DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE PRESIÓN CONTROLADA PARA LA COMPROBACIÓN DE SENSORES EN EL INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGÌA E HIDROLOGÌA DEL ECUADOR.

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE PRESIÓN CONTROLADA PARA LA COMPROBACIÓN DE SENSORES EN EL INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGÌA E HIDROLOGÌA DEL ECUADOR INAMHI PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA, AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL AUTORES: Michael Fernando Guevara Castillo Diego Fernando Ruiz Ortiz DIRECTOR Ing. Rodolfo Gordillo CO-DIRECTOR Ing. Diego Morillo

2 INTRODUCCIÓN

3 Instalación de estaciones convencionales y automáticas (AWS)
INTRODUCCIÓN - INAMHI I Fundado en 1961 Suministro de información meteorológica e hidrológica a nivel nacional e internacional Instalación de estaciones convencionales y automáticas (AWS)

4 INTRODUCCIÓN - ORGANIGRAMA
Dirección de Meteorología Operación y mantenimiento de estaciones (convencionales y automáticas) Innovación y desarrollo tecnológico IDT Operación y mantenimiento de AWS Laboratorio de Meteorología Calibración de sensores electrónicos y convencionales

5 INTRODUCCIÓN – CICLO DE MANTENIMIENTO
Calibración de sensores meteorológicos Planificación de mantenimiento de estaciones Ejecución de proceso de mantenimiento Reemplazo de sensores de campo

6 INTRODUCCIÓN - CALIBRACIÓN
Importancia Asegura la calidad de la información Conocer la confiabilidad de las mediciones de sensores Documentar estado de equipos llegados de campo Verificación de especificaciones técnicas de sensores Creación de curvas de caracterización

7 MARCO TEÓRICO REFERENCIAL

8 MARCO TEÓRICO - METROLOGÍA
Estudia las propiedades medibles, las escalas, sistemas de unidades, los métodos y técnicas de medición. Utiliza métodos científicos para la valoración de la calidad de los sistemas patrones y su mejora constante.

9 MARCO TEÓRICO - METROLOGÍA
Actividades La definición de las unidades de medida aceptadas internacionalmente. El establecimiento de las unidades de medida por métodos científicos. La propuesta de cadenas de trazabilidad, determinando y documentando el valor y exactitud de una medición.

10 MARCO TEÓRICO - PRESIÓN
Relación entre un fuerza y área donde se aplica:

11 MARCO TEÓRICO - PRESIÓN
TIPOS DE RECIPIENTES A PRESIÓN Por su forma Cilíndricos Horizontales Verticales Esféricos Por su uso De almacenamiento De proceso

12 SISTEMAS DE LA CÁMARA AUTOMÁTICA DE CONTROL DE PRESIÓN

13 SISTEMA MECÁNICO Descripción de materiales de componentes estructurales Número Denominación Material 1 Caja de Acrílico Acrílico de 25 mm 2 Brida Superior Acero AC36 3 Manija de Ajuste 4 Manija de apertura 5 Eje de Bisagra de puerta 6 Base de Soporte 7 Visor de puerta 8 Puerta móvil 9 Compartimiento inferior 10 Conectores eléctricos Bronce dulce

14 SISTEMA NEUMÁTICO Modo Presión Ingreso de aire hacia la cámara
Modo Vacío Salida de aire desde la cámara

15 SISTEMA NEUMÁTICO Se puede intercambiar los modos de funcionamiento de la cámara sin necesidad de cambiar el giro del motor, ahorrando la implementación de un sistema dedicado al llenado de la cámara y otro para el vaciado. Modo Presión Modo Vacio

