TANQUES TANQUES

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    25-Jul-2015
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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE AFORO ELECTRNICO PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE LQUIDO CONTENIDO RESUMEN ............................................................................... i PRESENTACIN ..................................................................... iii CAPTULOS CAPITULO 1: INTRODUCCIN AL AFORO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE LQUIDOS ...................... 1 1.1. GENERALIDADES............................................................... 1 1.2. TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE LQUIDOS....... 3 1.2.1. Tanques Horizontales....................................................................... 4 1.2.2. Tanques Verticales........................................................................... 5 1.2.3. Tanques Esferoidales....................................................................... 6 1.2.4. Colores en Tanques de Almacenamiento......................................... 7 1.3. LQUIDOS DE ALMACENAMIENTO................................ 8 1.3.1. Comprensin y Expansin ................................................................ 9 1.3.2. Difusin........................................................................................... 9 1.3.3. Forma y Volumen............................................................................. 10 1.3.4. Viscosidad........................................................................................ 10 1.3.5. Densidad.......................................................................................... 10 1.3.6. Peso Especfico................................................................................ 11 1.3.7. Gravedad Especfica........................................................................ 11 1.4. AFORO TRADICIONAL....................................................... 13 1.4.1. Mtodos de Aforo Tradicional......................................................... 14 1.4.1.1. Mtodo Volumtrico............................................................... 15 1.4.1.2. Mtodo Geomtrico................................................................ 17 1.4.1.2.1.Mtodo Geomtrico Externo por Cinta Mtrica........... 18 1.4.1.2.2.Mtodo Geomtrico Externo por Lnea de Referencia ptica................................................................................ 18 1.4.1.2.3. Mtodo Geomtrico Externo por Triangulacin............ 19 1.4.1.2.4. Mtodo Geomtrico Interno por Triangulacin............ 20 1.4.1.3. Mtodo Gravimtrico............................................................. 20 1.4.2. Clculos para el Aforo Tradicional.................................................. 20 1.4.2.1. Determinacin del Radio Interno........................................... 21 1.4.2.2. Volumen de Fondo ................................................................... 21 1.4.2.3. Correcciones........................................................................... 22 1.4.2.4. Obra Muerta............................................................................ 22 1.4.2.5. Determinacin de la Incertidumbre en la Medicin ................ 22 1.4.3. Normas para el Aforo Tradicional................................................... 23 1.5. AFORO ELECTRNICO ....................................................... 25 1.5.1. Aforo Electrnico Habitual.............................................................. 25 1.5.1.1. Bombeo del Producto........................................................ 26 1.5.1.2. Sensores y Adquisicin de Datos...................................... 27 1.5.1.3. Interfaz Serial.................................................................... 27 1.5.1.4. Software y HMI................................................................ 27 1.5.2. Sistema de Aforo Electrnico a Construir....................................... 28 CAPITULO 2: DISEO Y CONSTRUCCIN DEL HARDWARE ......................................................................... 30 2.1. DESCRIPCIN DEL MDULO........................................... 30 2.2. COMPONENTES DEL MDULO........................................ 31 2.2.1. Componentes Estructurales............................................................. 31 2.2.1.1. Soporte Estructural del Mdulo.............................................. 31 2.2.1.2. Tanques................................................................................... 32 2.2.1.3. Accesorios Hidrulicos........................................................... 33 2.2.2. Componentes Electromecnicos...................................................... 34 2.2.2.1. Bomba..................................................................................... 34 2.2.2.2. Servovlvula........................................................................... 36 2.2.2.2.1. Control de la Servovlvula............................................ 37 2.2.3. Componentes Elctricos.................................................................. 40 2.2.3.1. Tablero de Control.................................................................. 41 2.2.3.1.1. Diagrama Elctrico del Tablero de Control ................. 43 2.2.3.1.2. Lgica de Funcionamiento del Diagrama Elctrico..... 45 2.2.3.2. Conexiones Elctricas............................................................ 46 2.2.4. Componentes Electrnicos.............................................................. 47 2.2.4.1. Sensores.................................................................................. 49 2.2.4.1.1. Sensor de Flujo Tipo Turbina........................................ 49 2.2.4.1.2. Sensor de Presin Diferencial....................................... 52 2.2.4.1.3. Sensor de Temperatura ................................................. 55 2.2.4.2. Fuentes de Alimentacin........................................................ 57 2.2.4.3. Interruptores ElectrnicosAcoplados enVlvulasManualesy Presstato................................................................................ 60 2.2.4.4. Teclado Matricial.................................................................... 64 2.2.4.5. Display LCD........................................................................... 65 2.2.4.6. Microcontrolador PIC 16F877A............................................. 67 2.2.4.7. Comunicacin Serial RS-232................................................. 71 2.2.4.8. Circuitos con Rels................................................................. 72 2.2.4.8.1. Conexin de la Bomba en Modo Manual /Automtico..................................................................... 73 2.2.4.8.2. Circuito de Conexin de los Sensores en Modo,Manual ........................................................................... 73 2.2.4.9. Circuito General..................................................................... 75 CAPTULO 3: DISEO DEL SOFTWARE ...................... 79 3.1. DESCRIPCIN DEL SOFTWARE........................................ 79 3.2. MPLAB IDE v7.00................................................................. 79 3.2.1. Etiqueta............................................................................................ 80 3.2.2. Instruccin Nemnica...................................................................... 80 3.2.3. Operando.......................................................................................... 81 3.2.4. Directiva Argumentos...................................................................... 81 3.2.5. Comentarios..................................................................................... 81 3.2.5.1. Comentarios en una lnea ...................................................... 81 3.2.5.2. Comentarios Multilnea.......................................................... 81 3.2.6. Ambiente de Programacin de MPLAB v7.00................................ 82 3.2.7.Programa Microcontrolador PIC16F877A ...................................... 83 3.2.7.1. Programa Principal ................................................................ 84 3.2.7.1.1. Modo Manual .................................................................. 87 3.2.7.1.2. Subrutina Control Servovlvula ...................................... 89 3.2.7.1.3. Subrutina Control Bomba ............................................... 90 3.2.7.1.4. Modo Automtico........................................................... 92 3.2.7.1.5. Subrutina HMI ................................................................ 94 3.2.7.1.6. Subrutinas de los Comandos usados en la Comunicacin Serial ............................................................................... 95 3.3. NATIONAL INSTRUMENTS LabVIEW v8.6...................... 101 3.3.1. HMI en LabVIEW v8.6................................................................... 103 3.3.1.1. Panel Frontal del HMI ........................................................... 103 3.3.1.1.1. Indicadores..................................................................... 104 3.3.1.1.2. Controles ......................................................................... 105 3.3.1.2. Diagrama de Bloques del HMI............................................... 105 3.3.1.2.1. Subdiagrama de Inicializacin...................................... 106 3.3.1.2.2. Subdiagrama del Programa Principal........................... 107 3.3.1.2.2. Subdiagrama de Finalizacin........................................ 116 3.4. MENSAJES DEL LCD........................................................... 116 CAPTULO 4:PRUEBAS Y ANLISIS DE RESULTADOS ...................................................................... 120 4.1. PRUEBAS REALIZADAS.................................................... 120 4.2. PRUEBA DE LA BOMBA Y ELECTROVLVULA............ 120 4.3. PRUEBA SENSOR DE PRESIN .......................................... 132 4.4. PRUEBA SENSOR DE CAUDAL......................................... 134 4.5. TABLA DE AFOROSIN DEFORMACION EN EL TANQUE .................................................................................. 136 4.6. TABLA DE AFOROCON DEFORMACION EN EL TANQUE .................................................................................. 142 4.6.1. Alteracin de Volumen Nominal del Tanque con un Recipientede 20 lt............................................................................................. 142 4.6.2. Alteracin de Volumen Nominal del Tanque con dos Recipientesde 20 lt............................................................................................. 146 4.6.3. Comparacin de las Tablas de Aforo con Alteracin y sinAlteracin del Volumen Nominal del Tanque ................................... 149 4.7. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA OBTENCIN DE LA TABLA DE AFORO .................................................... 150 CAPTULO 5: CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES ....................................................... 152 5.1. CONCLUSIONES.................................................................. 152 5.2. RECOMENDACIONES......................................................... 155 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................ 