DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN Y …

DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN Y VISUALIZACIÓN DEL CAUDAL DE AGUA RESIDUAL TRATADA EN EL TRATAMIENTO PRIMARIO

AVANZADO (TPA) DE LA PLANTA PTAR-C

ALEXANDER CARVAJAL AHUMADA

HECTOR ANDRES BUITRAGO ESCOBAR

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRONICA

SANTIAGO DE CALI 2008

DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN Y VISUALIZACIÓN DEL CAUDAL DE AGUA RESIDUAL TRATADA EN EL TRATAMIENTO

PRIMARIO AVANZADO (TPA) DE LA PLANTA PTAR-C

ALEXANDER CARVAJAL AHUMADA HECTOR ANDRES BUITRAGO ESCOBAR

Pasantía para optar al título de Ingeniero Electrónico

Director Académico JOSE IGNACIO PEREZ Ingeniero Electricista

Asesor Empresarial CESAR TULIO DELGADO

Licenciado en electricidad y electrónica Especialista en sistemas de transmisión y distribución de energía

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE ELECTRONICA Y AUTOMATICA

SANTIAGO DE CALI 2008

Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Electrónico. Ing. JOSE IGNACIO PEREZ Director Académico

Ing. ZEIDA SOLARTE Jurado Ing. OSCAR AGREDO Jurado

Santiago de Cali, 20 de junio de 2008

A Dios, por darme Sabiduría, Fortaleza, Salud, y por ser siempre mi guía. A mi familia, amigos y demás personas que me apoyaron durante todo el tiempo que estudie y cuando los necesite. ALEXANDER CARVAJAL A mis padres por la comprensión y el apoyo incondicional y por todo el esfuerzo realizado para sacar mis estudios adelante. HECTOR BUITRAGO A mis padres que son los pilares de la persona que soy, mi familia, mi novia, amigos y demás personas que me apoyaron incondicionalmente durante todo el tiempo que estudie y cuando los necesite.

AGRADECIMIENTOS

Expresamos agradecimientos a: Dios y mi familia, por ser la causa de mi vida, mi apoyo constante, la razón de mis logros y los guías en mi camino. JOSE IGNACIO PEREZ, Ingeniero electricista de la universidad autónoma de occidente, asesor académico de esta pasantía por su aporte en todo el proceso de desarrollo de este documento. CESAR TULIO DELGADO, Ingeniero de proyectos II de la planta de Tratamiento de Aguas Residuales de cañaveralejo y responsable directo en el sitio del desarrollo de esta pasantía, por ser un gran maestro y compartir conmigo su amplio conocimiento. ING OLGA LUCIA, ING ORLANDO, JHON FREDY, HUGO, ANDRES, GUILLERMO, IVAN, ERWIN y a todos los miembros directos e indirectos del área de instrumentación y control de la planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo PTAR-C por su gran colaboración y aporte a nuestra formación como profesionales. A los demás ingenieros, operadores, ayudantes de operación y secretarias que laboran en la planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo PTAR-C, por la colaboración y ayuda brindada en el desarrollo de la diferentes etapas de investigación. Finalmente a todas aquellas que de una u otra manera intervinieron en el desarrollo de la investigación, y me brindaron todo su apoyo incondicional para mi formación personal y profesional.

CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO 14

RESUMEN 18

INTRODUCCION 19

1. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CAÑAVERAÑEJO PTAR-C 21 1.1 VISION Y MISION 22

1.1.1 Visión 22

1.1.2 Misión 23

2. DEFINICION DEL PROBLEMA 24

2.1 ANTECEDENTES 24

2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 24

3. OBJETIVOS 26

3.1 OBJETIVO GENERAL 26

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 26

4. DESCRIPCION DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA PTAR-C 27 4.1 LINEA DE AGUA 28

4.2 LINEA DE LODOS 29

4.3 LINEA DE CONTROL DE OLORES 30

5. MARCO TEORICO 31

5.1 HISTORIA DE LA MEDICION DE CAUDAL 31

5.2 CARACTERÍSTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA UNO DE LOS MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL 32

