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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA INSTRUMENTACIÓN NIVEL: VII

TITULO: “IMPLEMENTACIÓN DE UN CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE NIVEL DE UN LÍQUIDO CON EL PRINCIPIO ULTRASÓNICO”

NOMBRE:

Andrade Mantilla Antony Alexander Pacheco Taco Diego Ernesto Quinga Caiza Geovanny Patricio

DOCENTE:

Ing. Wilson Sánchez

Latacunga – Ecuador Julio 2016

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I.

TEMA: ● Implementación de un circuito de acondicionamiento de nivel de un líquido con el principio ultrasónico.

II.

OBJETIVOS General ● Diseñar un medidor de nivel de líquidos casero mediante un sensor ultrasónico.

Específicos ● Identificar las características que permiten la utilización del sensor ultrasónico. ● Implementar un sistema de recipientes a desnivel con un líquido, en este caso agua. ● Determinar el nivel de un líquido en un recipiente.

III.

MATERIALES Y EQUIPOS ● Modulo sensor ultrasónico HC-SR04 ● Dos recipientes ● Equipo de venoclisis. ●

Una Arduino Uno

● Computador ● Software Arduino IV.

MARCO TEÓRICO

Funcionamiento de un sensor de nivel y distancia ultrasónico. Un sensor ultrasónico de distancia o nivel tiene un funcionamiento el cual mide empleando un transductor el cual emite “paquetes” de sonidos los cuales son una serie de ondas sonoras intermitentes el cual se emite en una forma cónica las cuales se rebotan o reflejan en la superficie del objetivo las cuales se reciben de regreso en un transductor el tiempo requerido por el sonido en ir y regresar es medido el mismo que se convertirá a unidades de distancia. También existen varios factores los cuales afectan la medición con ultrasonido como son la naturaleza de la superficie el ángulo del cono la distancia de objetivo. Las condiciones ambientales cono son la temperatura, humedad relativa, gases, vapores y la presión también son otros efectos que afectan a este tipo de sensores.

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Consideraciones para una correcta selección de condiciones de operación: Superficie: la superficie-objetivo ideal es dura y lisa la cual se reflejara a una mayor cantidad de señal que en la de una superficie suave y rugosa. Un eco débil del objetivo pequeño o suave reduce la distancia de operación del sensor y la cual disminuye su exactitud. Distancia: mientras más corta sea la distancia al objetivo, el eco será más fuerte de modo que la distancia aumenta se requiere mejores características reflejantes en la superficie del objetivo. Tamaño: Un objeto grande tiene una mayor superficie de rebote de señal que un objeto pequeño, por lo que la superficie a reconocer como objetivo es lo más cercano al sensor. Ángulo: la inclinación de la superficie objetivo afecta la reflectividad. Que las partes que sean perpendiculares al sensor es la revota del eco. Si esta superficie total esta inclinada fuertemente la señal será rebotada alejándola del sensor y no detectara el eco.

Figura 1. Condiciones para un sensor ultrasónico Proyección de paquete ultrasónico: El patrón de haz producido por el sensor es expresado en el número de grados en el que el haz se separa de la línea central del sensor el mismo que se proyecta en una forma cónica desde el transductor como se indica en la figura 2 de acuerdo a la distancia que este proyectada será menos la intensidad de señal de acuerdo al rango de operación. El área de censado se ve afectada por el número de pulsos enviado por el sensor y por el nivel de sensibilidad. A nivel alto de pulsos y sensibilidad, mayor superficie que a niveles bajos.

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Figura 2. Forma de proyección del sensor ultrasónico Para el área en la que se proyecta el haz ultrasónico se realiza mediante la siguiente función trigonométrica. 𝑎 = 𝑏 ∗ 𝑡𝑔(𝐴) Donde: 

a=b desviación del eje del sensor.



b distancia.



A ángulo de separación del haz ultrasónico.

Figura 3. Ángulos populares de los sensores ultrasónicos Idealmente el área del objetivo debe exceder el diámetro de haz desparramado a la distancia del rango de censado requerido. Sensor ultrasónico HCSR-04 El HC-SR04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 450 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. De muy pequeño tamaño, el HC-SR04 se destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio por lo que está reemplazando a los sensores polaroid en los robots más recientes, además del fácil uso y programación ya sea en placas de Arduino y micro controladores.