157 ANEXOS RESUMEN ElAforoesunprocesoquetienecomoobjetivoprincipalcrearunaTablade Aforo para realizar el control de la cantidad de producto que se almacena en un tanque.Esteprocesoserealizaconlosvaloresdevolumenadiferentesalturas deltanqueysirveparaevitarinconvenientesalospropietariosporprdidade dineroacausadeentregasdeproductoincompletasorobos.Lanecesidadde aforarun tanquede almacenamientoseaplicacuandohasufrido modificaciones estructuralescomodeformacin,inclinacin,cambiodelproductoalmacenado, alteraciones ssmicas, etc. Cuando el tanque ha sufrido alguna alteracin de este tipo la Tabla de Aforo con sus valores iniciales sufren cambios, al actualizarla los valores de volumen cambian para las diferentes alturas. Losprincipalesinconvenientesdelossistemasdeaforoactualesrealizados manualmentesonlaausenciadeprecisinenlasmediciones,dandoorigena errores sistemticos que estn presentes en instrumentos u observadores. Por lo cual existe la necesidad de aplicar el aforo con elementos electrnicos y procesar la informacin para mejorar la precisin en el proceso. La solucin electrnica ante los aforos tradicionales radica en el uso de sensores yesascomosedescribelaconstruccindelSistemaPrototipodeAforopara Tanquesde AlmacenamientodeLquidos,elcualestformadopordostanques: eltanquereservorioqueesdondesealmacenaellquidoyeltanqueprincipal que es a donde ingresa el lquido que succiona la bomba. Para lograr aforar este tanque principal es necesario obtener una Tabla de Aforo formada por los datos dealturaoniveldeltanqueconelcorrespondientedatodevolumenque almacena y la temperatura ambiente en que ocurre el proceso, es decir, para cada valordealturadeltanqueprincipalexisteunacantidaddevolumen;laalturade almacenamientomedidaparaformarla Tablade Aforoconelmduloconstruido escada5mm.Esindispensabledeformareltanqueprincipalparademostrarlas variacionesentreunprocesodeaforouotroyasconstatarlautilidaddeeste proceso. i Los modos de uso del mdulo pueden identificarse como manual y automtico, la principaldiferenciaescomoseadquierenlosdatosqueproporcionanlos sensores. El modo manual brinda la opcin al usuario o estudiante de obtener las sealessinacondicionamientodelossensoresparadiferentesniveleso volmenes; claramente este modo de operacin tiene fines didcticos. En cambio, elmodoautomticoproporcionaalmicrocontroladordelmdulolasseales acondicionadas para comunicarlas con el HMI ejecutado en LabVIEW v8.6. Para obtener las magnitudes de nivel, volumen y temperatura se utilizan sensores queproporcionandatosquepuedansercodificadosenelHMI,lograndoas obtener la Tabla de Aforo en archivos *.txt o *.xml segn lo prefiera el usuario. De las pruebas realizadas se ejecut el aforo del tanque principal sin deformacin aunnivelmximode70cm.yademsconsimulacionesdedeformacin alterando el volumen nominal del tanque principal mediante recipientes de 20 lt. y sepudieronobtenercambiosdevolmenesconladeformacindeltanque principal. Para el tanque sin deformacin se obtuvo 207 lt., para una deformacin deltanqueprincipalconunrecipientede20lt.seobtuvo190lt.yparauna deformacincondosrecipientesde20lt.se obtuvounvolumende165lt.Porlo cualesteprocesodeaforoelectrnicoesvlidoparacambiosestructuraleso deformacioneseneltanque,envistaquelosvolmenesdealmacenamiento cambian para el nivel mximo del tanque principal. ii PRESENTACIN El proyecto presentado tiene como objetivo principal crear una Tabla de Aforo del tanqueprincipal,conunarespuestalinealentreelvolumenyelniveldebidoal caudalconstantequesuministralabomba.Elsistemadeaforodiseadoy construidoconstadeelementosquelogransimulareltrabajoquesepuede realizar en tanques de mayor capacidad conservando el concepto primordial de un aforo electrnico. La redaccin del proyecto consta de cinco captulos distribuidos en: investigacin, diseo, construccin, pruebas, resultados y conclusiones. Enelprimercaptuloseinvestigasobrelossistemasdeaforoqueexisten actualmenteenelpasyelexterior,suoperacinylamaneracomosepuede mejorar los actuales procesos con la colaboracin de este proyecto y el ambiente electrnico en el proceso. Existe adems una explicacin breve sobre historia de aforos,camposdeaplicacinyunprocesodetalladodelsistemaenelpresente proyecto Elsegundocaptulodetallaeldiseoenlaconstruccindelmdulo,sus componentes estructurales, electromecnicos, elctricos y electrnicos, as como tambin los dispositivos utilizados y sus caractersticas principales. Paraelcaptuloterceroseintroduceeldiseodelsoftwaredelproyecto,la explicacindelprogramaejecutadoenelmicrocontrolador,eldiagramade bloquesdesarrolladoenelHMIylosdiagramasdeflujodelosprogramas elaborados. El captulo cuarto detalla las pruebas realizadas y el anlisis de los resultados del prototipo desarrollado. El principal resultado expuesto en este capitulo es la Tabla de Aforo con la deformacin del tanque principal y con todos los datos que brindan la informacin correcta y las pruebas de repetibilidad correspondientes. iii Enelquintocaptulosepresentanlasconclusionesdelproyecto,ascomo tambinlasrecomendacionesnecesariasparamejorarelsistemaenfuturas aplicaciones del mismo. Finalmenteenlosanexossetienelasespecificacionesdelosdispositivos, sensoresydemselementosdelsistema,grficosdelasplacaselectrnicas construidas, etc. iv 1CAPITULO 1 INTRODUCCIN AL AFORO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE LQUIDOS 1.1. GENERALIDADES La medicin de cantidades constituye la base crtica de la reduccin de prdidas en el comercio mundial de qumicos, productos del petrleo y gases licuados.La calibracin eslacienciadela exactadeterminacindelautnticovolumen de un sistema de contenido, que corresponde a cierto valor de medicin. Por lo tanto, la utilidaddelmejorsistemademedicinolamedicinmanualmsprecisase invalida si los volmenes equivalentes son extrados de tablas de aforo dudosas oinexactas. [1] UnaTabladeAforoparauntanquedealmacenamientoincluyemedicionesde nivel, volumen y temperatura. El nivel realiza mediciones durante todo el proceso, es decir, efecta mediciones a alturas constantes ascendiendo cada 1mm, 5mm, 1cm, etc. como disponga el usuario para toda la capacidad del tanque; para todas estas alturas parciales se mide igualmente un valor de volumen, el cual indica la cantidad de lquido almacenado en el tanque siguiendo los niveles tomados como patrn.Lafinalidadesobtenerdatosparcialesdevolumenparasusrespectivos niveles en la capacidad total del tanque; la medicin de la temperatura ayuda en lacompensacinporcompresinoexpansindellquidosiguiendolas caractersticas fsicas del mismo. La exactitud en la determinacin del volumen de lquido en un tanque es un factor muyimportanteporlasconsecuenciasquetienenlasmedicionesincorrectasen unatabladeaforo,lamismaquepuedepermanecerenusoduranteunlargo 2periodo de tiempo antes de que sea advertido el error. Los errores en la tabla de aforooriginanerroresenlacontabilizacindeloscontenidosdeltanque,ypor tanto, en las transacciones comerciales y pagos. Los problemas que se plantean por estos errores son muy difciles, y a veces, imposibles de resolver sin prdidas econmicasporunadelaspartesinvolucradas.Comoresultatanimportanteel mtodo y el grado de exactitud al tomar las magnitudes de un tanque aforado, se recomienda que el proceso sea presenciado por todas las partes interesadas. Elprocedimientodeaforoentanquestienecomoobjetivoprincipalobteneruna Tablade Aforoenlacualse almacenainformacindeltanque aforadoparalos patronesdenivelconsurespectivovolumen,medidosdesdeunpuntode referenciaparalacapacidadtotalodellenadodeltanqueaunatemperatura ambiente igualmente tomada para su compensacin por compresin o expansin. Apesardequemuchostanquespuedanpareceridnticos,siseaplica medicionesconelevadaprecisinsenotarquecadaunotienedimensiones nicas.Porlotanto,noesaceptablerealizarlastablasdeaforodetanques basados en los planos ingenieriles utilizados en su construccin, especialmente si estas medidas van a ser utilizadas para crear una base de datos para el posterior clculo de nivel y volumen. El aforo para tanques de almacenamiento puede ser aplicado en la industria, para tanques de uso comercial o domstico con lquidos puros, qumicos, alimenticios, corrosivosodems.Unpequeoerrorenlasmedicionesllevaaserias discrepanciasenelregistrodecalibracinyporconsiguienteenlacontabilidad del producto, debido a la aparicin de errores sistemticos en la entrada o salida de producto del tanque. Laimportanciaenelprocesodeaforoestenerpresentelaslegislaciones nacionales o internacionales de los organismos pertinentes en lo que se refiere a los perodos entre los cuales se puede ejecutar el aforo en los tanques, as como tambin recomendaciones importantes al momento de realizar un aforo como: 3Modificaciones estructurales. Alteraciones ssmicas en el caso de tanques enterrados Deformacin por golpes Cambio de producto en los tanques Cambio en la posicin de las patas de soporte Variacin del patrn de altura o nivel. Para realizar el proceso de aforo electrnico es necesario disponer de un tanque de almacenamiento para realizar el aforo y un tanque depsito o secundario para bombear el lquido, bomba, sensores (nivel, caudal y temperatura), vlvulas en la conexinhidrulicaymtodos declculoquepermitanrealizarlacompensacin de temperatura del lquido, si es necesario. 1.2. TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE LQUIDOS Lostanquesdealmacenamientoseusancomodepsitosparaconteneruna reservasuficientedealgnproductoparasuusoposteriory/ocomercializacin. Pueden fabricarse en diferentes tipos de materiales como: Lminas de acero galvanizado Fibra de vidrio plstico (PVC) Concreto Ferrocemento Mampostera, etc Los tanques de almacenamiento, se clasifican en: Tanques Horizontales. Tanques Verticales. Tanques Esferoidales 41.2.1. TANQUES HORIZONTALES LosTanquesHorizontalesocigarros,generalmentesondevolmenes relativamentebajosdebidoaquepresentanproblemasporfallasdecortey flexin. Seempleanparaalmacenarvolmenespequeosdeproductosdediferente naturaleza qumica (cidos, lcalis, combustibles, lubricantes, etc.). Estos tanques a su vez pueden ser: areos (aboveground storage) o subterrneos (underground storage).Pararecipientesmayores,seutilizanlasesferas.Losextremosdelos cigarros son: semielpticos o semiesfricos, como se muestran en las Figuras 1.1 y 1.2. [2] Figura 1.1 Tanque horizontal con extremos semielpticos Figura 1.2 Tanque horizontal con extremos semiesfricos 5 1.2.2. TANQUES VERTICALES LosTanquesCilndricosVerticalespermitenalmacenargrandescantidades volumtricasysolosepuedenusarapresinatmosfricaopresionesinternas relativamente pequeas. Seempleanparaalmacenarproductosdediferentenaturalezaqumica(cidos, lcalis,hidrocarburos,efluentesindustriales,etc)ysondegrancapacidadde almacenaje.Puedenserclasificadosdeacuerdoaltipodecobertura,tipode techo y tipo de fondo en [3]: Tipo de cobertura: abiertos o techadosTipo de techo: fijo o flotante. Techos flotantes a pontn o a membranaTipo de fondo: plano o cnico Con relacin a la seleccin de los tanques cilndricos, optar por una u otra forma depender del volumen requerido, el espacio disponible, las inversiones exigidas, etc.EnlasFiguras1.3,1.4y1.5sepresentanalgunosejemplosdetanques verticales. 