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

INTRODUCCIÓN

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)

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

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

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

MARCO TEÓRICO REFERENCIAL

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.

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.

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

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

SISTEMAS DE LA CÁMARA AUTOMÁTICA DE CONTROL DE PRESIÓN

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

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

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

SISTEMA ELECTRÓNICO Sensores Temperatura Humedad Relativa Presión Controladores PLC Controlador dedicado

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

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

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.

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

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.

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 100 - 240 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

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: 0..10 Vdc Resolución 12 bits (unipolar)

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

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

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

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.

SISTEMA DE CONTROL

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.

IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO Curva de reacción del proceso

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.

IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO Curva de reacción del proceso - IDENT

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.

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.

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.

CONTROL DEL PROCESO – CONTROL PRIMARIO

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

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

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

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

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

INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA

INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

INTERFAZ HUMANO MÁQUINA PRINCIPAL

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.

INTERFAZ HUMANO MÁQUINA SECUNDARIO Diagrama de flujo HMI PLC

IMPLEMENTACIÓN

IMPLEMENTACIÓN

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.

IMPLEMENTACIÓN Sistema neumático

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.

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.

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

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

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

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.

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

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

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

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

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

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

ANÁLISIS COSTO BENEFICIO

ANÁLISIS COSTO BENEFICIO

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

ANÁLISIS COSTO BENEFICIO Parámetros meteorológicos medibles Presión, Temperatura, Humedad relativa Presión Parámetros controlados Rango de operación 300-1050 hPa 100-1100 hPa Cuerpo de la cámara Cilíndrico de acero AC36 Sellado Empaques de nitrilo vulcanizado Junta tórica

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

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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.

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.

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.

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.