6. SELECCION DEL PRINCIPIO DE MEDICION DE CAUDAL PARA EL DISEÑO DEL PROTOTIPO 36 6.1 PRINCIPIO DE MEDICIÓN SELECCIONADO 37 7. PRINCIPIO DE MEDICION DE LOS MEDIDORES DE CAUDAL ELECTROMAGNETICOS 40 7.1 LEY DE FARADAY 40 8. FUENTE DEL CAMPO MAGNETICO 44

8.1 CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR CORRIENTES ELÉCTRICAS: 44 LEY DE BIOT Y SAVART

9. CÁLCULO Y DISEÑO DE BOBINAS PARA MEDIDORES DE CAUDAL ELECTROMAGNETICO 46

9.1 CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR ESPIRAS 46

9.1.1 Caso de una espira simple 48

9.1.2 Calculo del campo magnético para n espiras 48

9.1.3 Calculo de la tensión inducida por medio de la ley de Inducción de faraday 51

10. DISEÑO DE LA INSTRUMENTACIÓN PARA EL PROTOTIPO DE MEDICIÓN ELECTROMAGNETICA 56

10.1 ETAPAS DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA 56

10.1.1 Amplificador no inversor 56

10.1.2 Cálculos etapa amplificador no inversor 57

10.1.3 Seguidor de voltaje 58

10.1.4 Etapa acondicionamiento lineal de la señal 59

10.1.5 Amplificador diferencial 62

10.1.6 Cálculos etapa amplificador diferencial 63

10.1.7 Circuito final de la instrumentación electrónica 63

11. DISEÑO DEL PROGRAMA PARA LA VISUALIZACION DEL CAUDAL 66

11.1 MODULO DE DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO 69

12. EXPORTACION DE DATOS 70

12.1 ESTÁNDAR 4-20 MA 70

12.2 CIRCUITO DE CONEXIONADO INTEGRADO XTR110 70

13. SIMULACION PROTOTIPO FINAL 74

14. CARACTERISTICAS TECNICAS PROTOTIPO 77

14.1 CAMPOS DE APLICACIÓN 77

14.2 DATOS DEL FLUIDO A MEDIR 77

15. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DEL PROTOTIPO DE MEDICIÓN. 78 15.1 RANGO DE OPERACIÓN 78 15.2 ALCANCE O SPAN DEL PROTOTIPO 78 15.3 ERROR ABSOLUTO DEL PROTOTIPO 78 15.3.1 Error relativo 78 15.4 RESOLUCIÓN 78 15.5 SENSIBILIDAD 79 15.6 LINEALIDAD 79 15.7 DISEÑO MODULAR 80

16. INSTALACION DEL SENSOR 81 16.1 TRAMOS DE ENTRADA Y SALIDA 81 16.2 VIBRACIÓN 82 16.3 PUESTA A TIERRA 83 17. DATOS TECNICOS BOBINAS GENERADORAS DEL CAMPO MAGNETICO 85 18. CONCLUSIONES 86

BIBLIOGRAFIA 87

ANEXOS 89

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Características y condiciones técnicas del fluido. 36

Tabla 2. Materiales de los electrodos. 42

Tabla 3. Calculo del campo magnético para N espiras. 51

Tabla 4. Calculo de velocidad del fluido 53

Tabla 5. Calculo de voltaje inducido para un campo de 836*10-5 Teslas que equivalen a 800 vueltas. 53 Tabla 6. Calculo de voltaje inducido para un campo de 940.5*10-5

Teslas que equivalen a 900 vueltas. 54

Tabla 7. Calculo de voltaje inducido para un campo de 1045*10-5

Teslas que equivalen a 1000 vueltas. 54 Tabla 8. Calculo de voltaje inducido para un campo de 1254*10-5





Teslas que equivalen a 2000 vueltas. 55 Tabla 13. Relación caudal voltaje de salida (0 v – 5 v). 65

Tabla 14. Configuración de pines circuito integrado XTR110 71

Tabla 15. Tipos de mosfets canal P para esta configuración 73

Tabla 16. Datos técnicos más relevantes del prototipo de medición 84

LISTA DE FIGURAS Pág.