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Figura 4. Sensor Ultrasónico HC-SR04 Especificacionestécnicas 

Corriente de reposo: < 2mA



Corriente de trabajo: 15mA



Ángulo de medición: 30º



Ángulo de medición efectivo: < 15º



Detección: de 2cm a 400cm o 1" a 13 pies (Sirve a más de 4m, pero el fabricante no garantiza una buena medición).



Resolución: La precisión puede variar entre los 3mm o 0.3cm.



Dimensiones: 45mm x 20mm x 15mm



Frecuencia de trabajo: 40KHz

Numero de pines: 

VCC: Alimentación +5V (4.5V min – 5.5V máx.)



TRIG: Trigger entrada (input) del sensor (TTL)



ECHO: Echo salida (output) del Sensor (TTL)



GND

Funcionamiento. 

Enviar un Pulso "1" de al menos de 10uS por el Pin Trigger (Disparador).



El sensor enviará 8 Pulsos de 40KHz (Ultrasonido) y coloca su salida Echo a alto (seteo), se debe detectar este evento e iniciar un conteo de tiempo.



La salida Echo se mantendrá en alto hasta recibir el eco reflejado por el obstáculo a lo cual el sensor pondrá su pin Echo a bajo, es decir, terminar de contar el tiempo.

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

Se recomienda dar un tiempo de aproximadamente 50ms de espera después de terminar la cuenta.



La distancia es proporcional a la duración del pulso y puedes calcularla con las siguiente formula (Utilizando la velocidad del sonido = 340m/s): Distancia en cm (centímetros) = Tiempo medido en us x 0.017

V.

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

DISEÑO El diseño del acondicionador lo hemos ligado directamente al código del programa que realiza dicha operación mediante la tarjeta Arduino Variables a utilizar float distancia; float distancia1; long tiempo; int izqA = 5; int izqB = 6; int derA = 7; int derB = 10; intvel = 255; 

Lista de variables usadas en el programa

Configuración Iniciales

void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode(3, OUTPUT); pinMode(2, INPUT); pinMode(derA,OUTPUT); pinMode(derB,OUTPUT); pinMode(izqA,OUTPUT); pinMode(izqB,OUTPUT); }

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

Se configura la velocidad de procesamiento del puerto y se declara los datos de entrada y salida del código.

Configuración principal (desarrollo)

void loop(){ digitalWrite(3,LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(3, HIGH); delayMicroseconds(10); tiempo=pulseIn(2, HIGH); distancia= float(0.017*tiempo)-1.5-0.69; distancia1=10-distancia; if(distancia1 >= 10){ Serial.print("EL NIVEL ESTA A "); Serial.print(distancia1); Serial.print(" cm"); Serial.println(". RANGO CRITICO APAGAR LA ELECROVALVULA AHORA! "); delay(500); digitalWrite(5,HIGH); digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(7,LOW); } if(distancia1 >= 1.5 && distancia < 10){ Serial.print("El Rango de nivel es optimo, se encuentra en: "); Serial.print(distancia1); Serial.println(" cm"); delay(500); digitalWrite(6,HIGH); digitalWrite(5,LOW); digitalWrite(7,LOW); } if(distancia1 < 1.5){

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Serial.print("EL NIVEL ESTA A "); Serial.print(distancia1); Serial.print(" cm"); Serial.println(". RANGO CRITICO ENCENDER LA ELECROVALVULA AHORA! "); delay(500); digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(5,LOW); digitalWrite(6,LOW); } } 

Se estabiliza al sensor mediante el apagado del pin 3.



Se manda el pulso ultrasónico y se emplea una función para medir la longitud del pulso entrante. Mide el tiempo que transcurrido entre el envío del pulso ultrasónico y cuando el sensor recibe el rebote, es decir: desde que el pin 12 empieza a recibir el rebote (HIGH), hasta que deja de hacerlo (LOW)



Se emplea una fórmula para calcular la distanciaen centímetros la cual será observada en pantalla mediante condiciones de programación (nivel correcto, alerta de vacío, alerta de aproximación).