16 SISTEMA ELECTRÓNICO Sensores Temperatura Humedad Relativa Presión
Controladores PLC Controlador dedicado

17 Especificaciones Generales
SISTEMA ELECTRÓNICO Sensor de humedad relativa HIH-3040 Especificaciones Generales Rango de humedad de medición 0% - 100% RH Precisión ±3.5% RH Histéresis 3% RH Tiempo de respuesta 5 ms Rango de Temperatura de trabajo -40°C a 85°C Corriente de alimentación 200mA – 500mA Señal de salida Voltaje analógico 0Vdc -5Vdc

18 Sensor de temperatura LM35
SISTEMA ELECTRÓNICO Sensor de temperatura LM35 Especificaciones Generales Rango de temperatura de medición 0°C – 100°C Precisión ±0.5% °C Linealidad 10.0 mV/°C Rango de Temperatura de trabajo 0°C – 150°C Voltaje de alimentación 4Vdc – 30Vdc Corriente de salida 10 mA Señal de salida Voltaje analógico 0Vdc -1.5 Vdc

19 SISTEMA ELECTRÓNICO Ambos sensores de temperatura y humedad tienen una salida de voltaje no estandarizada positiva, por lo que únicamente se necesita amplificar el valor de esta señal para conseguir que esté dentro del rango de funcionamiento de nuestras entradas analógicas.

20 Especificaciones generales
SISTEMA ELECTRÓNICO Transmisor de presión WIKA A-10 Especificaciones generales Rango de Presión 0-25 psi Tipo de Presión medida Absoluta Precisión ± 1% de span Rango de Temperatura de trabajo 0° C – 80° C Voltaje de alimentación 8 Vdc – 30 Vdc Conexión eléctrica 2 conductores Señal de Salida 4 – 20mA Grados de Protección IP67

21 Filtrado digital de señales
SISTEMA ELECTRÓNICO Filtrado digital de señales Las lecturas que se obtienen de los sensores, presentan fluctuación causada por ruido y la alta resolución del módulo de entradas y salidas analógicas, por lo que es necesario utilizar un filtro digital para ajustar las lecturas de los sensores y obtener estabilidad en los datos.

22 PLC Allen Bradley Micrologix 1100
SISTEMA ELECTRÓNICO PLC Allen Bradley Micrologix 1100 Especificaciones Generales Número de entradas y Salidas 12 entradas (10 digitales y 2 analógicas) 6 salidas digitales Fuente de alimentación Vac Consumo de energía 52 VA Voltaje de entrada Digital: 24 Vdc Analógica: 0 Vdc -10 Vdc Voltaje de salida Relé (24 Vdc) Puerto Ethernet RJ45 de 10/100 Mbps

23 Módulo de I/O analógicas
SISTEMA ELECTRÓNICO Módulo de I/O analógicas Especificaciones Generales Rango de Temperatura de trabajo 0° C – 55° C Rango de operación normal analógico Voltaje: 0 Vdc – 10 Vdc Corriente: 4 mA – 20 mA Rango de operación fondo de escala analógico Voltaje: 10.5 Vdc Corriente: 21 mA Voltaje de entrada Digital: 24 Vdc Analógica: Vdc Resolución 12 bits (unipolar)

24 Controlador dedicado de presión APEX
SISTEMA ELECTRÓNICO Controlador dedicado de presión APEX Especificaciones Generales Rango de presión de trabajo 0 Psia – 30 Psia Precisión ±0.25% (escala Max.) Tiempo de respuesta ≤ 100 ms Voltaje de alimentación 12 Vdc – 30 Vdc Tamaño de conexión neumática 1/8” NPT Tipo de fluido de trabajo Aire comprimido seco, gases no corrosivos Lubricación de aire No requerida Señal de entrada 0 Vdc – 10 Vdc

25 Controlador dedicado de presión APEX
SISTEMA ELECTRÓNICO Controlador dedicado de presión APEX

26 Controlador dedicado de presión APEX
SISTEMA ELECTRÓNICO Controlador dedicado de presión APEX

27 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO GLOBAL DE LA CÁMARA
El sistema se basa en la regulación de la presión dentro de la cámara mediante el control de la cantidad de aire que ingresa y sale de la misma, mediante elementos electrónicos y electro neumáticos.