6Figura 1.3 Tanque vertical abierto de fondo plano, tomado de [4] Figura 1.4 Tanque vertical con techo flotante y fondo cnico, tomado de [5] Figura 1.5 Tanque vertical con techo fijo y fondo plano, tomado de [3] 1.2.3. TANQUES ESFEROIDALES Los tanques esferoidales se construyen utilizando chapas de acero. Se sostienen 7mediantecolumnasquedebensercalculadas parasoportar elpesodela esfera durantelapruebahidrulica.Aligualqueenloscigarros,todaslassoldaduras debenserradiografiadasparadescartarfisurasinternasquesepudieranhaber producido durante el montaje [6]. Seusanparaalmacenarlquidosbajociertapresincomofertilizantes,gas licuado natural en estado lquido o criognico, nitrgeno lquido, etc. Cuentanconunaescaleraparaaccederalapartesuperiorconelfindedarmantenimientoalasvlvulasdeseguridad,aparatosdetelemedicin,etc.Un ejemplo de tanques esferoidales se encuentra en la Figura 1.6 Figura 1.6 Tanques esferoidales, tomada de [6] 1.2.4. COLORES EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO Un tanque que almacena petrleo, combustibles y derivados, productos qumicos, agua, etc., posee especificaciones de color para la identificacin del mismo. En la Tabla 1.1 se detallan estos colores y su cdigo segn la Norma PE-SHI-OO9 para la Identificacin de Tanques y Tuberas usada enPetroproduccin. 8 ProductoColor de Identificacin Cdigo del Color Vacogris acero02 Aguaverde de seguridad24 Vapor de aguagris - plata04 Aireazul de seguridad29 Gases Combustiblesamarillo obscuro17 Gases no Combustiblescrema obscuro21 Acidos y corrosivosanaranjado14 Alcalisvioleta31 Lquidos Combustiblescaf12 Lquidos no Combustibles durazno 09 Agua / vapor contra incendiosrojo de seguridad / blanco10 / 05 Gas licuado petrleo amarillo 18 Espuma contra incendio Tabla 1.1Colores identificativos de los tanques de almacenamiento [7] 1.3. LQUIDOS DE ALMACENAMIENTO Los lquidos, al igual que los slidos, tienen volumen constante. En los lquidos las partculas estn unidas por unas fuerzas de atraccin menores que en los slidos; porestaraznlaspartculasdeunlquidopuedentrasladarseconlibertad.El nmerodepartculasporunidaddevolumenesmuyalto,porellosonmuy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Enloslquidoselmovimientoesdesordenado,peroexistenasociacionesde varias partculas que, como si fueran una, se mueven al unsono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partculas (su energa). Loslquidosnotienenformafijayadoptanlaformadelrecipientequelos contiene. Poseen las siguientes propiedades [8]: Compresin y Expansin 9Difusin Forma y Volumen Viscosidad Densidad Peso Especfico Gravedad Especfica 1.3.1. COMPRESIN Y EXPANSIN Aloslquidosselesconsideraincompresiblesdebidoaquedentrodeellos existen fuerzas extremas de atraccin entre sus molculas. Por otra parte cuando aunlquidoseleaplicaunapresin,suvolumennoseveafectadoengran cantidad,yaquesusmolculastienenpocoespacioentres.Siseaplicaun cambio de temperatura su volumen no sufrir cambios considerables. Cuandolasmolculasdeunlquidoestnencontinuomovimientoesporcausa delatemperatura,locualinclinaallquidoaaumentarladistanciadesus molculas;apesardeestolasfuerzasdeatraccinqueexistenenellquidose oponen a ese distanciamiento de sus molculas [8]. 1.3.2. DIFUSIN Al realizar la mezcla de dos lquidos, las molculas de uno de ellos se difunden en lasdelotroamenorvelocidadqueenlosgases.Sisedeseaverladifusinde dos lquidos, se puede dejar caer una pequea cantidad de tinta china en un poco deagua.Debidoaquelasmolculasenamboslquidosestnmuycerca,cada molculachocamuchasvecesantes de alejarse,puededecirseque millonesde veces.Ladistanciapromedioquesegeneraenloschoquessellamatrayectoria libremediay,enlosgasesesmsgrandequeenloslquidos,porquelas molculas estn bastante separadas. A pesar esto hay constantes interrupciones ensustrayectoriasmoleculares,porloqueloslquidossedifundenmuchoms lentamente que los gases. 10 1.3.3. FORMA Y VOLUMEN En un lquido, las fuerzas de atraccin son suficientemente agudas para limitar a lasmolculasensumovimientodentrodeunvolumendefinido. Apesardeesto las molculas no pueden guardar un estado fijo, es decir, las molculas del lquido nopermanecenenunasolaposicin.Lasmolculas,dentrodeloslmitesdel volumendellquido,tienenlalibertaddemoverseunasalrededordeotras;a causadeesto,permitenqueellquidofluya.Loslquidosposeenunvolumen definido, pero debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene [8]. 1.3.4. VISCOSIDAD Algunoslquidosfluyenlentamente,mientrasqueotrosfluyenconfacilidad;la resistenciaafluirseconoceconelnombredeviscosidad.Siexisteunamayor viscosidad,ellquidofluyemslentamente.Loslquidoscomoelaceitedelos motoressonrelativamenteviscosos;elaguayloslquidosorgnicoscomoel tetraclorurodecarbono,noloson.Laviscosidadpuedemedirsetomandoen cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un lquido fluye a travs de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad [8]. 1.3.5. DENSIDAD La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.Por consiguiente, utilizando la letra griega para la densidad, se tiene: Vm= EndondeVeselvolumendelasustanciacuyamasaesm.Lasunidadesde densidad son kilogramos por metro cbico en el Sistema Internacional (SI) y slugs por pie cbico en el Sistema Britnico de Unidades. 11 La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales ASTM (American Society for TestingandMaterials)hapublicadovariosmtodosestndardepruebapara medirdensidad,quedescribenrecipientescuyacapacidadseconoce exactamente,llamadospicnmetros.Enestasnormassedeterminalaforma apropiadadellenar,manejar,controlarlatemperaturayhacerlecturasenestos dispositivos. 1.3.6. PESO ESPECFICO Elpesoespecficoeslacantidaddepesoporunidaddevolumendeuna sustancia.Utilizandolaletragriegagammaparadenotarelpesoespecfico.Se tiene: VW= EndondeVeselvolumendeunasustanciaquetieneelpeso W.Lasunidades del peso especfico son los Newtons por metro cbico (N/m3) en el SI y libras por pie cbico (lb/pie3) en el Sistema Britnico de Unidades [8]. 1.3.7. GRAVEDAD ESPECFICA Lagravedadespecficaeselcocientedeladensidaddeunasustanciaentrela densidaddelaguaa4C,oeselcocientedelpesoespecificodeunasustancia entre el peso especifico del agua a 4C [8]. Estasdefinicionesdelagravedadespecficasepuedenexpresardemanera matemtica como: wswssg= = En donde el subndice s se refiere a la sustancia cuya gravedad especifica se est determinando y el subndice w se refiere al agua. 12La definicin matemtica de gravedad especfica se puede escribir como: [ ] [ ]3 3/ 9810 / 1000 m N m Kgsgs s = = Estadefinicinesvlida,independientementedelatemperaturaalaquese determinalagravedadespecfica.Sinembargo,laspropiedadesdelosfluidos varanconlatemperatura.Engeneralcuandolatemperaturaaumenta,la densidad diminuye. EnlaTabla1.2sedetallanlaspropiedadesdedensidadypesoespecficopara algunoslquidosdealmacenamientoapresinatmosfricaconunrangode temperatura 16C a 21C. Lquido Densidad [Kg/m3] Peso Especfico [N/m3] Alcohol Etlico7897744 Benceno9028828 Tetracloruro de Carbono159315629 Gasolina6806660 Glicerina125812346 Queroseno8097933 Aceite SAE 309179016 Trementina8718529 Agua10009790 Tabla 1.2Propiedades de algunos lquidos de almacenamiento. 131.4. AFORO TRADICIONAL Elaforotradicionalconsisteendeterminarelvolumentotaleincrementaldel tanqueenlascondicionesdeuso.Lacalibracindelostanquesde almacenamiento se debe efectuar cuando su integridad mecnica se ve afectada por reparaciones o cambios estructurales ya sea por cambio en la inclinacin, en el dimetro, en la altura de referencia o en el espesor de la lmina.Para el aforo de un tanque de almacenamiento las tablas de aforo deben [9]: Presentar los niveles en unidades de metros, centmetros o milmetros y los volmenes en barriles, galones o litros. SerfirmadaporlaempresaconsultorayaprobadaporelMinisteriode Energa y Minas. Laplacadeidentificacindeltanqueyelregistrodelaforodeben elaborarse en acero inoxidable de 1 mm de espesor por 200 mm de lado, tener facilidad para su instalacin y tener la siguiente informacin en alto o bajo relieve: oProducto almacenado oAltura a nivel del mar oDimetro nominal oAltura nominal oNmero de identificacin del tanque oNorma utilizada para realizar el aforo oFecha del aforo oEncabezadodelaplacaconellogoynombredelacompaa aforadora. Lastablasdeaforoodecalibracinpuedenserelaboradasaplicandovarios mtodos.Paradecidircualseaplicarsetomarencuentaeltipoytamaodel tanque,eltiempo,personalyequipodisponible.EnlaFigura1.7semuestran 14algunos mtodos de aforo para tanques de almacenamiento de lquidos. Figura 1.7 Mtodos de aforo para tanques de almacenamiento 1.4.1. MTODOS DE AFORO TRADICIONAL Entrelosprincipalesmtodostradicionalespararealizarelaforodetanques verticales de almacenamiento se tienen los siguientes: Mtodo Volumtrico Mtodo Geomtrico.- entre los que se detallan: oCinta Mtrica oLnea de Referencia oTriangulacin Externa e Interna Mtodo Gravimtrico Mtodo VolumtricoMtodo GeomtricoMtodoGravimtrico Mtodo ExternoMtodo Interno Cinta mtrica Mtodo Externo de Triangulacin METODOS DE AFORO Lnea de Referencia ptica Mtodo Interno de Triangulacin 15 1.4.1.1. Mtodo Volumtrico En general se usa para cualquier tipo de tanque aunque se recomienda segn la norma API 2555 para capacidades entre 8 y 100 m3. Las mediciones se realizan conayudadeunainstalacinpatrnquecuentaconuncaudalmetroque garantice la exactitud requerida y una cinta metlica patrn (clase 1) con plomada, amboscalibradosycertificadosporelorganismometrolgicolocal, preferentemente acreditado [10]. La calibracin se realiza con agua como lquido de trabajo, debido a que garantiza mayorseguridad(lquidopocovoltilynoinflamable).Elmtodovolumtricoes generalmente usado para la calibracin de tanques de las siguientes categoras: Tanques enterrados, de cualquier tipo. Tanquesaniveldelsuelooelevadossobreelsuelo,concapacidad nominalde hasta 100 m3. Tanquesdeformanoadecuadaparalautilizacindeunmtodo geomtrico. Como recomendaciones para este mtodo de aforo estn: Durante elaforo debenobservarsetodaslasreglasdeseguridad ycontra incendios, necesario para la prevencin de accidentes de cualquier tipo. Seprefierequeelrecipienteseencuentretotalmentevacioylimpioantes de comenzar el trabajo. Se establecen exigencias para el control de la temperatura tanto ambiental como del lquido de trabajo (agua o combustible). El recipiente debe ser hermtico. 16 LaTabladeAfororesultantepuedeemplearsecomoreferenciaparala instalacindeequiposdesondeoapropiadosparaladeterminacindela capacidad del tanque de manera automatizada. El mtodo de aforo volumtrico puede hacerse mediante dos procedimientos: Por llenado Por vaciado El aforo siguiendo el mtodo volumtrico por llenado es aconsejable para tanques enterrados debido a su posicin con respecto al suelo, lo cual sera poco prctico en el procedimiento de vaciado. En ambos casos se utiliza un caudalmetro y un tanquepatrndenominadoserafn,yaseaesteltimoporttiloestacionario. Consisteenllenar(ovaciar)poretapaseltanqueacalibraryemplearunacinta conplomadaparamedirlosnivelesdellenado,conformndoseunatablade volumen contra nivel (Tabla de Aforo). Estas etapas estn en correspondencia con la capacidad y forma del tanque. El tanque patrn o serafn deber tener una capacidad de volumen menor que el deltanqueacalibrarconelobjetivodeobtenerunabuenaprecisinenlas mediciones.Porejemplo,paracalibraruntanquede10000galonesse recomiendautilizaruntanquepatrnoserafnde50galones.Enelcaso especficodetanquesdepruebaestacionariosestosdebernsercalibrados mediante mediciones crticas o a travs de un caudalmetro master. En muchasocasionesesnecesariocalibrarlos fondos delos tanquescilndricos verticalesutilizandoestemtododebidoalasdeformacionesirregularesque suelen sufrir debido a la presin del lquido durante el servicio. 