Figura 1. Vista área de la PTAR-C 22

Figura 2. Proceso de tratamiento de aguas residuales 27

Figura 3. Vista software applicator de la endress+hauser 38

Figura 4. Vista software applicator de la endress+hauser 39

Figura 5. Principio de inducción electromagnética según Michael Faraday 41

Figura 6. Fundamento del medidor de caudal electromagnético. 43

Figura 7. Ley Biot y Savart 45

Figura 8. Campo magnético creado por una espira de alambre. 46

Figura 9. Campo magnético creado por varias espiras de alambre. 47

Figura 10. Campo magnético creado por dos bobinas de alambre 48

Figura 11. Datos para el Cálculo del campo magnético 49

Figura 12. Amplificador no inversor 57

Figura 13. Seguidor de voltaje 58

Figura 14. Acondicionamiento lineal. 59 Figura 15. Amplificador diferencial 62

Figura 16. Instrumención final 63

Figura 17. Relación lineal entre el voltaje de entrada al micro Y el caudal visualizado. 66 Figura 18. Circuito de conexionado integrado XTR110 71

Figura 19.Circuito final realizado en Proteus 75

Figura 20. Simulación en Proteus 76

Figura 21. Linealidad del prototipo de medición 79

Figura 22. Diseño prototipo de medición 80

Figura 23. Orientaciones de instalación prototipo de medición. 81

Figura 24. Instalación tramos de entrada y salida 82

Figura 25. Montaje con vibraciones cerca al medidor 83

Figura 26. Puesta a tierra 83

Figura 27. Bobina de espiras de alambre generadora del campo magnético 85

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Vista aérea planta PTAR-C 88

Anexo B. Código fuente del programa 89

GLOSARIO

AFLUENTE: agua residual u otro líquido que ingrese a un reservorio, o algún proceso de tratamiento.

AGUAS CRUDAS: aguas residuales que no han sido tratadas.

AGUAS RESIDUALES: agua que contiene material disuelto y en suspensión, luego de ser usada por una comunidad o industria.

AGUAS SERVIDAS: aguas de desecho provenientes de lavamanos, tinas de baño, duchas, lavaplatos, y otros artefactos que no descargan materias fecales.

AIREACIÓN: proceso de transferencia de masa, generalmente referido a la transferencia de oxígeno al agua por medios naturales (flujo natural, cascadas, etc.) o artificiales (agitación mecánica o difusión de aire comprimido).

BOMBA DESPLAZAMIENTO POSITIVO, CAVIDAD PROGRESIVA: se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su órgano propulsor contiene elementos móviles de modo tal que por cada revolución se genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresión a la salida. Otra definición dice que las bombas de desplazamiento positivo son las que desplazan una cantidad constante de líquido, independientemente de la presión del sistema.

BOMBA CENTRIFUGA HORIZONTAL: las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno o varios impulsores provistos de alabe.

CAMPO MAGNETICO: un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas, La fuerza (intensidad o corriente) de un campo magnético se mide en Gauss (G) o Tesla (T).

CRIBADO: separar las partes menudas de las gruesas de una materia.

DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) Ó DEMANDA DE OXÍGENO: cantidad de oxígeno usado en la estabilización de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada por acción de los microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especificados (generalmente cinco días y 20 ºC). Mide indirectamente el contenido de materia orgánica biodegradable.

DESARENADORES: cámara diseñada para permitir la separación gravitacional de sólidos minerales (arena). DESCOMPOSICIÓN ANAEROBIA: degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno molecular por efecto de microorganismos. Usualmente va acompañada de la generación de ácidos y gas metano. DESHIDRATACIÓN DE LODOS: proceso de remoción del agua de lodos hasta formar una pasta. DIGESTIÓN: descomposición biológica de la materia orgánica de un lodo en presencia de oxígeno. DIGESTIÓN AEROBIA: descomposición biológica de la materia orgánica de un lodo en presencia de oxígeno. DIGESTIÓN ANAEROBIA: descomposición biológica de la materia orgánica de un lodo en ausencia de oxígeno. DISPLAY: dispositivo que permite mostrar información al usuario de manera visual el valor de una variable cualquiera.