IMPLEMENTACIÓN 1. Obtener la tarjeta Arduino y el sensor para realizar el proyecto.

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2. Configurar código en el software de Arduino (Modelo final del código acondicionador)

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3. Implementar el modelo físico del medidor

4. Combinar molinete y tarjeta Arduino. Preparar al circuito para su obtención de resultados.

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VI.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

El programa esta diseño para obtener los datos procedentes del medidor ultrasónico acondicionado a través de la tarjeta Arduino, procesarlos y mostrarlos en tiempo real a través del puerto COM propio de la tarjeta hacia un ordenador.

Como se puede observar en la captura, al momento de correr el programa, éste nos envía la información actual que captura a través del sensor, junto con el procesamiento que se realiza por el programa. La información mostrada en pantalla cambia constantemente, según las variaciones que se presenten en el modelo físico. Con ello, podremos tener un registro continuo de la variable de medición, lo que nos permitirá realizar una futura toda de decisiones.

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En el ejemplo, se puede observar que el programa nos envía una alerta debido a un nivel inferior al deseado, recomendándonos accionar una electroválvula asociada al tanque para aumentar su nivel. La alerta se mantiene hasta que se supera el nivel mínimo, y en ese punto comienza a enviar constantemente el valor actual del nivel. Debido a posibles fluctuaciones del espectro ultrasónico es posible en momentos recibir una señal errónea, que provoco en el ejemplo una alerta momentánea de nivel bajo.

Mientras se sigue llenando el tanque, el nivel aumenta y la tarjeta nos sigue mostrando los niveles en tiempo real. Cuando el nivel supera un punto establecido, se envía una segunda alerta de nivel alto y nos recomienda apagar la electroválvula asociada al tanque que se encendió cuando el nivel era mínimo. VII.

CONCLUSIONES 

Se implementó un sistema de medición de nivel que utiliza el principio de instrumentos medidores de nivel ultrasónicos. Las ondas ultrasónicas no son visibles pero gracias al acondicionamiento y a la tarjeta Arduino, se pudo obtener datos en pantalla del nivel que se tiene en un determinado instante.

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

Se determinó el funcionamiento del medidor ultrasónico, que está en la emisión y recepción de impulsos ultrasónicos. Esto solo se puede realizar para líquidos reflectantes (la mayoría de líquidos lo son), ya que las ondas emitidas necesariamente deben rebotar o reflejar para que el medidor pueda determinar el nivel presente en el recipiente



Se diseñó el circuito para la obtención de medida de nivel que presenta un medidor ultrasónico, el mismo que posee un circuito acondicionador diseñado específicamente para acoplar y ser utilizado en una tarjeta Arduino, la cual, mediante programación, se puede obtener el objetivo planteado para este proyecto.

VIII.

RECOMENDACIONES 

Consulta el funcionamiento y características de un sensor ultrasónico antes de realizar algún trabajo.



Verificar el tipo de conexión que se requiere tanto para el sensor como para el Arduino.



Ubicar el sensor a una distancia prudente donde no haga el contacto con el agua ya que el mismo puede sufrir daños al contacto con el agua ya que este no es un sensor medidor de líquidos.



Para una mejor lectura y comprobación del nivel de líquido se puede implementar una regleta graduada en el recipiente.

IX.

BIBLIOGRAFÍA. 

ARDUINO. (09 de 09 de 2015). Seba Electronic LABs. Obtenido de http://sebalabs.blogspot.com/2015/09/arduino-08-medir-distancia-con-sensor.html



Electrónico, E. I. (11 de 07 de 2013). ELECTRONICILAB(Ingeniería y Diseño Electrónico

).

Obtenido

de

http://electronilab.co/tienda/sensor-de-distancia-de-

ultrasonido-hc-sr04/ 

Pérez, D. (15 de 07 de 2006). Sensores de distancia por ultrasonido. Obtenido de http://www.alcabot.com/alcabot/seminario2006/Trabajos/DiegoPerezDeDiego.pdf



Soria, K. (17 de 09 de 2013). BKAR ELECTRONICA BLOG DE KEVIN. Obtenido de http://bkargado.blogspot.com/2013/09/todosobrehc-sr04.html