17 1.4.1.2. Mtodo Geomtrico Losmtodosgeomtricosconsistenenunamedicindirectaoindirectadelas dimensionesexterioresointerioresdeltanque,delasobrasmuertaspositivasy negativas y del techo o pantalla flotante, si son acoplados. Para la calibracin geomtrica se emplean los siguientes mtodos: Mtodo de Geomtrico Externo por Cinta Mtrica (API MPMS, Seccin 2-A). MtododeGeomtricoExternoporLneadeReferenciaptica(API MPMS, Seccin 2-B) MtododeGeomtricoExternoeInternoporTriangulacin(APIMPMS, Seccin 2-C). Elprocedimientodemedicinexternopormediodeunacintaconundispositivo paratensar,generalmentenoseadmiteparalacalibracindetanquesque contienen lquidos involucrados en el comercio internacional, excepto cuando otro mtodo mejor no pueda ser aplicado (por ejemplo, en el caso de tanques aislados trmicamente) Encadaunodeestosmtodosesnecesariaunacorreccinportemperatura, debidoaqueenelmomentodelacalibracindeltanqueescomnqueexista productoensuinterior,porloqueseveafectadasuestructuradebidoala deformacin que este provoca en el casco. Losmtodosgeomtricospuedenserusadosentanquesconunacapacidad nominaldealrededorde50m3yms,queposeanformageomtricaregulary que no presenten deformaciones [10]. 18 1.4.1.2.1. Mtodo Geomtrico Externo por Cinta Mtrica Enesteprocedimientosedebeutilizarunacintamtricadelongitudaproximada 15 m, asegurando una buena tensin en la misma. La medicin delpermetro del tanqueesrepetidotresvecesporseccindealturaparaasegurarunamejor precisin,deformatalqueelpermetroresultanteseobtienedelasumadelos largos parciales medidos [10]. 1.4.1.2.2. Mtodo Geomtrico Externo por Lnea de Referencia ptica Estemtododeterminaelpermetrodelasdiferentesalturasenlasparedesdel tanque.Laenvolturadeltanqueesmedidaconlaayudadeunareglagraduada guiada por un carrito imantado, con el cual se recorren las paredes del tanque, y un teodolito fijado hacia el cenit, ubicado a cierta distancia del rango de medicin, como se muestra en la Figura 1.8 [10]. Figura 1.8 Mtodo geomtrico externo por lnea de referencia ptica Desde el techo del tanque o desde una superficie auxiliar se suspende la cuerda con el carro y la plomada, guiada sobre la polea central del carro. Sobre la pared del tanque y debajo delcarro; se apoya el teodolito o dispositivo de medicin de 19distancias.Laubicacinyelnmerodepuntosdemedicinporposicinson anlogosalmtododecintamtrica.EnlaTabla1.3sedetallanelnmerode puntos de medicin para diversos permetros del tanque. Tabla 1.3Nmero de puntos de medicin recomendados para diversos permetros del tanque 1.4.1.2.3. Mtodo Geomtrico Externo por Triangulacin En este mtodo de calibracin,el volumen del tanque se determina por medio de unamedicinpticadengulos,condosteodolitos,yposterioresclculos trigonomtricos.Lasmedicionesdebenestarrelacionadasconunadistancia (base) de referencia medida entre los aparatos, como se muestra en la Figura 1.9. [10]. Figura 1.9 Aforo Para tanques de almacenamiento por triangulacin externa Permetro (m)# de puntos de Medicin P< 508 50 < P < 10012 100< P < 15016 T7 TANQUE T1 d T2 T3 T4 T5 T8 T6 d d 20 1.4.1.2.4. Mtodo Geomtrico Interno por Triangulacin El volumen del tanque se determina por medio de la medicin ptica de ngulos y clculos trigonomtricos. Ambos teodolitos deben ser colocados en el interior del tanque,dispuestosenformadiametralyguardarunadistanciadeporlomenos 1/4 del dimetro del tanque. El mnimo nmero de puntos que deben ser medidos sobre el permetro del tanque se escoge siguiendo la recomendacin de la Tabla 1.3. [10]. 1.4.1.3. Mtodo Gravimtrico Consiste en determinar la masa del tanque a calibrar primeramente lleno de agua ydespusdevaciadoconbsculasdeelevadaprecisin.Ladiferenciaentre ambasmedicionespermitecalcularelvolumendeltanquemedianteladensidad del producto utilizado en la calibracin (agua) [10]. ParaelaborarlaTabladeAforoseprocededeigualmaneraqueelmtodo volumtrico,esdecir,medianteetapasdellenadoodevaciadoseobtienenlos volmenesparcialesadiferentesnivelesutilizandolamasacomoparmetro intermedio. Se deben realizar las correcciones correspondientes por efecto de la temperatura en el lquido de almacenamiento, debido a la variacin de sus propiedades fsicas as como las propias debido al proceso de pesado. 1.4.2. CLCULOS PARA EL AFORO TRADICIONAL Losprincipalesclculospararealizarelaforodetanquesporlosmtodos geomtricos internos y externos se encuentran detallados en la Figura 1.10. 21 Figura 1.10 Clculos necesarios para elaforo de tanques de almacenamiento 1.4.2.1. Determinacin del Radio Interno Se obtiene por la aplicacin de los siguientes pasos: Determinacindelascoordenadas(X,Y)detodoslospuntosdecada anillo, a travs de los ngulos medidos. Aplicacin del Mtodo de Mnimos Cuadrados para la obtencin del radio y de las coordenadas del centro de la circunferencia de cada plano. 1.4.2.2. Volumen de Fondo Se determina en forma volumtrica a travs de un contador patrn, dnde el lmite superior del espacio de medicin es una placa de sondeo y eventualmente en l se puede encontrar estructuras internas como: bombas, tuberas de llenado, etc. 221.4.2.3. Correcciones Se calculan cuando el tanque es afectado por los siguientes fenmenos: Expansin debida a la presin del lquido sobre el tanque: es el efecto que produceladensidaddellquidoalmacenadocontralascaractersticas fsicas y estructurales del tanque. Expansindebidoalatemperatura:seoriginaporlavariacindelas caractersticasdelproductoalencontrarsebajociertascondiciones ambientales. 1.4.2.4. Obra Muerta Se subdivide en dos: Obramuertapositiva:secomponedelvolumentotalocupadoporlas vlvulas, bocas de visita, sumideros, bocas de aforo u otros. Obramuertanegativa:laconformaelvolumenocupadoporeltecho flotante. 1.4.2.5. Determinacin de la Incertidumbre en la Medicin Basndoseenelresultadodeunamedicin,laIncertidumbreesuna aproximacindeunamagnitudfsicadeformatalqueesobligatorioofreceruna indicacin cuantitativa que define la calidad del resultado reportado. SereportaunaIncertidumbrerelacionadaconelradiodelascircunferenciasy otrareferidaalaalturadecadaanillo,lascualesalcombinarse,indican cuantitativamente el valor real de la incertidumbre total involucrada en la medicin. Cualquierdatonodeterminadoseobtendrdel planodeltanque ose medir en campo directamente. 231.4.3. NORMAS PARA EL AFORO TRADICIONAL En la Tabla 1.4 se detallan las Normas segn el Estndar API American Petroleum Institute(InstitutoAmericanodelPetrleo)paralosprincipalesprocesos involucrados en elAforo de Tanques [11]. Clase de ServicioNormaDescripcin Calibracin de tanques API Standard 2555 Mtodo para calibracin lquida de tanques API Standard 2551 Mtodo para la medicin y calibracin de tanques horizontales API MPMS Captulo 2 Seccin 2-A Medicin y calibracin de tanques cilndricos verticales por el mtodo manual de cincho (strapping) API MPMS Captulo 2 Seccin 7 Calibracin de barcazas API MPMS Captulo 2 Seccin 2- B Calibracin de tanques cilndricos verticales por el mtodo ptico de lnea de referencia. API MPMS Captulo 2 Seccin 2-C Calibracin de tanques cilndricos verticales por el mtodo ptico de triangulacin. Medicin de tanques API MPMS API MPMS Captulo 3 Seccin 1-A Prctica para la medicin manual de petrleo y productos de petrleo API MPMS Captulo 3 Seccin 2 Prctica para la medicin de petrleo y productos de petrleo en carros cisterna. Determinacin de temperatura API MPMS Captulo 7 Determinacin de temperatura Muestreo API MPMS Captulo 8 Seccin 1 Prctica para el muestreo manual de petrleo y productos de petrleo. 24 Clase de ServicioNormaDescripcin Muestreo API MPMS Captulo 8 Seccin 3 Prctica para la mezcla y manejo de muestras lquidas de petrleo y productos de petrleo. API MPMS Captulo 8 Seccin 4 Prcticas para el muestreo manual y manejo de gasolinas para mediciones de volatilidad. Clculo de cantidades de petrleo API MPMS Captulo 12 Seccin 1 Parte 1 Clculo de cantidades de petrleo esttico. Tanques Cilndricos verticales y embarcaciones marinas. Inspeccin de tanques APIStandard 620 Diseo y construccin de tanques grandes, soldados, de almacenamiento de baja presin APIStandard 653 Inspeccin de tanque, reparacin, alteracin, y reconstruccin APIStandard 650 Tanques de acero soldados para almacenamiento de aceite APIStandard 2610 Diseo, construccin, operacin mantenimiento e inspeccin de terminales e instalaciones de tanques Inspeccin de Terminales NFPA 30 Cdigo inflamable y combustible Lquidos NFPA 30-A Cdigo para las instalaciones que dispensan combustible para motor y los talleres de reparacin NFPA ICdigo uniforme de incendio Tabla 1.4Normas para el Aforo de Tanques 251.5. AFORO ELCTRONICO Elaforodeuntanquedealmacenamientodelquidos,elaborado electrnicamente,brindamayorprecisinquelosaforostradicionalesdebidoal usodesensoresquecorrigenloserroressistemticospresentesenlos instrumentos u observadores que elaboran los mtodos tradicionales. Losdiferentesmtodosdeaforotradicionalpuedensermejoradossison construidosenbaseaunsistemaelectrnicodebidoaquelossensores presentan ventajas como: Amplios rangos de medida para el uso en diversos tipos de tanques. Ajuste de Cero y Ganancia para el uso en varios tipos de tanques. Exactitud menor a 0,1%. Excelentes pruebas de repetibilidad. Conelusodesensoresseautomatizanlosmtodostradicionalesdeaforo,por ejemplo:Paraelaborarelectrnicamenteelmtodogravimtricodeaforo tradicionalesnecesarioelusodegalgasextensomtricasconefecto piezoresistivo para medir la masa del tanque y del producto, as como tambin de bombasqueingresanydesalojanelproducto,conestoseobtienenlos volmenes parciales y mediante un HMI se interacta con el usuario. 1.5.1. AFORO ELECTRNICO HABITUAL Elmtododeaforoelectrnicomsutilizadoadquierelasmagnitudesdenivel, volumenytemperaturamediantesensores,loscualessecomunicanconun computadormedianteunainterfazserialbasadaenmicroprocesador.Asse puedemonitorearyguardarentiemporealelvolumenengalonesolitrosyel nivelencentmetrosopulgadas.Esteesquemadeaforoelectrnicosemuestra en la Figura 1.11. 26 Figura 1.11 Esquema del aforo electrnico, tomado de [12]. En el esquema de la Figura 1.11 se pueden identificar las siguientes etapas: 1.Bombeo del producto 2.Sensores y Adquisicin de Datos 3.Interfaz Serial 4.Software y HMI 1.5.1.1. Bombeo del Producto Enestaetapaesnecesarioconsiderarlacapacidaddecaudalconlaquela bombapuedetrasladarelproductodesdeuntanqueaotrodeunamanera eficiente.Esnecesarioconsiderarlatuberaqueconectarlostanquesylos efectos que causan las vlvulas de seguridad en el flujo del lquido a transportar. 1 2 3 4 271.5.1.2. Sensores y Adquisicin de Datos Lasprincipalesvariablesamedirenunsistemadeaforoelectrnicoson:nivel, volumenytemperatura.Elgradodeprecisindelasmedicionessebasaenlas caractersticas de los sensores. Elmedidordevolumenpodrtenervariastecnologascomo:desplazamiento positivo,medidorestipoturbina,etc.Estosltimosproporcionanlecturasde volumendeacuerdoalospulsosquegeneraelmovimientodelasaspasdel sensor. Lamedicinelectrnicadenivelseobtienecontecnologasmagnetoestrictivas, diferencialdepresin,ultrasnico,etc.loscualesproveenlecturasdenivelen base a transmisores de voltaje o corriente. Paralatemperaturaseutilizanprincipalmentesensoresqueespecifiquenla temperatura ambiente. En el mercado existen actualmente sensores de nivel que proporcionan datos de temperatura con compensacin. TodosestosdatossoncontroladosycuantificadosmedianteconversoresA/Do medianteunmicrocontroladorquefuncionacomoelcontroladorprincipaldel sistema. 1.5.1.3. Interfaz Serial MediantelacomunicacinRS-232oRS-485seestableceelintercambiode informacin entre el microcontrolador y el HMI ejecutado desde una PC. Los datos ingresan en forma de bytes al software desarrollado en el computador y despus decodificarlossealmacenanenlamemoriaROMdelaPCparaobtenerasla tabla de aforo. 1.5.1.4. Software y HMI ElsoftwareejecutadodesdelaPCeselencargadoderealizarunintercambio 28correctodeinformacinconelmicrocontrolador. Ademscodificalosdatospara observarlosentiemporealconmagnitudespropiasyespecficasdeltanquesin importarsugeometra,posicinoinclinacin.Estesoftwarerealizaelpatrnde datosdenivel,esdecir,laapreciacindemedicindeltanqueporaforar(1mm, 5mm,1cm, etc.). Todoslosdatosobtenidosporlossensoressonguardadosenunarchivo predireccionado en el computador, es aqu donde se almacena la tabla de aforo y se respaldan los datos obtenidos en el proceso. 