EFLUENTE: líquido que sale de un proceso de tratamiento.

HUMUS: capa superior del suelo compuesta por un conjunto de materias orgánicas en descomposición. INSTRUMENTACIÓN: se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas.

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LINEALIDAD: significa que la función que relaciona la variable de salida con la de entrada es una función lineal (geométricamente representada por una línea inclinada). Las desviaciones de la linealidad se expresan en porcentaje.

LODOS ACTIVADOS: procesos de tratamiento biológico de aguas residuales en ambiente químico aerobio, donde las aguas residuales son aireadas en un tanque que contiene una alta concentración de microorganismos degradadores. Esta alta concentración de microorganismos se logra con un sedimentador que retiene los flóculos biológicos y los retorna al tanque aireado. MAGNETISMO: conjunto de fenómenos físicos por los cuales los imanes y las corrientes eléctricas inducidas producen movimientos de atracción y repulsión. METALES PESADOS: son elementos tóxicos que tiene un peso molecular relativamente alto. Usualmente tienen una densidad superior a 5,0 g/cm3 por ejemplo, plomo, plata, mercurio, cadmio, cobalto, cobre, hierro, molibdeno, níquel, zinc. PLANTA DE TRATAMIENTO (DE AGUA RESIDUAL): conjunto de obras, instalaciones y procesos para tratar las aguas residuales.

PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN: grupo de normas de comunicación cuyo objetivo es la conexión de telecomunicaciones cuando se mandan señales de un sitio a otro. RANGO: conjunto de valores comprendidos entre un límite mínimo y un límite máximo que puede presentar un instrumento de medida. REJA GRUESA: por lo general, de barras paralelas de separación uniforme (4 a 10 cm.), utilizado para remover sólidos flotantes de gran tamaño, aguas arriba de bombas de gran capacidad. RUGOSIDAD: arruga, pliegue de una superficie. SEDIMENTACIÓN: proceso físico de clarificación de las aguas residuales por efecto de la gravedad, junto con los sólidos sedimentables precipita materia orgánica del tipo putrescible. SST: sólidos Suspendidos Totales.

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SEÑAL: salida o información que emana de un instrumento. Información representativa de un valor cuantificado. SEÑAL DE SALIDA : señal producida por un instrumento que es función de la variable medida.

SEÑAL DE SALIDA ANALOGA: señal de salida del instrumento que es función continúa de la variable medida. SEÑAL DE SALIDA DIGITAL: señal de salida del instrumento que representa la magnitud de la variable medida en forma de una serie de cantidades discretas codificadas en un sistema de notación. TAJEA: puente pequeño en un camino, hecho para que por debajo de él pase las aguas o una vía de comunicación poco importante. TRATAMIENTO AVANZADO: proceso de tratamiento fisicoquímico o biológico usado para alcanzar un grado de tratamiento superior al de tratamiento secundario. Puede implicar la remoción de varios parámetros, como remoción de sólidos en suspensión, complejos orgánicos disueltos, compuestos inorgánicos disueltos o nutrientes. TRATAMIENTO PRIMARIO: tratamiento en el que se remueve una porción de los sólidos suspendidos y de la materia orgánica del agua residual. Esta remoción normalmente es realizada por operaciones físicas como la sedimentación. El efluente del tratamiento primario usualmente contiene alto contenido de materia orgánica y una relativamente alta DBO. TRATAMIENTO SECUNDARIO: es aquel directamente encargado de la remoción de la materia orgánica y los sólidos suspendidos. VISCOSIDAD: propiedad de los fluidos que se gradúa por la velocidad de salida de aquellos a través de tubos capilares.

RESUMEN

La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del municipio de Santiago de Cali, PTAR-Cañaveralejo, tiene por objeto la descontaminación de las aguas residuales provenientes de la ciudad (aguas lluvias, residenciales e industriales), las cuales son recolectadas y conducidas a través de tuberías de alcantarillado y estaciones de bombeo, para ser tratadas y estabilizadas antes de ser vertidas al río Cauca.

