de 0-10 V, esta etapa de amplificación cuenta con 2 amplificadores operacionales y una serie de resistencias ver figura 14.16.

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Figura 14.16 . Amplificación de 0-5 a 0-10 V

Como la señal que se va a amplificar entra por el pin inversor del primer amplificador, esto quiere decir que su salida será negativa por esta razón se necesita otro amplificador el cual no amplificara el voltaje sino que lo invertirá ver ecuación 14.6

Para obtener la salida deseada de 0-10 V con una señal de entrada de 0-5 V la resistencia R2 debe tener el doble de valor que la resistencia R1, el voltaje de salida del primer amplificador será negativo, es por eso que el segundo amplificador solo se usa para invertir la señal, lo cual quiere decir que las resistencias R3 y R4 deben ser del mismo valor. Ahora que ya se tiene el voltaje deseado para la entrada del conversor de voltaje a corriente, la conexión es como se muestra en la siguiente figura.

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Figura 14.17. Conexión para trabajar en un rango de entrada de 0-10 V Con un rango de salida de 4-20 mA

Donde RL puede tener un valor entre los 100 y 500Ω. Este integrado nos ofrece la posibilidad de saber cuando el lazo de corriente esta abierto solo agregando lo que se muestra en la figura 14.18 esta salida es de tipo binario, cuando es 1 indica que el lazo esta abierto y lo contrario cuando es cero.

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Figura 14.18. Implementando alarma

14.1.3. Visualización. Como se pueden dar cuenta, hasta el momento solo nos falta la salida visual que también es un requerimiento del cliente, en un principio se había hablado de poder Visualizar el nivel del lecho de arena en un computador, o en un LCD o por ultimo en un conjunto de display de 7 segmentos. El dispositivo que se escogió para la visualización fue el LCD debido a que con este se puede se puede diseñar una interfaz muy sencilla para el usuario, es de muy bajo costo comparado con un computador y no involucra la suma de dispositivos como si lo haría el computador (interfaz de comunicación), el conjunto de display de 7 segmentos casi no se tuvo en cuenta ya que el dispositivo quedaría muy estático (poco flexible a cambios de visualización). El LCD que se agrego en el sistema de medición de lecho de arena es un display de cristal líquido de 2 filas y 16 columnas (TC1602a) como se muestra en la figura 14.19

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Figura 14.19. Display de cristal líquido (LCD)

Donde Vss es el común (tierra), Vdd es la alimentación (5 V), con Vee se calibra el contraste mediante un potenciómetro claro que cuando este pin es Mandado a tierra es cuando se obtiene la mejor vista, RS que sirve para la lectura de datos, RW es para la escritura, E es el enabled o mejor dicho el que habilita cualquier operación en el LCD y los pines D0 a D7 son los datos por donde se ingresan los caracteres que se desean visualizar; este LCD se puede trabajar a 8 bits o a 4 bits, cuando se trabaja en el modo de 8 bits es necesario conectar los pines desde D0 hasta D8 pero cuando se trabaja en el modo de 4 bits solo se deben conectar los pines desde D4 hasta D7; en el sistema sensor de nivel de lecho de arena se trabajo en modo de 4 bits ya que esto significa ahorro de pines en el microcontrolador y otra razón es que se contaba con una librería para trabajar de una manera mas rápida el LCD en el modo de 4 bits. La siguiente figura nos muestra la conexión con el microcontrolador. Figura 14.20. Conexión del LCD

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Tabla 14.1 Componentes del sistema desarrollado

COMPONENTE CANTIDAD Microcontrolador PIC 16F877A 1 Display de cristal liquido (LCD) 1 AD7390A 1 AD694AQ 1 LF351N 2 LF353N 1 Lm339N 1 74LS32P 1 74LS14N 1 2N3906 2 2N3904 2 LM317 1 LM7805 1 LM7810 1 Cristal 4MHz 1 Condensador 10 uF. 1 Condensador 1 uF. 1 Condensador 0.1 uF 4 Diodo led verde 1 Diodo led rojo 1 Condensador lenteja #22 2 Resistencias 1 KΩ 13 Resistencias 220 Ω 1 Resistencia 5 KΩ 1 Resistencia 100 Ω 1 Jumper 1 Pulsadores 4 Trimer 5 KΩ 1 Borneras de 2 pines 6 Borneras de 3 pines 1

14.2. SOFTWARE El software diseñado para el sistema sensor de nivel de lecho de arena se desarrollo principalmente en código C excepto por algunas librerías que se realizaron para el funcionamiento del mismo en lenguaje ensamblador, se utilizo

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Un programa llamado PCWH 3.187 el cual es un compilador de C para PICs. A continuación se muestran diagramas de flujo que nos dan una mejor idea de lo que hace el software. El primer diagrama de flujo que se vera a continuación es el que muestra el software de una manera general.