1.5.1. SISTEMA DE AFORO ELECTRNICO A CONSTRUIR Elsistemaprototipodeaforoaconstruirpretendesimularelaforoelectrnico habitual y las etapas descritas en el punto anterior, con la ventaja que puede ser usado didcticamente en el Laboratorio de Instrumentacin. Paralaconstruccindeestemduloseelaborarenvidriodostanquesde almacenamiento;desdeunoellos(tanquereservorio)sebombeaaguahaciael tanque principal (tanque a aforar). Para el control del flujo del lquido en la tubera seutilizaunaservovlvulayparaprotegerlabombadelgolpedearietese instalan vlvulas antiretorno. El uso de vlvulas manuales facilita el mantenimiento del mdulo y se utiliza para la purga de agua desde el tanque principal al tanque reservorio. La lnea de descarga de la bomba tiene un sensor de caudal el cual brinda pulsos porunidaddevolumenydentrodeltanqueprincipalseubicaelsensorde presindiferencial usado para proporcionarlosniveles parciales del tanque.La temperatura se mide mediante un sensor encapsulado. La adquisicin de datos se obtiene con la seal acondicionada de los sensores de nivel y temperatura que ingresan al conversor A/D del microcontrolador, mientras que los pulsos que genera el sensor de caudal ingresan a un contador propio del microcontroladorparaluegoserenviadosalPCmedianteuninterfazserial 29RS232. El desarrollo del software capta los datos enviados desde el microcontrolador y los codifica para obtener un HMI en el cual se pueda elaborar la Tabla de Aforo. Esnecesariorealizarladeformacindeltanqueprincipalparasimularelefecto real de la utilizacin del aforo en los tanques por deformacin; para lograr esto se dispone de un tanque auxiliar que se coloca en el interior del tanque principal. 30 CAPITULO 2 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL HARDWARE 2.1.DESCRIPCIN DEL MDULO ElSistemaPrototipodeAforoElectrnicoparaTanquesdeAlmacenamientodeLquidos estconstituido por los elementos mostrados en la Figura 2.1. Figura 2.1 Mdulo del sistema prototipo de aforo electrnico para tanques de almacenamiento de lquido. 1 2 3 4 5 6 7 12 8 9 10 11 31 1.Tanque Principal 2.Tanque Reservorio 3.Bomba 4.Presstato 5.Manmetro 6.Servovlvula 7.Tablero de Control 8.Vlvula Manual Tipo Bola 9.Vlvula Antiretorno 10. Sensor de Caudal (Proporciona pulsos por unidad de volumen) 11. Sensor de Presin Diferencial (Proporciona medicin de nivel) 12. Caja de Conexiones y Tarjetas Electrnicas. 2.2.COMPONENTES DEL MDULO En el sistema prototipo de aforo electrnico para tanques de almacenamiento de lquidosepuededistinguirlapresenciadecomponentes:estructurales, electromecnicos, elctricos y electrnicos. 2.2.1. COMPONENTES ESTRUCTURALES Estndestinadosasolventarelfuncionamientodelsistema,garantizandoel correcto soporte y fijacin de los dispositivos, aparatos y mecanismos del mdulo. 2.2.1.1. Soporte Estructural del Mdulo. Elsoporteestructuraldelmduloestprincipalmenteconstruidodehierroy madera. Laestructuraoesqueletodehierroestsoldadoconvarillacuadradade1-1/4, formando una mesa de trabajo de dimensiones 150 cm. de largo, 80 cm. de ancho 32y90cm.dealtura,lamismaqueensusvrticesinferioresdescansamediante soldadura sobre cuatro ruedas o garruchas las cuales soportan cada una un peso de 50 Kg. Lamaderautilizadaparalaelaboracindeltableroplano,endondereposanlos tanquesydemspartesdelmduloesdetipotriplexcorrientede15mm.de espesoryaquetieneunpesomoderadofacilitandosutransporte,instalaciny mantenimiento. Lamaderafuelacadapreviolarealizacindeunselladoconcatalizadorpara evitar la filtracin de agua en la madera, lo que conserva la durabilidad del tablero plano. Sobreeltableroplanosemontunacaja,endondeseubicaronlastarjetas electrnicasyseformaronlasconexionescorrespondientesparalos componentes elctricos y electrnicos. 2.2.1.2. Tanques. Lostanquesutilizadosfueronconstruidosenvidriode8mm.deespesory sujetadosconsiliconatransparenteconresistenciatrmicagarantizandosu estabilidad y la ausencia de filtraciones. Eltanqueprincipalubicadoenlapartesuperiordelmdulotienedimensiones internasde55cm.defondocuadradoy90cm.dealtura,almacenandoun volumen aproximado de 272 lt. Cabe recalcar que el aforo del tanque principal se realizar para una altura de 70 cm. teniendo como volumen de aforo aproximado 211lt.Delamismaforma,eltanquereservorioqueseencuentraubicadoenla parte inferior del mdulo tiene dimensiones internas de 70 cm. de fondo cuadrado y 60 cm. de altura, dando lugar a un volumen de almacenamiento aproximado de 294lt.Elvolumendeltanquereservoriodebesermayorparaquelabombano funcione en vaco. 332.2.1.3. Accesorios Hidrulicos. Paraelmontajehidrulicodelmduloseutiliztuberaenpolipropilenopara aguacaliente,yaqueposeeresistenciaalaaltapresinyatemperaturas extremas.Acontinuacinsedetallalacantidaddeaccesoriosutilizadosenla construccin hidrulica del mdulo,como se muestra en la Tabla 2.1. Tabla 2.1 Accesorios hidrulicos utilizados en el mdulo NAccesorioDimensinCantidad 1Adaptador para Tanque1/2"4 2Codo de 90 1/2"12 3Filtro de Succin1/2"1 4Neplo 10 cm.1/2"4 5Neplo 5 cm.1/2"4 6Neplo 8 cm.1/2"5 7Neplo Corrido1/2"11 8Tapn Macho1/2"1 9Tee1/2"2 10Unin1/2"3 11Unin Universal1/2"4 12Vlvula Antiretorno1/2"2 13Vlvula de Bola1/2"1 14Codo de 90 3/4"3 15Neplo 10 cm.3/4"1 16Neplo 5 cm.3/4"6 17Neplo 8 cm.3/4"3 18Neplo Corrido3/4"2 19Unin3/4"1 20Unin Universal3/4"2 21Vlvula Antiretorno3/4"1 22Vlvula de Bola3/4"2 23Vlvula de Bola Plstico3/4"1 24Codo Reductor3/4" - 1/2"3 25Manmetro1/4"1 26Presstato1/4"1 27Reductor Bushing1" - 3/4"1 28Reductor Bushing1" - 1/2"1 29Reductor Bushing1/2" - 3/8"2 30Reductor Bushing Galvaniz.1/2" - 1/4"2 31Tee Reductora3/4" - 1/2"1 32Tubera1/2"1,50 m. 342.2.2. COMPONENTES ELECTROMECNICOS Loselementoselectromecnicosutilizadoscombinanparteselctricasy mecnicas para su funcionamiento. En este caso la bomba con impulsor perifrico ylaservovlvula.EneldiagramadebloquesdelaFigura2.2sedetallanlos elementospresentesenelsistemadeaforoparaeltrasladodelquidodesdeel tanque reservorio. Figura 2.2 Diagrama de bloques de los elementos presentes en el mdulo para el traslado de lquidos desde el tanque reservorio 2.2.2.1. Bomba. Labombaempleadatieneimpulsorperifrico,asllamadaporqueenlaperiferia delrodetehansidoaplicadasnumerosasaspasradialesqueseencargande Tanque Reservorio Vlvula Manual de Succin Vlvula Antiretorno de Succin BombaVlvula Antiretorno de Descarga Manmetro Servovlvula Sensor de Flujo Vlvula Manual de Descarga Vlvula de Alivio Tanque Principal Vlvula Manual de Purga Presstato Sensor de Presin Dif. 35cederenergaalfluidobombeado(Figura2.3).Esadecuadaparabombear lquidosneutroslimpios,sinslidosabrasivosatemperaturasinferioresa80C. La bomba tiene proteccin trmica. Figura 2.3 Bomba con impulsor perifrico Elsistematieneunaalimentacinprincipalde110V,ylacorrientenominaldela bomba es 3.2 A. A continuacin en la Figura 2.4, constan los datos de placa. Figura 2.4 Datos de placa de la bomba QB-60 Elcaudalmximoqueofrecelabombaesde40l/min.Segnlaspruebas realizadas genera un caudal mximo de aproximadamente 16 l/min. Enelarranquedelabombasedebeasegurarlaaperturadelasvlvulas manualesylaservovlvulaparaquenoseanafectadasporelgolpedeariete. Paraestefenmenoelfabricanterecomiendaprotegerlabombacolocandouna 36vlvulaantiretornoentrelabocadedescargaylaservovlvula.Estavlvula antiretorno tambin evita el contra flujo de lquido hacia la bomba. 2.2.2.2. Servovlvula. La servovlvula tiene como funcin realizar un control del caudal que circula por la tuberamediantesuvlvulaoactuador,suaperturavadesde0%a100%yesmanejadaporunmicrocontroladorelcualseencargadeenviarlainstruccin adecuadaparaajustarlaposicindelactuador.Esconvenienteusarunmotor pararealizarlamaniobradeabrir-cerrarlavlvula,enestecasoseutilizun motor a pasos para garantizar precisin en el posicionamiento de la vlvula para losdiferentespasosporcentualesdeapertura.EnlaFigura2.5semuestrael montaje de la servovlvula. . Figura 2.5 Montaje de la servovlvula Enelmdulodelproyectofueconvenienterealizarlaconstruccindelactuador, pues en el mercado se encuentran estos dispositivos en valores muy elevados. 37 2.2.2.2.1. Control de la Servovlvula. Laservovlvulaconstruidafueensambladaacoplandoelejedelmotorapasos marca VEXTA PH266-01, a un juego de piones los mismos que estn sujetos a lavlvuladecontrolyaunpotencimetroloscualessirvenparaposicionarla vlvula segn sea necesario. Elmotorapasosutilizadoesunipolarde6hilos,alimentadocon6Vyconuna corrienteporfasede1.2 A,elfuncionamientodelmotorrequiereunasecuencia de8pasosde4bitscadaunoparagirar7.2.Esta maneradeoperacinsedenominaHalf-StepModeyaqueconcadapaquetede4bitsqueenvael microcontroladorselograqueelmotorgire0.9,e sdecirparaqueelmotorgire 360es necesario 50 secuencias de 8 pasos. El potencimetro proporciona informacin de la posicin en la que se encuentra la vlvula. Es conectado en serie a una resistencia de 39K formando un divisor de voltajeconunaalimentacinde5V;estainformacindevoltajeingresaal conversorA/Ddelmicrocontrolador(RA3).Elvalordevoltajequeingresaal conversor cuando la vlvula est completamente cerrada es 1.14 V, y el valor que el registra el potencimetro es de11.5 K. Lospionesestndispuestosenrelacinalnmerodedientes(N)quedispone cada uno y su nmero de vueltas (V), para lo cual V1*N1 ser el pin interno que est acoplado al motor a pasos el cual est ligado y conectado a V2*N2 que es el pin sujeto a la vlvula de control, V3*N3 ser el pin externo del motor ligado a V4*N4 donde est colocado el potencimetro, de esta forma se tiene: N1 = Nmero de dientes del pin interno del motor = 32 N2 = Nmero de dientes del pin de la vlvula de control = 70 N3 = Nmero de dientes del pin externo del motor = 86 N4 = Nmero de dientes del pin del potencimetro = 14 38Paracalcularlarelacinqueexisteentrelospionesesnecesariorealizaruna vuelta completa de manera experimental con el motor a pasos, es decir enviando 50secuenciasde8pasosparaformar360,aclarand oqueparaelloV1=V3, puestoquelospionesinternoyexternodelmotorrealizanjuntosunavuelta completa. Se tiene:

V1 = V3 = Nmero de vueltas del pin del motor interno del motor = 1 vuelta V2 = Nmero de vueltas del pin de la vlvula de control. V4 = Nmero de vueltas del pin del potencimetro Ahorasedebeverificarelemparejamientodelospionesenlaservovlvula,de esta forma se obtiene: tro. potencime del Pinconmotordel externo Pin* *control. de vlvula la de Pinconmotordel interno Pin* *4 4 3 32 2 1 1 = =N V N VN V N V Resta calcular V2 y V4, de la siguiente manera: vueltas V VNNVNNVVvueltas V VNNVNNVV14 . 6 1148645 . 0 170324 343434432 12121221= = = == = = = De esta forma, mediante el giro horario y antihorario del pin acoplado al motorsepuedencontrolarlospionesdelactuadorydelpotencimetro.Conesto,se verificalaaperturadelavlvulaytambinelvalordevoltajequeingresaal conversor A/D del microcontrolador. EnlaFigura2.6sepuedeapreciarlaconexindelasbobinasdelmotoral colectordelostransistoresTIP122consudebidaproteccin,ascomotambin lasdistribucindecoloresdefbricadelosconductoresdelmotorapasos;los coloresqueseencuentranenminsculassonaquellosqueindicanlaconexin 39delmotorenelconectorRJ-45encargadodetrasladarlosconductoreshastala caja de conexiones y tarjetas electrnicas. Figura 2.6 Conexin de las bobinas del motor a pasos Para controlar el giro del motora pasos, mediante los pines del microcontrolador RC0-RC3; se utilizaron los transistores TIP122 debido a la corriente elevada que soportan los mismos entre colector y emisor, provocando as un mayor torque del motor. Para la seleccin de la resistencia que activa la conmutacin de los transistores, se tiene: [ ][ ] [ ][ ][ ][ ] === ==K RbaseK RbasemAV VRbaseIbaseV VdcIbaseVbaseRbasemA Ibase AsumoBE215 . 25 . 27 . 0 55 . 2 : 40En la Figura 2.7 se indica la conexin del potencimetro al microcontrolador. Figura 2.7 Conexin del potencimetro al microcotrolador Paralaseleccindelaresistenciaeneldivisordevoltajedelaconexindel potencimetro se tiene: [ ][ ][ ][ ][ ] =|||