En el tratamiento de aguas residuales efectuado en la planta PTAR-C, se lleva a cabo el proceso de TPA consiste en un proceso de coagulación – floculación que en el caso particular de la PTAR-C utiliza cloruro férrico como coagulante, con el fin de neutralizar las fuerzas que mantienen suspendidos a partículas y coloides el cual utiliza un polímero como floculante, con el fin de promover el crecimiento y aumento de peso específico de las partículas, con lo cual se favorece la separación sólido - líquido por gravedad en un sedimentador

El dispositivo diseñado en este proyecto, es una propuesta que permite mejorar aspectos asociados a la etapa de TPA (tratamiento primario avanzado) tales como, la disminución de las frecuentes paradas de la estructura de TPA y el incremento a menudo de recursos logísticos y humanos para el mantenimiento de los actuales dispositivos de medición de caudal, también proporcionar la medida de caudal adecuada para su posterior dilución del polímero para el proceso de segunda dilución, haciendo una optimización de costos en la compra de este producto químico debido a su incorrecta dosificación.

Debido a esto, el dispositivo fue diseñado con la finalidad de permitir al operador visualizar y ajustar el caudal de agua adecuado para su posterior dilución del polímero químico, además reducirá los costos en el producto químico ya que no se presentaran desperdicios de este, este químico que tiene como fin promover el crecimiento y aumento de peso especifico de las partículas, con lo cual se favorece la separación de sólido-liquido por gravedad en un sedimentador.

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INTRODUCCION

El acelerado crecimiento de la población y el desarrollo industrial han generado un incremento en la producción de aguas residuales, las cuales son vertidas sin tratamiento alguno o parcial en los cuerpos receptores, generando de esta forma grandes problemas de orden ecológico y de salud pública. El tratamiento de las aguas residuales se ha planteado como una alternativa para mitigar estos daños o riesgos desde una perspectiva más holística, buscando la generación de impactos positivos en la recuperación de dichas fuentes y en el bienestar de la sociedad. En este sentido, el tratamiento de las aguas residuales domésticas, es una actividad que debe cumplir con dos objetivos fundamentales: la protección de la salud pública y la conservación o protección de los ecosistemas acuáticos. El primero es particularmente importante en países tropicales, en los cuales existe una alta incidencia de enfermedades infecciosas cuyos agentes patógenos se dispersan en el ambiente de manera eficiente por las excretas o las aguas residuales crudas; el segundo, entre tanto, contribuye a la disminución de la pérdida de valor económico del recurso y del medio ambiente, lo cual genera a su vez una disminución del bienestar para la comunidad ubicada aguas abajo de las descargas. El reto de colocar al servicio de la comunidad y del ambiente tecnologías que traten las aguas residuales que contribuyan a generar beneficios ambientales, tales como, la recuperación de basuras, arenas, carga orgánica, y nutrientes que llegan habitualmente a los cuerpos hídricos, a través de descargas contaminantes que puede presentar una ciudad, son un esfuerzo técnico – económico grande que solamente las poblaciones que tengan sus políticas ambientales bien definidas podrán alcanzar. El alcantarillado de Cali es de tipo combinado y por ende, no separa el agua residual del agua lluvia, debido a esto a la planta PTAR-C llega una gran cantidad de arenas y elementos inorgánicos que no necesitan ser estabilizados y que por el contrario representan un problema en el tratamiento de las aguas residuales. El tratamiento de las aguas residuales municipales por medio de la aplicación de químicos se ha utilizado desde hace más de un siglo, pero cayó en desuso por las altas dosis demandadas de sales metálicas, para obtener resultados satisfactorios, es por ésta razón que es necesario tener en cuenta que las dosis de Cloruro Férrico se han reducido gracias a la ayuda de una pequeña dosis de polímero como ayudante de floculación, disminuyendo costos y convirtiendo así este tratamiento como una tecnología viable para el tratamiento de las aguas residuales.