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Figura 14.21. Diagrama de flujo general

Inicio

Presentacion

Entrar aconfiguracion

Configuracion

Configurarrango

Configurar salida

Sensar convalorespredeterminados

Sensar convaloresconfigurados

Sensar

Fin

Obtenersalida analoga

Imprimirvalores

SiNo

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Figura 14.22. Subrutina sensar

puerto A = 1

start timer 1

Condensador punto 1cargado

puerto A = 0stop timer 1P1 = timer 1timer 1 = 0

puerto A = 2

start timer 1

Condensador punto 2cargado

puerto A = 0stop timer 1P2 = timer 1timer 1 = 0

Obtener salidaanaloga

Imprimirvalores

Fin

SiNo

Si No

Inicio

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Por ultimo se muestra la subrutina obtener salida análoga. Figura 14.23 . Salida Analógica

Salida de sensor 1

Salida desensor 2

Salida promedio

salida nula

analog_out = F (P1, rango)

puerto C = analog_out

analog_out = F (P2, rango)

puerto C = analog_out

analog_out = F ((P1+P2)/2, rango)

puerto C = analog_out

analog_out = 0

puerto C = analog_out

Imprimirvalores

Si

No

Si

Si

Si

No

No

Sensar

Fin

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15. ESPECIFICACIONES FINALES Y PUESTA EN MARCHA Tabla 15.1. Especificaciones finales Métrica

# Métrica Unidades Valor

1 El equipo sensa automáticamente Binario Si

2 El dispositivo realiza una medición correcta del lecho de arena Binario SI

3 Altura máxima del tanque de trabajo mts 14 4 Altura máxima de medición mts 4

5 Pantalla de visualización del nivel del lecho de arena Binario SI

6 Salida analógica mA 4-20 7 Ciclo de trabajo h 24 8 La interfaz es sencilla para nuevos usuarios Subj 4 9 Potencia consumida por el dispositivo W 7.8 10 Costo de venta $ 800.000 11 Periodo de mantenimiento meses 2

La medición del lecho de arena esta regida por una función lineal (figura 15.1), donde Cr es la capacitancia cuando el tanque no contiene arena, es decir el contenido del desarenador es solo agua sucia, Cf es la capacitancia cuando el tanque llego al nivel máximo de arena que según las especificaciones finales es de 400 cm. Nf es el nivel máximo de arena (400 cm.) y Nx es un valor que se encuentra mediante el calculo de la función ya sea por interpolación u otro método.

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Figura 15.1. Comportamiento del sistema

Según la ecuación 15.1 la variable independiente es la capacitancia, si se recuerda que el sistema sensor de nivel desarrollado para la planta PTAR-C calcula el tiempo de carga de los condensadores formados esta seria la variable independiente y solo basta con reemplazarla en la anterior ecuación. El dispositivo ofrece 5 salidas las cuales son: 0-5 V. 0-10 V. 4-20 mA. Salida binaria indicando si el lazo de corriente esta abierto o cerrado. Visualización del nivel del lecho de arena, salida de 0-10 V y salida de 4-20mA. La salida de 0-5 V es manejada por un conversor digital-análogo de 12 bits que es el AD7390, el cual esta diseñado para trabajar con un voltaje de alimentación desde los 3 V, ha sido construido usando procesos CBCMOS, es de bajo costo y con un voltaje de alimentación entre 3 y 5.5 V se garantiza su funcionamiento consumiendo menos de 100 uA.

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La salida de 0-10 V es simplemente la amplificación de la señal de 0-5 V, esta amplificación se realiza con dos amplificadores operacionales iguales, el LF351, que cuenta con entradas tipo JFET, compensación interna de offset, maneja un extenso ancho de banda, cuenta con una alta impedancia de entrada de 10E12 Ω e introduce corrientes muy pequeñas de vías del orden de los pA. La siguiente figura nos muestra la función que rige la salida de voltaje ya sea 0-5 o 0-10 V. donde Vf puede ser 5 o 10 V. y Vx es calculado por cualquier método para hallar funciones. Figura 15.2. Salida Análoga

La salida de 4-20 mA se otorga gracias al transmisor de corriente AD694 que convierte la señal de entrada que es voltaje a una señal de corriente, es un integrado muy bueno ya que posee una alta inmunidad al ruido, es ampliamente usado para el control de válvulas, actuadores y otros dispositivos para el control de procesos así como también para la transmisión de parámetros de procesos tales como presión, temperatura, flujo etc., es un dispositivo que produce una alta exactitud sin la necesidad de usar resistencias u otros elementos. Ver figura 15.3.