\| =|||

\| = +=K RK RVVK RVpotVdcPot R VdcR PotPotVpot3993 . 38114 . 155 . 111 2.2.3. COMPONENTES ELCTRICOS Estndispuestosparaelfuncionamientodelosdispositivosdepotenciadel mdulo. En este aspecto estn involucrados el tablero de control y las conexiones a las que son sometidas los conductores para un voltaje de 110V. 4112345 678910 11 2.2.3.1. Tablero de Control. Enuntablerodecontrolseconcentranlosdispositivosdeproteccinyde maniobradeloscircuitoselctricos.Paralograrunainstalacinelctricasegura, sedebecontarcondispositivosdeproteccinqueactenenelmomentoenel que se produce una falla (cortocircuito o sobrecarga) en algn punto del circuito. Deestaformaseevitatantoelriesgoparalaspersonasdesufrir"accidentes elctricos",comoelsobrecalentamientodelosconductoresyequiposelctricos, previniendo as dao en el material y posibles causas de incendio. Enel proyectoseconstruyeltablerodecontroltomandoencuenta ademsde las protecciones, los selectores de maniobra en donde se indican el modo de uso: manualoautomtico,ascomotambinelencendidogeneral,encendidode fuentes,parodeemergencia,indicadoresydems.AcontinuacinenlaFigura 2.8 se detallan los principales dispositivos externos del tablero de control, y en laFigura 2.9 se pueden ver los componentes internos del tablero. Figura 2.8 Principales dispositivos externos del tablero de control 421.Voltmetro. (V) 2.Ampermetro. (A) 3.Selector de Tres Posiciones. Manual OFF Automtico. (Sel.3) 4.Luz Piloto de Bomba ON OFF. Modo Manual. (H Man)5.Luz Piloto de Bomba ON OFF. Modo Automtico. (H Aut) 6.Luz Piloto de Sobrepresin en la Tubera. (HPres) 7.Luz Piloto de Encendido General del Mdulo. (H ON) 8.Paro de Emergencia. (PEmer) 9.Llave - Selector para Encendido General del Mdulo. (Llave) 10. Luz Piloto de Fuentes Electrnicas ON OFF. (HFuen) 11. Selector ON OFF de Fuentes Electrnicas. (Sel.2) Paraelencendidoprincipalesnecesarioaccionarelswitchdellave(9)quese encuentraeneltablerodecontroldemaneraquelaluzpiloto(7)seencienda. ParaseleccionarelmodoManualoAutomtico,seusaelselectordetres posiciones (3). Al activarlo, la luz piloto del modo de funcionamiento se enciende (4 o 5). Finalmente, se acciona el selector ON OFF de dos posiciones (11) para encender la alimentacin de la parte electrnica con su respectiva luz piloto (10). Figura 2.9 Principales dispositivos internos del tablero de control 1 2 3 4 5 43De izquierda a derecha se tiene: 1.Portafusibles (32 A 500V) y Fusibles (6 A):a.Control de las Fuentes. (FFuen) b.Potencia de la Bomba. (FBomb1) c.Control de la Bomba. (FBomb2) 2.Disyuntores Trmicos o Breakers:a.Control de las Fuentes (230V 6A). (BFuen) b.Control de la Bomba (230V 10A). (Bbomb) 3.Contactor Principal de la Bomba (3 230V 25A). (CBomb) 4.Juego de Borneras:a.Conexin Externa de la Alimentacin Principal (F N). (BORN1) b.Conexin Externa de la Bomba (F N). (BORN2) c.Conexin Externa de las Fuentes (F N). (BORN3) d.Conexin Externa del Rel en Modo Manual. (BORN4) e.Conexin Externa del Rel en Modo Automtico. (BORN5) f.Conexin Externa del Presstato. (BORN6) 5.Rels Auxiliares (110V 4 Contactos NA/NC) a.Rel Auxiliar Modo Manual. (R Man) b.Rel Auxiliar Modo Automtico. (R Aut) c.Rel Auxiliar Presstato. (Rpres) 2.2.3.1.1. Diagrama Elctrico del Tablero de Control AcontinuacinsepresentaelDiagramaElctrico(ControlyFuerza)delTablero deControlparaelSistemaPrototipodeAforoElectrnicoparaTanquesde Almacenamiento de Lquidos. 44 452.2.3.1.2. Lgica de Funcionamiento del Diagrama Elctrico Deacuerdoalesquemaanterior,lalgicadefuncionamientoquepresentael Diagrama Elctrico del Tablero de Control se detalla a continuacin: Mediantelaconexinexternadelaalimentacinprincipal(BORN1),se energizaelparodeemergencia(PEmer) parautilizarlosiesnecesarioen cualquierinstantedelproceso.Elampermetro(A)estlistoarecibirla corrientedecargade todo elsistema. Adems,severifica elbuenestado delfusibledepotenciadelabomba(FBom1)mediantelaluzinternaque posee el portafusibles. Alcerrarelselectorparaencendidogeneraldelmdulo(Llave),se enciendelaluzpilotodeencendidogeneralcolorverde(HON)yel voltmetro(V)mideelvoltajeLNqueutilizaelsistema.Severificael estadodelosfusiblesdelasfuentes(FFuen)ydecontroldelabomba (FBom2) mediante la luz interna que posee el portafusibles. Paraencenderlaetapadecontroldelasfuentesquealimentanlos dispositivoselectrnicosdelasplacassecierraelbreakerdecontrolde lasfuentes(BFuen)yseactivaelselectordedosposiciones(Sel.2).De estaforma,seenergizalaluzpilotodecoloramarillodelasfuentes (HFuen)ytambinlaBornera(BORN3)queentregaelvoltajeLNpara ser rectificado por las fuentes electrnicas. Cuando se energizan las placas electrnicas de control mediante (BORN3), Elcircuitodeconexindelpresstatoaltablerodecontrolcierrael contactodelpresstato(BORN6)paraenergizarelrelauxiliardel presstato(RPres).Cuandoestoocurre,loscontactos(RPres6-10,7-11, 8-12) se cierran y el contacto (RPres 1-9) se abre. Es decir, la luz piloto rojadesobrepresin(HPres)seenciendesolamentecuandoocurreuna falla de sobrepresin detectada por el presstato. 46Paraarrancarlaetapadecontroldelabombasecierraelbreakerde controldelabomba(BBom2)ymedianteelselectordetresposiciones (Sel.3) se escoge el modo a utilizar el sistema; si es Manual (se energiza R Man)oAutomtica(seenergizaRAut).Deestaforma,loscontactos (Rman5-9y6-10)o(Raut5-9y6-10)secierranyenciendenlasluces pilotocoloramarillo(HMan)o(HAut)deacuerdoalmodoquevayaa utilizar el sistema. Paraencenderlabombaelmicrocontroladorcierraelcontactoenmodo manual(BORN4)oelcontactoenmodo Automtico(BORN5)segnla eleccinrealizadaporelusuariodesdeeltecladomatricialqueposeeel mdulo.Cuandolaeleccinesthecha,seenergizaelcontactordela bomba (Cbomb). Cuando el contactor de la bomba (CBomb) est energizado, los contactos (CBomb 1-2, 3-4, 5-6) se cierrany la bornera de la conexin externa de la bomba (BORN2) recibe el voltaje L N del sistema. Cuando esto ocurre, labombaseenciendeeiniciaelprocesosegnelmodoautilizarporel usuario. 2.2.3.2. Conexiones Elctricas Lasconexioneselctricasalosdispositivosexternosserealizaroncon conductoresrecubiertosdiseadosparatolerarlacorrienteadecuadaporlos dispositivos, en el caso de la bomba por ejemplo, el conductor es calibre 14 AWG, soportando una corriente mxima de 25 A, a una temperatura ambiente de 30C. Losconductoreslleganhastaeltablerodecontrolylacajadeconexionesde tarjetas electrnicas mediante una tubera o manguera elctrica flexible totalmente selladaconsusrespectivosconectoresparaevitarfiltracionesoalgntipode manipulacin externa. La Figura 2.10 muestra las conexiones externas al Tablerode Control. 47 Figura 2.10 Conexiones externas al tablero de control 2.2.4. COMPONENTES ELECTRNICOS Suobjetivoprincipalesformarunconjuntodecircuitosqueinteractanentresi paraobtenerunresultadoespecficodisponiendodeentradasysalidastanto analgicascomodigitales,codificarlasoacondicionarlasparadisponerdeuna seal que pueda ser evaluada con el mundo fsico real. Los principales componentes electrnicos que forman parte del Sistema Prototipo de Aforo para Tanques de Almacenamiento de Lquidos son los siguientes: Sensores (Flujo, Presin Diferencial y Temperatura) Fuentes de Alimentacin Interruptores Electrnicos Acoplados en Vlvulas Manuales y Presstato Teclado Matricial Display LCD Microcontrolador Motor a Pasos acoplado a la Servovlvula48 C Sensor de Presin Diferencial Sensor de Flujo Sensor de Temperatura Interruptor de Purga Interruptor de Descarga Interruptor de Succin InterruptorPresstato Potencimetro Servov. LCD Motor a Pasos Rel al Tablero de Control (M. Automtico) Rel al Tablero de Control (M. Manual) Rel para uso en Modo Automtico Rel para uso en Modo Manual Teclado (Filas Columnas)Comunicacin HMI (TX-RX) Fuentes de Alimentacin Potencimetro acoplado a la Servovlvula Circuito de Comunicacin Serial RS-232 Circuitos Auxiliares para Rels de Encendido de la Bomba en el Tablero de Control y para Conexin de los Sensores en Modo Manual. EneldiagramadebloquesdelaFigura2.11sedetallanloscomponentes electrnicosdel Sistema de Aforo para Tanques de Almacenamiento de Lquidos. Figura 2.11 Diagrama de bloques de los elementos presentes en el mdulo para el traslado de lquidos desde el tanque reservorio 492.2.4.1. Sensores. Sonaparatoscapacesdemedirmagnitudesfsicasoqumicasdeinters, llamadasvariablesdeinstrumentacin.Lasvariablesdeinstrumentacin dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, nivel, flujo o caudal,distancia,presin,fuerza,torsin,humedad,pH,etc.Unamagnitud elctrica obtenida mediante el acondicionamiento de los sensores puede ser una resistenciaelctrica(comoenunaRTD),unacapacidadelctrica(comoenun sensor de humedad), una tensin elctrica (como en un termopar), una corriente elctrica(comounfototransistor),frecuenciadepulsos(comoenunsensorde flujo o caudal). Los sensores utilizados en el Sistema Prototipo de Aforo Electrnico para Tanques de Lquidos son los siguientes: Sensor de Flujo Tipo Turbina Sensor de Presin Diferencial Sensor de Temperatura 2.2.4.1.1. Sensor de Flujo Tipo Turbina. El sensor de flujo utilizado es de la marca OMEGA, modelo FTB2005, usado para aplicaciones que involucran monitoreo de lquido en un flujo menor a 30 LPM, de bajo costo y adecuado para la necesidad del sistema por su repetibilidad del 0,5% de la escala total de medicin, as como tambin la orientacin de su instalacin. Latecnologaconturbinanoesinfluenciadaporloscambiosdepresinenel sistema,laturbinadisponedeimanesqueseinstalanenlosextremosdelas aspas;algirarlosimanessegenerauncampomagnticoqueesledoy codificadoporunsensordenominadoHalfEffectSwitch,originandoasla salida tipo pulso desde el sensor de flujo tipo turbina de la Figura 2.12. 50 Figura 2.12 Sensor de flujo tipo turbina. La salida elctrica del sensor es de tipo pulso, con una amplitud igual al voltaje de alimentacin (5 24 VDC), a medida que el caudal vara, cambia su frecuencia (33 500 Hz), En la Figura 2.13 se muestran las seales de operacin del sensor para una apertura de 20% de la Servovlvula (141.9 Hz) y para una apertura de 100% (255.8 Hz)

Figura 2.14 Seal de operacin del sensor de flujo para un 20% y 100% de apertura de la servovlvula Los rangos de operacin del sensor de flujo que brinda el fabricante se muestran en la Tabla 2.2. 51 Modelo Rangos de Flujo PulsosFrecuencia NormalExtendido 3/8 NPTGPMLPMGPMLPM Por Galn Por Litro Salida FTB2005.53 7.92 30.13 7.9.5 30 3800100033 500 Hz Tabla 2.2 Rangos de operacin del sensor de caudal FTB2005 Lacantidaddepulsosquegeneraelsensorsoncuantificadosmedianteel microcontroladorconelcontadordepulsos(RA4)ensusflancosdesubida,con estosesabeconexactitudlacantidaddelitrosquehaningresadoaltanque principalporcada 5milmetros(patrnde nivelasumido para elniveldeltanque quesedeseaaforar).EnlaFigura2.15semuestralaconexindelsensor recomendada por el fabricante as como la distribucin de sus conductores. Figura 2.15 Conexin del sensor recomendada por el fabricante Elsensoresalimentadocon10VDC,ysedisponedeundiodoznerde5.1V queregulaelvoltajedeentradaalmicrocontrolador.Laresistenciade10Kse encarga de limitar la corriente que ingresa al microcontrolador a 0.5mA. El circuito de conexin del sensor de flujo se muestra en la Figura 2.16.

