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ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ETAPA 2 - ADQUIRIR Y ENVIAR LA INFORMACIÓN A UN SISTEMA DIGITAL INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

FABER ORLANDO LAGUADO CAMPOS

GRUPO: 203054

TUTOR: SANTIAGO RÚA PÉREZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

31 OCTUBRE 2019

OBJETIVO

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El estudiante diseña un sistema de acondicionamiento de señal para los instrumentos involucrados en el proceso, mediante el uso de las características de señales, modelamiento y configuración de instrumentación

INTRODUCCIÓN

Por medio del siguiente trabajo individual se desarrollar conceptos predios en el curso de instrumentación virtual de la universidad UNAD adquiriendo un carácter investigativo sobre la terminología utilizada en la ingeniería

Actividades a desarrollar

Individual:

1. Cada estudiante deberá realizar una consulta sobre adquisición y acondicionamiento de señales para sensores. Deberá tener en cuenta temas como convertidores análogos a digital, circuitos electrónicos para adecuación de señales (puente wheastone) y comunicaciones industriales (salidas de corriente y voltaje)

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Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Además, los sensores pueden ser activos o pasivos. o Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de excitación como las RTD o células de carga. o Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa de excitación como los termopares o fotodiodos.

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Puente de Wheastone es un circuito eléctrico que se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

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Acondicionadores y Procesadores de señal

No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema. Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Micro controlador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico. 

Convertidores analógicos-digitales.

Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia. La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.

Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente:

Conversores de transformación directa. Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar. Circuitos de captura y mantenimiento (S/H: Sample and Hold). Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha. 

Conversor A/D con comparadores.

Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital. Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta.

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Conversor A/D con integrador.

Este tipo de convertidores son más sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requiere una gran velocidad, pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados en los voltímetros digitales.

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Módulo Conversor de Voltaje a Corriente tipo industrial de alta precisión, diseñado para loops de corriente estándar de 0 a 20 miliamperios o de 4 a 20 miliamperios (Configurables por el usuario a través de jumpers) y puede suministrar un hasta máximo de 36 mA en condiciones extremas. Este módulo genera internamente una fuente de voltaje (Vreg) para alimentar circuiteria adicional, como por ejemplo un sensor, la cual puede ser de 5 o 10 voltios (Configurables por el usuario a través de jumpers), con una corriente máxima de 5mA evitando así fuentes de alimentación adicionales o tendidos de cableado extra para alimentar el sensor análogo o circuitería adicional.

2. Cada estudiante debe leer y analizar el problema planteado en el Anexo 1. Teniendo en cuenta el listado de instrumentos y la solución planteada en la etapa anterior, deberá diseñar un sistema de adquisición de datos para la instrumentación propuesta, así como un sistema de comunicación para envió de la información al computador.

Problema La compañía donde usted trabaja ha sido seleccionada para dar respuesta a un requerimiento que presenta una empresa que trabaja con invernaderos, denotado en adelante como el cliente. Dentro de sus invernaderos, el cliente quiere implementar un sistema del control piloto de riego de precisión el cual pueda ser configurado desde un sistema central. El director del área de ingeniería ha seleccionado a su equipo de trabajo para definir un portafolio de servicios que entregue al agricultor cinco (5) propuestas que den respuesta al requerimiento presentado por el cliente. Las condiciones del cultivo son: 1. Ciudad de ubicación: Villa de Leiva – Boyacá 2. Área del cultivo para la prueba piloto: 100 𝑚2 3. Temperatura promedio día para el cultivo: 23𝑜− 25𝑜 4. Temperatura promedio noche para el cultivo: 15𝑜− 18𝑜 5. Humedad relativa promedio para el cultivo 65% - 70% 6. Nivel de PH óptimo de 7 El cliente desea visualizar desde el sistema centralizado la siguiente información: a. Tiempo de cosecha. b. Temperatura promedio día del cultivo. c. Temperatura promedio noche del cultivo. d. Porcentaje de humedad relativa para el cultivo. e. Nivel de PH registrado. f. Notificación de alarma para indicar tiempo de cosecha culminado con 3 días de anticipación. Adicionalmente el cliente desea poder configurar los siguientes parámetros: a. Tiempo de cosecha teniendo en cuenta que el máximo es de 90 días. b. Momento, frecuencia y tiempo de riego del sistema.

sistema de adquisición de datos

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sistema de comunicación para envió de la información al computador

Se ubican sensores de temperatura, humedad relativa, humedad de suelo y luminosidad en el cultivo de prueba para realizar la adquisición de las variables climáticas correspondientes. Por medio de la tarjeta de IoT Arduino YÚN, se configuran estos sensores con sus parámetros necesarios y se establece la comunicación inalámbrica formando así la capa de captura de datos. A través de la tarjeta de captura se envía en tiempo real el registro de cada una de las variables asociadas a los sensores para ser almacenadas en, por medio de la base de datos en línea Ubidots.

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Protocolo de comunicación de los sensores

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), un protocolo usado para la comunicación machine-to-machine (M2M) en el “Internet of Things”. Este protocolo está orientado a la comunicación de sensores, debido a que consume muy poco ancho de banda y puede ser utilizado en la mayoría de los dispositivos empotrados con pocos recursos (CPU, RAM, …).

El desacoplamiento se produce en tres dimensiones:   

En el espacio: El publicador y el suscriptor no tienen por qué conocerse. En el tiempo: El publicador y el suscriptor no tienen por qué estar conectados en el mismo momento. En la sincronización: las operaciones en cualquiera de los dos componentes no quedan interrumpidas mientras se publican o se reciben mensajes.

Este tipo de arquitecturas, lleva asociada otra interesante característica: la comunicación puede ser de uno a uno o de uno a muchos. .

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Escalado se hace con un sistema MQTT de comunicación de datos entre los sensores y la interfaz de comunicación con el pc

3. Cada estudiante realiza gráficas en el tiempo de la instrumentación planteada.

En ambas pruebas de carga se corrobora como los tiempos de respuesta son más altos a medida que aumentan las peticiones concurrentes. En el caso de la URL Monitora se tiene un tiempo de 2ms para 20 peticiones concurrentes y este tiempo aumenta hasta 70 ms cuando se tienen un número de 100 peticiones concurrentes. A medida que aumentan las peticiones concurrentes de 800 a 1000 los tiempos de respuesta aumentan de 100ms a 300ms. A medida que la aplicación presenta tráfico continuo con un número de clientes en aumento, tiende a darse un retardo al sistema, afectando la carga, la actualización y la visualización de datos en tiempo real. Los tiempos de respuesta de la URL WEKA, están entre 200ms para 200 peticiones concurrentes y hasta 3 segundos para 1000 peticiones concurrentes.