28 SISTEMA DE CONTROL

29 IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO
Adquisición de datos La comunicación OPC es un estándar abierto que sirve de enlace entre dispositivos de control, en este caso el PLC y aplicaciones computacionales como Matlab.

30 IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO
Curva de reacción del proceso

31 IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO
Curva de reacción del proceso Usando el método gráfico de identificación de 3 puntos, a partir de la curva de reacción del proceso se obtuvo la siguiente función de transferencia.

32 IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO
Curva de reacción del proceso - IDENT

33 IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO
Curva de reacción del proceso - IDENT Debido a su mayor aproximación se optó por la función de transferencia de primer orden con tiempo muerto obtenida a partir de IDENT.

34 CONTROL DEL PROCESO Para la regulación de presión se utiliza dos métodos de control para garantizar la precisión de la presión dentro de la cámara.

35 CONTROL DEL PROCESO Control Primario
Es un lazo cerrado de control en donde la presión se realimenta desde un transmisor hacia el PLC, en donde se procesan los datos y se procede a la apertura o cierre de la electroválvula ajustando así la cantidad de aire que se encuentra dentro de la cámara. Este control funciona hasta 10 hPa antes de alcanzar la presión requerida.

36 CONTROL DEL PROCESO – CONTROL PRIMARIO

37 CONTROL DEL PROCESO – CONTROL SUCUNDARIO
Se utiliza un controlador de presión dedicado que mejora la precisión del ajuste de la presión

38 Diseño de controlador PID secundario
CONTROL DEL PROCESO – CONTROL SUCUNDARIO Diseño de controlador PID secundario Para diseñar el controlador PID se utilizó la tabla propuesta por Ziegler y Nichols

39 Diseño de controlador PID secundario
CONTROL DEL PROCESO – CONTROL SUCUNDARIO Diseño de controlador PID secundario 0,64 = 2,3 Estos valores fueron implementados en el controlador APEX

40 Diagrama de flujo programa de control (1/2)
SISTEMA DE CONTROL Diagrama de flujo programa de control (1/2)

41 Diagrama de flujo programa de control (2/2)
SISTEMA DE CONTROL Diagrama de flujo programa de control (2/2)

42 INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA

43 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

44 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

45 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

46 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA SECUNDARIO
El PLC tiene incorporado una pantalla de cristal líquido programable, que permite tener una interfaz de usuario en el PLC y poder monitorear las variables sin depender el computador.

47 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA SECUNDARIO
Diagrama de flujo HMI PLC

48 IMPLEMENTACIÓN

49 IMPLEMENTACIÓN

50 IMPLEMENTACIÓN Sistema neumático
Todas las conexiones neumáticas se realizaron utilizando el sistema de acoples rápidos neumáticos (Racores) de 1/8” y de 1/4” para manguera de poliuretano de 6mm. El diámetro de la manguera se eligió por su resistencia a la presión (120 PSI) y flexibilidad, que facilita su instalación.

51 IMPLEMENTACIÓN Sistema neumático

52 IMPLEMENTACIÓN Sistema eléctrico
Las conexiones eléctricas dentro del gabinete eléctrico utilizan en su mayoría cable 16 AWG, a excepción de las señales de alimentación y control de los sensores de humedad y temperatura que usan un calibre 24 AWG. Todos los cables tienen terminales de conexión tipo pin para facilitar su acoplamiento con las borneras.

53 IMPLEMENTACIÓN Sistema eléctrico
Todos los cables eléctricos cuentan con su respectiva etiqueta de identificación, para facilitar el mantenimiento de equipo o cambios en el sistema.