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Figura 15.3. Señal de corriente

La salida binaria que indica si el lazo de corriente esta abierto o cerrado realmente es una prestación mas que brinda el AD694, es una salida negada de colector abierto por lo cual se requiere una resistencia y un negador para su correcta implementación. Esta configuración es totalmente compatible con niveles de CMOS o tecnología TTL. Por ultimo la visualización en el LCD del nivel del lecho de arena en los dos puntos de medición con el respectivo promedio, la salida de 0-10 V y la salida de 4-20 mA.

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16. MANUAL DE USUARIO El sistema de medición del lecho de arena desarrollado para los tanques desarenadores de la planta PTAR-C posee una interfaz hombre-maquina de muy fácil uso para cualquier tipo de usuario. Como se ha dicho anteriormente en este sistema de sensado se puede configurar el nivel máximo de lecho de arena a medir y también se puede elegir de que punto de sensado (el sistema cuenta con 2 puntos de sensado) se quiere obtener la salida; esto se realiza con el uso de 3 botones y se tiene un cuarto para abortar cualquier procedimiento. Al encender el sistema sensor de nivel lo primero que se observa en la pantalla del LCD es lo que indica la siguiente figura: Figura 16.1. Arranque del dispositivo

Después de unos pocos segundos se aprecia automáticamente:

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Figura 16.2. Primera pantalla de configuración

La figura anterior nos indica que en este momento se tienen 2 posibilidades, la primera y si de desea configurar el dispositivo es presionar el botón Enter y de esta manera configuraremos el nivel y la salida, y la otra opción es presionar el botón Esc y el dispositivo empezara a medir con los valores predeterminados que son: un nivel máximo de arena de 50 cm. y la salida dependiendo solo del sensor ubicado en el punto 1. Si se presiona el botón Enter se puede ver la siguiente pantalla: Figura 16.3. Configuración de rango

En este momento al presionar el botón Mov se podrá ver el nivel deseado de medición de la siguiente manera:

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Figura 16.4. Configuración de rango 2

Si seguimos presionando el botón Mov se puede ir cambiando el nivel de medición y se observara como indica la figura 16.5 aumentando siempre 50 cm. hasta llegar al nivel máximo que es 400 cm. y luego vuelve a empezar desde 50 cm. Figura 16.5. Configuración de rango 3

Para establecer el rango de medición se presiona el botón Enter y se apreciara la pantalla como lo indica la figura 16.6.

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Figura 16.6. Configuración de salida

Al igual que la configuración de rango, en la configuración de salida se procede de igual manera, teniendo en cuenta que la salida se puede configurar del punto de medición 1, punto de medición 2, el promedio de los dos puntos de medición o configurar una salida nula (siempre sea cero) ver figuras 16.7 y 16.8. Figura 16.7. Configuración de salida 2

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Figura 16.8. Configuración de salida 3

Para establecer entonces la salida del dispositivo se presiona el botón Enter y a continuación se vera el en LCD lo que indica la figura 16.9 Figura 16.9. Configuración realizada

Por ultimo se puede apreciar los valores de configuración (figura 16.10) Figura 16.10. Valores establecidos por configuración

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En este momento el dispositivo empezara a realizar su función de medición del lecho de arena, mostrando el nivel del lecho de arena y su salida análoga. Si se esta en el menú de configuración el botón Esc nos llevara a la figura 16.2, y si esto es lo que se observa en el LCD, entonces el dispositivo empezara a medir con los valores predeterminados. El cuarto botón Exit se utiliza para abortar cualquier tipo de procedimiento o si el dispositivo se llegara a bloquear en cualquier momento este botón solucionaría este problema observando en el LCD como lo indica la figura 16.2. En el circuito impreso se puede ver que borneras son salidas de voltaje o corriente para su correcta conexión ya sea con un PLC o cualquier otro dispositivo de control o monitoreo.