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El polímero que se propone utilizar para el TPA viene en forma sólida, presentado como polvo empacado en sacos, bolsas o tambores. La preparación del polímero exige disolverlo a una determinada concentración en unas tolvas, para su dilución, maduración y almacenamiento que trabajan en forma continua; y siete bombas dosificadores, la succión de estas bombas está conectada al último Compartimiento del equipo de preparación e inyectan el polímero después de recibir una dilución en línea con agua tratada, en el vertedero de salida de cada desarenador. La importancia de este proyecto radica en visualizar y ajustar el caudal de agua tratada adecuado para la dilución con el polímero, haciendo que el proceso de floculación sea más eficaz y no se desperdicien en cantidades desmesuradas este químico utilizado, además de eso la optima visualización de este caudal hará que no se produzcan paras en esta zona de la planta, debido a su poca frecuencia de mantenimiento.

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1. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CAÑAVERALEJO (PTAR-C)

Santiago de Cali, foco de desarrollo del sur-occidente colombiano, es en la actualidad una de las ciudades más importantes del país, Según estadísticas, en 1995 su población era de aproximadamente 1.900.000 con 375.000 viviendas y más de 235 barrios. Esta gran cifra y el crecimiento continuo, generó un impacto en el entorno y el medio ambiente, ocasionando un deterioro de gran magnitud en el río cauca, al punto de estar cerca de perecer por la gran cantidad de desechos y aguas negras que arroja la ciudad a sus aguas. La situación llegó a ser tan crítica que en 34km de su recorrido no se presentaban condiciones aptas para la vida acuática y de no tomarse acciones correctivas este número podría sobrepasar los 124 Km. para el año 2015. Consciente de esto EMCALI, acometió la construcción de la planta de tratamiento de aguas residuales PTAR - Cañaveralejo con el objeto de dar cumplimiento a lo establecido en la reglamentación nacional y local en lo relacionado con la protección de la calidad de aguas superficiales. Con dicho propósito se adelantaron los estudios y diseños para tratar el agua residual transportada por el sistema de alcantarillado municipal y para poner en marcha el sistema de tratamiento primario avanzado. Dicha obra en conjunto con los proyectos de alcantarillado que se planean construir a corto plazo con el apoyo económico de la CVC permitirán lograr el cumplimiento de las metas de remoción establecidas por la corporación, atendiendo a la capacidad financiera de la empresa y a la posibilidad de pago de los usuarios de la ciudad de Cali.

La construcción de la PTAR marca el inicio de toda una nueva etapa en el país, respecto a la preservación de nuestros recursos naturales. La planta, primera en Su género en Colombia, recuperara nuestro principal afluente, el río cauca, devolviéndole su esencia como fuente bienestar y vida. Hoy, la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo (PTAR-C), ocupa 22 hectáreas. Y pese a estar situada en un sector densamente poblado (comunas 6 y 7), no causa un gran impacto en la población dadas las previsiones ambientales, que incluye control de olores, monitoreo de calidad de aire y mitigación de impactos por transporte, polvo, ruido y vibración, en la figura 1 se muestra una vista aérea de la PTAR-C.

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Figura 1. Vista área de la PTAR-C

Fuente: Bogotana de aguas y saneamiento. Planta de tratamiento de aguas residuales de cañaveralejo. EMCALI EICE ESP. Contrato: GO-505-97-ALC, Manual de operación. PMO-01. Descripción general de la planta. 2 da Revisión. Santiago de Cali, 2000. p. 1.

En este momento PTAR-C trata aproximadamente un caudal de 3.3 m³/s de las aguas residuales de la ciudad y se planea para el 2015 manejar un caudal de operación promedio de 7.6 m3/s, con un mínimo de 4.41 m3/s y con un máximo de 12.24 m3/s, con una remoción de SST hasta del 63% y el 47% de DBO5 del agua residual y hasta el 46% de sólidos volátiles en el lodo digerido. 1.1. VISION Y MISION

1.1.1. Visión. Que la ciudad de Santiago de Cali sea en el año 2007 una ciudad modelo, entorno de paz y convivencia, dotada de un sistema integral de saneamiento sostenible, como parte fundamental del desarrollo humano y elemento básico de una sociedad igualitaria. Con un proyecto ambiental de participación ciudadana e institucional, con programas educativos, proyectos y obras que contemplen el manejo adecuado de sus fuentes de agua y tratamiento de aguas residuales, motivo de orgullo de todos sus ciudadanos.