54 Sistema eléctrico – Tabla de colores
IMPLEMENTACIÓN Sistema eléctrico – Tabla de colores COLOR DESCRIPCIÓN Rojo 24 Vdc Blanco Referencia Vdc Amarillo Señal de control Verde claro 5 Vdc Café Señal de control sensores de Temperatura y Humedad Azul Fase 110Vac Negro Neutro 110Vac Verde oscuro Tierra del sistema

55 Sistema eléctrico – Agrupación y Protección de cables
IMPLEMENTACIÓN Sistema eléctrico – Agrupación y Protección de cables

56 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

57 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Pruebas de estanqueidad Ensayo directo de burbujas Se sometió a presión el sistema ensayado y se utilizó una solución burbujeante por el exterior que pueda poner de manifiesto una eventual fuga, dicha prueba dio resultados negativos corroborando la hermeticidad del sistema.

58 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Pruebas de estanqueidad - Ensayo de presión a 1050 hPa durante 18 horas

59 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Pruebas de estanqueidad - Ensayo de vacío a 550 hPa durante 18 horas

60 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Cambio de referencia de 730 hPa a 850 hPa

61 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Cambio de referencia de 730 hPa a 850 hPa

62 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Cambio de referencia de 600 hPa a 500 hPa

63 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Cambio de referencia de 600 hPa a 500 hPa

64 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO

65 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO

66 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO
Tabla comparativa de Cámara de Presión del NAMHI con cámara Theodor Friedrichs Parámetros de comparación Cámara de presión/vacio INAMHI Cámara de presión/vacio Theodor Friedrichs Funciones Calibración de aneroides, baro transmisores, barógrafos, barómetros de mercurio

67 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO
Parámetros meteorológicos medibles Presión, Temperatura, Humedad relativa Presión Parámetros controlados Rango de operación hPa hPa Cuerpo de la cámara Cilíndrico de acero AC36 Sellado Empaques de nitrilo vulcanizado Junta tórica

68 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO
Acrílico 25 mm 40 mm Conectores Eléctricos 18 8 Conectores neumáticos 4 2 Regulación de presión Automática Manual Costo 9943,95 USD 51464,27USD

69 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

70 CONCLUSIONES El diseño estructural de la cámara de presión / vacío junto con la acción de los empaques utilizados, garantizan la total hermeticidad requerida por un equipo de calibración de sensores barométricos para meteorología. El sistema de control automático diseñado permite al usuario establecer cualquier presión dentro del rango de operación del equipo, con una exactitud de 0,64 hPa para el modo presión y de 2,3 hPa para el modo vacio, dichas exactitudes son aceptadas para el trabajo de calibración de sensores barométricos en el INAMHI.

71 CONCLUSIONES La oscilación de la presión que se aprecia en las curvas obtenidas a partir de las pruebas de estanqueidad, en presión y en vacio, corresponden a cambios ambientales externos de temperatura y humedad. El sistema de control diseñado permite alcanzar las presiones positivas requeridas en un tiempo promedio de estabilización de 370 segundos y presiones negativas en un tiempo promedio de estabilización de 480 segundos. Estos tiempos se deben a la capacidad de la bomba y al amplio volumen de la cámara.

72 CONCLUSIONES El costo de los materiales y la construcción de la Cámara de presión automática es el 19,32% del precio de una cámara de fabricación extranjera con lo que se demuestra que los procesos de Ingeniería mecánica, electrónica y neumática desarrollados en el Ecuador permiten diseñar y construir equipos de calibración de alta calidad y bajo costo.

73 RECOEMNDACIONES Operar el equipo dentro de los rangos establecidos para evitar el sobreesfuerzo de sus componentes y el desgaste de los empaques que a largo plazo producirán daños en el sistema. Realizar el proceso de calibración de sensores en un ambiente que no sea muy susceptible a cambios de condiciones climatológicas drásticas. Se recomienda implementar un sistema de aislamiento térmico en el laboratorio donde se encuentre ubicada la cámara de presión automática, para minimizar la influencia de factores meteorológicos externos y de esta manera evitar fluctuaciones en la presión interna del equipo.