52 Figura 2.16 Circuito de conexin del sensor de flujo al microcontrolador 2.2.4.1.2. Sensor de Presin Diferencial. Medianteelprincipiodemedicinporpresindiferencialelsensordemarca SENSYM, modelo SCX05DNC, mide el nivel del tanque. Posee calibracin interna ycompensacindetemperaturaporsobrelos70C.P araelcasodelaforoes capazderespondermedianteunvoltajeproporcionaladiversosnivelesde lquido; ya que mediante una sonda de vidrio y un tubo capilar mide la presin que ejerceellquidosobreeltanqueylocomparaconlapresinatmosfrica, dando lugaraladiferenciadepresinparalocualestdiseado.Unextremodela sondaesubicadaenelfondodelnivel0deltanqueyelotroextremoenuna entrada del sensor A continuacin se detallan las operaciones aritmticas necesarias para calcular la presin diferencial producida por el nivel en el tanque Las relacin para determinar la presin que ejerce una columna de lquido sobre un tanque abierto son las siguientes: atm rel abs relP P P h g P + = = 53Donde: P = Presin relativa de la columna de agua sobre el tanque = densidad del agua (1000 [Kg/m3]) g = gravedad (9.8 [m/s2]) h = Altura de la columna de agua (menor a 0.8 [m]) Patm = 14.696 [PSI] 1 [Bar] = 100 [KPa]y1 [PSI] = 0.0689 [Bar] Seprocedeacalcularlapresinrelativaqueejercelacolumnadeagua sobre el tanque, cuando se tiene 0.8 [m]. [ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ]PSI PBarPSIKPaBarKPa PKPas mKgPmsmmKgPh g Prelrelrelrelrel14 . 10689 . 01100184 . 784 . 7 78408 . 0 8 . 9 100022 3= ==((

=((

((

= = La presin absoluta de la columna de agua es la siguiente: [ ] [ ][ ] PSI PPSI PSI PP P Pabsabsatm rel abs84 . 157 . 14 14 . 1=+ =+ = El sensor modelo SCX05DNC tiene una presin de operacin de de 0 5 PSID,esdecirladiferenciaentrelasdosentradasdelsensor.Paraeste caso, es la diferencia entre la presin absoluta de la columna de agua y la presin atmosfrica. [ ] [ ][ ] PSI PPSI PSI PP P Pdifdifatm abs dif14 . 17 . 14 84 . 15= = = De esta forma la presin diferencial mxima utilizada en el sistema es de 1.14 [PSI] por lo que el sensor utilizado puede medirla. 54 Paraelacondicionamientodelsensordepresindiferencialelfabricante recomiendaelusodelaplacaSCX-E1,alimentadacon10VDCyquepermite realizar ajustes del cero y de ganancia. En el caso del sistema de aforo se ajusta elceroparalasegundacuartapartedeloquepuedeleerelconversor A/Ddel microcontrolador, es decir, el conversor convierte valores de voltaje de 0 5 VDC avaloresbinariosde0255respectivamente.Enesecaso,medianteel potencimetrodelaplacaSCX-E1seajustaelcerodeltanqueaunvoltajede 1.19VDCcorrespondientealvalor60enbinariodelconversor A/D;parael nivel mximoquees70cm.ytomandocomopatrndemedidadenivel5mm.se especifica la lectura de 140 medidas binarias del microcontrolador que sumadas a las 60 unidades binarias ubicadas en el cero, dan como resultado 200 mediciones binarias ledas por el conversor, dando como efecto aproximadamente 4 VDC que ingresaranalconversorA/Ddelmicrocontrolador(RA0)alaalturamximadel tanqueprincipal.EnlaFigura2.17semuestraelsensordepresindiferencialy su placa de acondicionamiento. Figura 2.17 Sensor de presin diferencial SCX05DNC y placa de acondicionamiento SCX-E1 55En la Figura 2.18 se muestra la conexin de la placa de acondicionamiento SCX-E1delsensordepresindiferencialalmicrocontroladormedianteunseguidor emisorparaacoplarlasimpedancias,ascomotambinladistribucindelas borneras de la placa SCX-E1 con su respectiva alimentacin. Figura 2.18 Conexin del sensor de presin diferencial al microcontrolador La salida de este acondicionamiento es de 4 VDC para la presin mxima de 1.14 [PSI] cuando el tanque tiene un nivel de 0.8[m]. 2.2.4.1.3. Sensor de Temperatura. Sufuncinprincipalestomarlatemperaturaambientealacualserealizanlas mediciones de aforo del tanque principal del mdulo; para esto se utiliza el sensor detemperaturadelafirmaNacionalSemiconductormodeloLM35,elcualesun sensordetemperaturatipocircuitointegradoconsalidadevoltaje proporcionalmente lineal en grados centgrados (+10mV/C). (Figura 2.19). 56 Figura 2.19 Sensor de temperatura LM35 Elsensoresalimentadocon10VDCylasalidadevoltajedelsensorest acondicionada para ser leda por el conversor A/D del microcontrolador (RA1), el circuito de acondicionamiento tiene un amplificador no inversor con una ganancia V 16.67,Es decir, planteando una temperatura ambiente mxima de 30C el sensortendrunasalidamximade300mVconlagananciaV16.67al conversor ingresarn aproximadamente 5 VDC (Valor mximo). (Figura 2.20) Figura 2.20 Acondicionamiento del sensor de temperatura LM35 57Elclculodelasresistenciasqueformanelamplificadornoinversoresel siguiente: [ ][ ][ ] = == = K R R asume SeV Vo ador microntrol el hacia salida MximamV Vin C en ambiente a temperatur la asume Se25300 30 mxima" "2 1 [ ][ ][ ] [ ][ ][ ] = |||

\| |||

\| =|||

\| ++ =K de tro potencime un coloca SeK POTK KmVVPOTVinRPOT RVo5034 . 292 2 13005112 2.2.4.2. Fuentes de Alimentacin. Se entiende por fuente de alimentacin simple o primaria a un sistema electrnico que suministra las tensiones y corrientes necesarias para el funcionamiento de los circuitoselectrnicos.Portanto,lasfuentesdealimentacinsonsistemas suministradoresdeenergaelctrica.Estprincipalmentecompuestaporun bloquetransformador,otrobloquerectificador,unltimobloquedefiltradoyporun bloque regulador. El bloque transformador, en caso de existir, estar formado por el componente de nombreanlogo.Elbloquerectificadorestformadotpicamentepordiodos,y puede ser media onda o de onda completa. El bloque de filtrado lo constituye un condensador de gran capacidad o una asociacin de condensadores y bobinas o resistencias. Por ltimo, el regulador es un circuito integrado que reduce el rizado de la forma de onda al valor de voltaje deseado. 58Lafuentedealimentacinde5VDCqueseusaparaenergizarel microcontroladorydemsdispositivosTTLcomoelLCD,rels,potencimetro, MAX232, etc. se muestra en la Figura 2.21. Figura 2.21 Fuente de alimentacin + 5 VDC Elclculorealizadoparaeldiseodelafuentede+5VDCsedetallaa continuacin: Loscapacitoresconectadosalosreguladoresdevoltajesonutilizadospara compensarloselementosparsitosenlosconductoreslargos(0.33F)ypara eliminarelruidodealtafrecuencia(0.1F).laresistenciaRde330limitala corriente a 18mA para encender el led de funcionamiento de la fuente. [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ][ ][ ] [ ][ ] [ ] V a LM el por regulados son que V VHz FAVf CIVm VA I ensiona sobre se diseo ParamA mA mA mA mA mA II I I I I IF C asume Secin transforma de relacin la por V V Vm dondef CIVmf C RVVm Vtiene se filtrado y in rectificac de etapa la de DespusDCDCDCDCDCrels teclado n comunicaci LCD olador microcontr DCDCa cDCDC5 7805 97 . 660 1000 2197 . 1621 : dim850 100 50 50 150 5001000 :97 . 16 12 2 :2 2: ,arg= = === + + + + =+ + + + === = = =59 Losclculosrealizadosenestediseosonsimilaresparalasdemsfuentes utilizadas. Para la alimentacin de los sensores se utiliza la fuente de 10 VDC del circuito de la Figura 2.22. Figura 2.22 Fuente de alimentacin + 10 VDC Por la presencia de ruido en la seal de los interruptores de las vlvulas manuales ydelpresstato,esnecesarioaislarlas fuentesdealimentacin, esporesoque fue conveniente elaborar la fuente de 12 VDC del circuito de la Figura 2.23. Figura 2.23 Fuente de alimentacin + 12 VDC EnlaFigura2.24semuestraelcircuitodelafuentedealimentacindoblede6 VDC, utilizada especficamente para energizar las bobinas del motor a pasos. 60 Figura 2.24 Fuente de alimentacin + 6 VDC 2.2.4.3. Interruptores ElectrnicosAcoplados en Vlvulas Manuales y Presstato. En el Sistema Prototipo de Aforo Electrnico para Taques de Almacenamiento de Lquidoseencuentraninstaladastresvlvulasmanualestipobola,lasmismas quesirvenpararealizarmantenimientoenlainstalacinhidrulicadelmdulo. Dichasvlvulasestnubicadasenlasdosetapasdebombeodesdeeltanque reservoriohaciaeltanquequesedeseaaforaryeneldesfogueopurga.A continuacin se detallan estas vlvulas y su ubicacin: VlvuladeSuccin.-Ubicadaenlatuberaqueestentreeltanque reservorio y la boca de succin de la bomba. En el proceso de aforo debe permanecer abierta, de lo contrario en la bomba no ingresa ningn lquido y trabaja en vaco. VlvuladeDescarga.-Ubicadaenlatuberaqueestentrelabocade descargadelabombayeltanqueprincipal.Enelprocesodeaforodebe 61permanecer abierta, de lo contrario la bomba se sobrecalienta y en la lnea existe sobrepresin. Vlvula de Purga.- Ubicada en la tubera que est entre el tanque principal y el tanque reservorio. Se usa para vaciar el tanque principal. En el proceso de aforodebepermanecercerrada,delocontrariooperacomo fugaenel aforo y las mediciones de volumen se alteran. Lasvlvulasmanualesdescritasanteriormenteestnadecuadasparaque funcionencomouninterruptormedianteelcontactodelapartemvildela vlvulaconsuestructurafija,realizandolaunindesuspiezasmecnicas, debido a que se sujeta un conductor en la estructura fija y otro conductor en la partemvil,cuandolaspiezasseunen,ocasionaelacoplamientodelos conductores, De esta forma el funcionamiento de las vlvulas como interruptores tienen similar criterio de operacin que un contacto fin de carrera Paradeterminarlapresinelevadaenelmduloestpresenteelinterruptorde sobrepresin o presstato, el mismo que posee un contacto normalmente cerrado en funcionamientonormal;cuandolapresincrece elcontactoaccionaunjuego de resortes que abre el interruptor. Aestosinterruptoresmecnicosesnecesarioenergizarlosparaqueenvenuna seal lgica al microcontrolador (1L / 0L), el mismo que se encarga de detener el procesosilosinterruptoresestndispuestosdeunamaneraincorrecta,A continuacin se presenta en la Tabla 2.3 los valores lgicos adecuados para que elproceso de aforo se desarrolle correctamente. PresstatoPurgaDescargaSuccin Estado Vlvula Manual--------CerradaAbiertaAbierta Interruptor Acoplado a la Vlvula Manual CerradoAbiertoCerradoCerrado Valor Lgico al C1L0L1L1L Tabla 2.3 Valores lgicos de los interruptores para un correcto aforo62 Elencendidoyapagadodelabombageneraunruidodealtafrecuenciaque afecta a los interruptores instalados en las vlvulas y presstato, por tal motivo, se aslalasealdelosinterruptoresconlaseallgicaqueingresaal microcontrolador.Parasolucionar elproblemaseutilizaronrels,de maneraque lasealalmicrocontroladorseaisla.EnlasFigura2.25semuestralaconexin del interruptor de purga y su conexin al microcontrolador para obtener 0L cuando el interruptor de purga est abierto. Figura 2.25 Conexin del interruptor de purga al microcontrolador Eldiseodelasresistenciasutilizadasenestaconfiguracinrealizadela siguiente manera: [ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ] [ ][ ] = = = = = =K RK KmAVRIVRmA a olador microcontr al corriente la itar para considera se RKmAVIVRmA a tierra y fuente la entre corriente la itar para considera se RCDCDCDC6 . 