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17. CONCLUSIONES

Una planta de tratamiento de aguas residuales tiene una gran importancia para la comunidad ya que previene impactos ambientales que pueden causar una desestabilización en el ambiente afectando de una manera directa a la población. Se entendió el funcionamiento y la importancia de los desarenadores de la planta PTAR-C y otras estructuras presentes en ella gracias a la práctica. Los sensores constituyen el principal medio de enlace entre los procesos industriales y los circuitos electrónicos encargados de controlarlos o monitorearlos, los sensores ofrecen la posibilidad de la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de control en tipos de procesos industriales. Los sensores capacitivos ofrecen un alto desempeño a la hora de obtener una alta resolución y estabilidad. Los sensores capacitivos poseen la ventaja de tener una fácil instalación en la estructura a operar aun si esta ha sido construida con anterioridad, cosa que no es posible con otro tipo de sensores. Los sensores capacitivos tienen un bajo costo y pueden ser accedidos por la mayoría de industrias que necesiten automatizar un proceso determinado. Se reforzó y aprendió mas acerca del diseño y análisis mecatrónico de ingeniería, para la resolución de problemas, se aprendió mucho mas acerca de la instrumentación electrónica solucionando los problemas presentados. Así como también la forma en la que se deben presentar este tipo de trabajos para obtener un fácil entendimiento por cualquier persona que lo acceda.

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18. RECOMENDACIONES

Antes de usar el dispositivo de medición del lecho de arena lea el manual de usuario.

Para los puntos de medición en el tanque desarenador se recomienda usar como electrodos, barillas de máximo ½ pulgada de diámetro macizas ya sea de acero inoxidable o aluminio.

La estructura que soporta los electrodos debe permitir una variación del espacio entre ellas ya sea para reducir o aumentar la capacitancia generada por la mezcla en el interior del desarenador, el espacio permitido por la estructura puede ser desde 1 cm. hasta 10 cm.

Los electrodos pueden ser recubiertos con cualquier material que produzca un menor coeficiente de rozamiento entre el elemento sensor y el lecho de arena para evitar que parte del lecho de arena quede pegado a un electrodo produciendo así mediciones erróneas.

No se puede utilizar ningún elemento de conductividad eléctrica como soporte entre los electrodos ya que se formaría un corto eléctrico y por ende no habría medición.

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BIBLIOGRAFIA

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HELMS, Harry L. Circuitos electrónicos: guía práctica. México: McGraw-Hill 1988. 215 p.

MALVINO, Albert Paúl. Principios de electrónica. México: McGraw-Hill 1988. 1024 p. MARTIN CUENCA, Eugenio. Microcontroladores PIC: La solución en un chip. Madrid: Paraninfo 2000. 513 p. Medición de nivel [en línea]. Madrid: Automatización industrial, 2002. [Consultado 10 de noviembre de 2006]. Disponible en Internet: http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Instrumentacion/infoPLC_net_MEDICION_DE%20_NIVEL.pdf

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ANEXOS

Anexo 1. Esquemático completo del sistema de medición del lecho de arena

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Anexo 2. Diseño en el software EAGLE del circuito impreso

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Anexo 3. Planos del circuito impreso Componentes

Bottom

124

Top

Antisolder

125

Anexo 4. Circuito impreso

126

Anexo 5. Carta asesor empresarial Santiago de Cali, de Mayo de 2007 Doctor JIMMY TOMBÉ ANDRADE Director Programa Ingeniería Mecatronica UAO. Asunto: Aceptación dirección de Proyecto de grado. Con la presente me permito informarle que el siguiente informe final de la pasantía titulada “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA SENSOR DE NIVEL DEL LECHO DE ARENA PARA EL TANQUE DESARENADOR DE LA PLANTA PTAR-C”, desarrollado por el estudiante EDGAR FRANCISCO ARCOS HURTADO con código 2020588, en la planta PTAR-C, con una duración de 6 meses; de la cual soy el asesor empresarial cumple satisfactoriamente en contenido inicialmente estipulado para el desarrollo del proyecto en la empresa. Cordialmente, CESAR TULIO DELGADO

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Anexo 6. Carta director y solicitud de jurados Santiago de Cali, de Mayo de 2007 Doctor JIMMY TOMBÉ ANDRADE Director Programa Ingeniería Mecatronica UAO. Asunto: Aceptación dirección de Proyecto de grado. Con la presente me permito informarle el siguiente informe final de pasantia titulada “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA SENSOR DE NIVEL DEL LECHO DE ARENA PARA EL DESARENADOR DE LA PLANTA PTAR-C”, del cual soy director académico de proyecto, desarrollado por el estudiante EDGAR FRANCISCO ARCOS con código 2020588, en la planta PTAR-C, con una duración de 6 meses; cumple satisfactoriamente en contenido y forma con lo planteado inicialmente en el anteproyecto. Considerando lo anterior, ratifico que este proyecto ha sido revisado y aprobado por cumplir con los estándares de un proyecto de opción de grado. De igual manera me permito solicitar la asignación de jurados y programar la fecha para la sustentación. Atentamente, JOSE FERNANDO PEREZ