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1.1.2. Misión. En el siguiente quinquenio EMCALI E.I.C.E E.S.P incrementará el tratamiento de las aguas residuales en más de un 80%. La Empresa anualmente aumentara la cobertura de alcantarillado y seguirá realizando obras de control de aguas residuales en canales de aguas lluvias para alcanzar la meta de tratamiento de aguas residuales mencionada. Definirá la cobertura y mejor opción de tratamiento en el corredor sur Cali- Jamundí y se posicionará a nivel nacional por ser la única Empresa de Servicios Públicos en ofrecer la más alta cobertura en el tratamiento de las Aguas Residuales que se tenga en el país. Unido a esto se seguirá haciendo los estudios técnico – económicos para la implementación del tratamiento secundario de las aguas residuales y realizará el diseño y la construcción de la PTAR para el tratamiento de las aguas residuales en la zona de expansión que se tiene proyectada en la para el corredor sur.

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2. DEFINICION DEL PROBLEMA

2.1 ANTECEDENTES La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales PTAR-C en Cali, para sus procesos cuenta con una significativa cantidad de equipos asociados al sistema de dosificación de polímero y cloruro férrico, en la operación de ellos se han venido presentando fallas que en un principio no implicaban mayores dificultades, pero que posteriormente se fueron ampliando en el área de Tratamiento Primario avanzado (TPA), a tal punto de generar preocupación al equipo técnico. Estos problemas presentados motivaron una serie de acciones para la identificación de las situaciones que pudieran afectar el funcionamiento de estos dispositivos, producto de las revisiones preliminares, dado que continuaron los problemas con el funcionamiento de estos equipos, en la planta PTAR-C. El sistema implementado actualmente en el TPA (proceso en la planta) para la medición del caudal de agua residual tratada se hace por medio de unos rotámetros los cuales se encargan de medir el flujo de caudal de agua que en el momento fluye por la tubería el cual presenta perturbaciones en la visualización lo que hace que se dificulte el ajuste del caudal de dilución de polímero que es el producto químico empleado como floculante, con el fin de promover el crecimiento y aumento de peso especifico de las partículas, con lo cual se favorece la separación de sólido-liquido por gravedad en un sedimentador, como consecuencia de lo anterior en la planta PTAR-C se han presentado frecuentes inconvenientes tanto con la visualización como en su continuo mantenimiento. A raíz de este tipo de precedentes, se hace necesario el diseño de un dispositivo para medición y visualización del caudal de agua residual tratada. 2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Del conjunto de procesos que componen el tratamiento de las aguas residuales, se destacan el sistema de dosificación de productos químicos para lograr una mayor remoción de contaminantes sedimentables. Los costos de operación y mantenimiento la planta PTAR-C son especialmente sensibles a problemas en la dosificación, considerando los altos costos de estos productos.