569 . 5 265 . 0565 . 0 lim25 . 255 . 2 lim21 2211 63Paralaconexindelosinterruptoresacopladosalasvlvulasmanualesde Succin, Descarga y Presstato se mantiene la misma lgica de diseo. En las Figuras 2.26 y 2.27 se muestra el circuito de conexin de los interruptores deSuccin,DescargayPresstatoysurespectivaconexinalmicrocontrolador paraobtener1Lcuandoelinterruptoracopladoestcerrado.Estecircuitoes similaralanteriorylasvariantessonlospinesdeentradaalmicrocontrolador,y en el caso del presstato su conexin a la bornera 6 del tablero del control. Figura 2.26 Conexin de interruptores de succin y descarga al microcontrolador Figura 2.27 Conexin de interruptor del presstato altablero de control y al microcontrolador 642.2.4.4. Teclado Matricial Untecladomatricialesunsimplearreglodepulsantesconectadosenfilasy columnas, de modo que se pueden leer varios botones con el mnimo nmero de pinesrequeridos.Untecladomatricial34otipotelefnicosolamenteocupa4 lneas de un puerto para las filas y otras 3 lneas para las columnas, de este modo se pueden leer 12 teclas utilizando solamente 7 lneas de un microcontrolador. Si seasumequetodaslascolumnasyfilasinicialmenteestnenalto(1L),la pulsacindeunbotnsepuededetectaralponercadacolumnaenbajo(0L)y chequear cada fila en busca de un cero. Si ninguna fila est en bajo entonces el 0L de las columnas se recorre hacia la siguiente y as secuencialmente. Eltecladotipotelefnicoutilizadocomprende12teclas,peroparaelusoenel sistemasolamenteseusan5teclasparalosmensquesedesplieganenel display LCD. En la Figura 2.28 se indican la distribucin de las teclas en el mdulo con sus respectivas funciones. Figura 2.28 Teclas usadas en el sistema con su respectiva funcin Fila 1 Columna 1Tecla MEN PRINCIPAL Fila 1 Columna 3Tecla RETROCESO Tecla OKFila 2 Columna 2 Fila 3 Columna 1Tecla 1 Fila 3 Columna 3Tecla 2 Men Retroceso Tecla 2 Tecla 1 OK 65Eltecladomatricialpermiterecopilarinformacindelateclaquefuepresionada medianteelbarridodecolumnasyfilasrealizadasporelmicrocontrolador,esta informacin es codificada internamente. En la Figura 2.29 se muestra la conexin deltecladomatricialalmicrocontrolador,caberecalcarqueenlasiguiente conexin no se involucran resistencias limitadoras de corriente debido a que en el microcontrolador se habilitaron resistencias de Pull-Up para el PORTB. Figura 2.29 Conexin del teclado matricial al microcontrolador. 2.2.4.5. Display LCD LapantalladecristalliquidooLCD(LiquidCrystalDisplay)esundispositivode visualizacingrficoparalapresentacindecaracteres,smbolosoincluso dibujos(enalgunosmodelos).Enestecaso disponede2filasde16caracteres cada una y cada carcter dispone de una matriz de 5x7 puntos (pxeles), aunque loshaydeotronmerodefilasycaracteres.Estedispositivoestgobernado internamenteporunmicrocontroladoryregulatodoslosparmetrosde presentacin. El tipo de LCD utilizado se muestra en la Figura 2.30. 66 Figura 2.30 LCD (Liquid Cristal Display) EldisplayLCDproporcionagranayudaenlavisualizacindelosmensdel sistema,presentamensajesenrespuestaaltecladomatricialyejecutalaaccin determinada por el usuario u operador. Para comunicarse con la pantalla LCD se utiliz el bus de 4 bits. En la Tabla 2.4 se enumera la descripcin de los pines del Display LCD. Tabla 2.4 Descripcin de los pines del Display LCD PIN NSIMBOLODESCRIPCION 1VSSTierra de alimentacin GND 2VDDAlimentacin de +5V CC 3VEEContraste del cristal liquido. ( 0 a +5V ) 4RS Seleccindelregistrodecontrol/registro de datos: RS=0 Seleccin registro de control RS=1 Seleccin registro de datos 5R/W Seal de lectura/escritura: R/W=0 Escritura (Write) R/W=1 Lectura (Read) 6E Habilitacin del modulo: E=0 Mdulo desconectado E=1 Mdulo conectado 7-14D0-D7Bus de datos bidireccional. 67En la Figura 2.31 se muestra la conexin del Display LCD al microcontrolador, as como el correspondiente circuito para el ajuste del contraste. Figura 2.31 LCD (Liquid Cristal Display) 2.2.4.6. Microcontrolador PIC 16F877A Esundispositivoprogramablecapazderealizardiferentesactividadesque requierandelprocesamientodedatosanalgicos,digitales,delcontroly comunicacindigitaldediferentesdispositivos.poseenunamemoriainternaque almacenadostiposdedatos;lasinstrucciones,quecorrespondenalprograma que se ejecuta, y los registros, es decir, los datos que el usuario maneja, as como registrosespecialesparaelcontroldelasdiferentesfuncionesdel microcontrolador. LosmicrocontroladoresseprogramanenAssemblerycadamicrocontrolador varasuconjuntodeinstruccionesdeacuerdoasufabricanteymodelo.De acuerdoalnmerodeinstruccionesqueelmicrocontroladormanejasele denomina de arquitectura RISC (reducido) o CISC (complejo). 68LosmicrocontroladoresposeenprincipalmenteunaALU(UnidadLgico Aritmtica), memoria del programa, memoria de registros, y pines I/O (entrada y/0 salida).LaALUeslaencargadadeprocesarlosdatosdependiendodelas instruccionesqueseejecuten(ADD,OR, AND),mientrasquelospinessonlos queseencargandecomunicaralmicrocontroladorconelmedioexterno;la funcin de los pines puede ser de transmisin de datos, alimentacin de corriente para el funcionamiento de este o pines de control especifico. EnesteproyectoseutilizelmicrocontroladorPIC16F877A.Este microcontroladoresfabricadoporMicrochip.Elmodelo16F877Aposeevarias caractersticas detalladas en la Tabla 2.5 CARACTERSTICASPIC 16F877A Frecuencia mximaDX-20MHz Memoria de programa flash palabra de 14 bits8KB Puertos E/SA,B,C,D,E Nmero de pines40 Interrupciones14 Timers3 Mdulos CCP2 Comunicaciones SerieMSSP, USART Comunicaciones paraleloPSP Juego de instrucciones35 Instrucciones Longitud de la instruccin14 bits ArquitecturaHarvard CPURisc Canales PWM2 Tabla 2.5 Caractersticas del microcontrolador PIC16F877A 69A continuacin, en laTabla 2.6 se muestra la distribucin de pinesde entrada y salida del microcontrolador PIC16F877A. NPinEntrada/SalidaNombreDescripcin 1Entrada DigitalMCLR/VPPMaster Reset2Entrada AnlogaRA0/AN0 EntradaalCanaldeConversinA/D (AN0) del sensor de Presin Diferencial 3Entrada AnlogaRA1/AN1 EntradaalCanaldeConversinA/D (AN1) del sensor de Temperatura 4Entrada Digital RA2/AN2/VREF-/VREF+ EntradadelaSealdelInterruptordel Presstato 5Entrada AnlogaRA3/AN3/VREF+ EntradaalCanaldeConversinA/D (AN3) del Potencimetro de la Electrov. 6 Entrada Digital Tipo Pulso RA4/T0CKI/C1OUTEntrada de los pulsos del sensor de Flujo 7Salida DigitalRA5/AN4/SS/C2OUT SalidaalRelparaEncendidodela Bomba en Modo Automtico 8Entrada DigitalRE0/RD/AN5 EntradadelaSealdelInterruptor Acoplado a la Vlvula de Succin9Entrada DigitalRE1/WR/AN6 EntradadelaSealdelInterruptor Acoplado a la Vlvula de Descarga 10Entrada DigitalRE2/CS/AN7 EntradadelaSealdelInterruptor Acoplado a la Vlvula de Purga 11Polarizacin (+)VDD+ 5 VDC 12Polarizacin (-)VSSGND 13Entrada CristalOSC1/CLKIEntrada Cristal 14Entrada CristalOSC2/CLKOEntrada Cristal 15Salida DigitalRC0/T1OSO/T1CKI SalidaalMotoraPasos.Conductor (ROJO (Azul - Blanco)) 16Salida DigitalRC1/T1OSI/CCP2 SalidaalMotoraPasos.Conductor (AZUL (Azul)) 17Salida DigitalRC2/CCP1 SalidaalMotoraPasos.Conductor (NEGRO (Caf - Blanco)) 18Salida DigitalRC3/SCK/SCL SalidaalMotoraPasos.Conductor (VERDE (Caf)) 19Salida DigitalRD0/PSP0Salida al LCD (DATO4) 7020Salida DigitalRD1/PSP1Salida al LCD (DATO5) 21Salida DigitalRD2/PSP2Salida al LCD (DATO6) 22Salida DigitalRD3/PSP3Salida al LCD (DATO7) 23Salida DigitalRC4/SDI/SDA SalidaalRelparaConexindelSensor de Flujo en Modo Manual 24Salida DigitalRC5/SDO SalidaalRelparaConexindelSensor de Presin Diferencial en Modo Manual 25Salida DigitalRC6/TX/CK SalidadelosDatosaTransmitirhaciala PC va RS-232 26Entrada DigitalRC7/RX/DT EntradadelosDatosRecibidosdesdela la PC va RS-232 27Salida DigitalRD4/PSP4Salida al LCD (RS) 28Salida DigitalRD5/PSP5Salida al LCD (E) 29Salida DigitalRD6/PSP6 SalidaalRelparaEncendidodela Bomba en Modo Manual 30--------RD7/PSP7----------------------------------------- 31Polarizacin (-)VSS+ 5 VDC 32Polarizacin (+)VDDGND 33--------RB0/INT----------------------------------------- 34Salida DigitalRB1 SalidahacialaColumna1delTeclado Matricial 35Salida DigitalRB2 SalidahacialaColumna2delTeclado Matricial 36Salida DigitalRB3/PGM SalidahacialaColumna3delTeclado Matricial 37Entrada DigitalRB4 EntradadesdelaFila1delTeclado Matricial 38Entrada DigitalRB5 EntradadesdelaFila2delTeclado Matricial 39Entrada DigitalRB6/PGC EntradadesdelaFila3delTeclado Matricial 40--------RB7/PGD----------------------------------------- Tabla 2.6 Distribucin de pines I/O del microcontrolador PIC 16F877A. 712.2.4.7. Comunicacin Serial RS-232 El puerto serial de las computadoras es conocido como puerto RS-232, la ventaja deestepuertoesquetodaslascomputadorastraenalmenosunpuertoserial, estepermitelascomunicacionesentreotrosdispositivostalescomootra computadora, el ratn, impresora y en este caso los microcontroladores. Antelagranvariedaddeequipos,sistemasyprotocolosqueexistensurgila necesidaddeunacuerdoquepermitieraalosequiposdevariosfabricantes comunicarseentresi.ElEstndarEIA/TIA232definelainterfasemecnica,los pines, las seales y los protocolos que debe cumplir la comunicacin serial. Todas las normas RS-232 cumplen con los siguientes niveles de voltaje: Un1lgico(1L)esunvoltajecomprendidoentre5Vy15Venel transmisor y entre 3V y 25V en el receptor. Un0lgico(0L)esunvoltajecomprendidoentre+5Vy+15Venel trasmisor y entre +3V y +25V en el receptor. Elenvodeniveleslgicos(bits)atravsdecablesolneasdetransmisin necesitalaconversinavoltajesapropiados.Enlosmicrocontroladorespara representarun(0L)setrabajaconvoltajesinferioresa0.8V,yparaun(1L)con voltajes mayores a 2V. En general cuando se trabaja con familias TTL y CMOS se asume que un (0L) es igual a 0V y un (1L) es igual a 5V. Laimportanciadeconocerestanorma,radicaenlosnivelesdevoltajeque maneja el puerto serial del ordenador, ya que son diferentes a los que utilizan los microcontroladoresylosdemscircuitosintegrados.Porlotantosenecesitade unainterfasequ