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Dentro de los múltiples procesos que se llevan a cabo en el tratamiento de agua en la planta PTAR-C, se encuentra el proceso de TPA (Tratamiento Primario Avanzado) el cual la función consiste en un proceso de coagulación-floculación que en el caso particular de la PTAR-C utiliza cloruro férrico como coagulante, con el fin de neutralizar las fuerzas que mantienen suspendidos a partículas y coloides el cual utiliza un polímero como floculante, con el fin de promover el crecimiento y aumento de peso especifico de las partículas, con lo cual se favorece la separación de sólido-liquido por gravedad en un sedimentador. Las fallas en el sistema de medición y visualización del caudal de agua residual tratada que actualmente está en operación en el TPA, presenta problemas como lo son, perturbaciones en la visualización del caudal de agua residual tratada que en el momento fluye a través de un dispositivo físico llamado rotámetro, dichas perturbaciones son causadas por las partículas contaminantes que residen en el caudal de agua residual el cual se acumulan en el dispositivo físico mencionado, haciendo imposible la visualización del embolo del rotámetro el cual proporciona la medida del caudal adecuada para su posterior dilución del polímetro para el proceso de segunda dilución, lo anterior conlleva a múltiples mantenimientos en la semana para la limpieza de estos dispositivos físicos, haciendo que el grupo técnico dedique demasiado tiempo al mantenimiento y además tener que detener el proceso (TPA) de la planta PTAR-C. En conclusión el problema es la falta de un instrumento de medición de flujo adecuado para las condiciones de turbidez del fluido, las cuales no permiten la visualización en los actuales dispositivos implementados en el proceso de TPA. Los rotámetros son dispositivos utilizados en TPA que a partir de la posición de una flota dentro de este, proporciona una medida en escala del flujo de caudal que fluye a través de él. La solución a este problema es el diseño de un prototipo para medición y visualización del caudal de agua residual tratada que fluye a través de un rotámetro en el TPA de la planta PTAR-C

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar un dispositivo para la medición y visualización del caudal de agua residual tratada en el proceso de tratamiento primario avanzado (TPA) de la planta PTAR-C. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS • Explorar y seleccionar un método de sensado del caudal de agua. • Diseñar el circuito acondicionador de señal • Diseñar la electrónica para la visualización del caudal. • Diseñar la comunicación para la exportación de datos.

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4. DESCRIPCION DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA PTAR-C

Actualmente la PTAR-C cuenta con tres tipos de líneas para el tratamiento de las aguas residuales como se describen en la figura 2. Figura 2. Proceso de tratamiento de aguas residuales

Fuente: RODRIGUEZ GONZALES, Paola Andrea. Elaboración de un manual de procedimientos para el mantenimiento y operación de los variadores de velocidad de la PTAR-C. Santiago de Cali, 2006. p. 19. Trabajo de grado (Ingeniera Mecatrónica). Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingenierías. Departamento de automática y electrónica.

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4.1 LINEA DE AGUA Se inicia con la entrada de aguas residuales a través de dos líneas, una que viene impulsada desde las estaciones de bombeo de Navarro, Agua Blanca y Cañaveralejo y otra que llega por gravedad desde el Colector Central ubicado cerca a la planta y la estación de bombeo Cañaveralejo. Antes de la entrada de agua residual a la planta se encuentra la cámara de desviación, compuesta por dos compuertas para controlar la entrada de caudal a la planta y evitar la entrada de agua del río Cauca a la planta cuando hay aumento en los niveles del río. El agua que viene por gravedad pasan por las Rejas Gruesas, donde se separan los sólidos grandes, el cual son extraídos por una banda transportadora y descargados hacia las Tolvas, que posteriormente son retiradas por volquetas acondicionadas para la labor; luego de pasar por estas rejillas el agua residual es impulsada por las bombas de tornillo hacia la cámara de Integración, lugar donde se integran el caudal que viene por impulsiones de las estaciones de bombeo y por gravedad; seguidamente se inicia el proceso de rejillas finas el cual consiste en remover la mayor parte de sólidos más pequeños el cual no fueron removidos por la rejas gruesas y algunos sólidos que llegan por las estaciones de bombeo. Después del anterior proceso se da inicio al pretratamiento y adición de químicos llamado TPA (Tratamiento Primario Avanzado) el cual consiste en un proceso de coagulación-floculación que en el caso particular de la PTAR-C utiliza cloruro férrico como coagulante, con el fin de neutralizar las fuerzas que mantienen suspendidos a partículas y coloides el cual utiliza un polímero como floculante, con el fin de promover el crecimiento y aumento de peso especifico de las partículas, con lo cual se favorece la separación de sólido-liquido por gravedad en un sedimentador. El pretratamiento se inicia con la entrada de agua residual a los seis desarenadores, aireados por medio de sopladores de aire. Las arenas del fondo de los desarenadores son conducidas por un tornillo helicoidal que las conduce a un foso en el fondo de cada desarenador y de este foso se retiran por medio de una bomba eyectora accionada por agua. En el área de Sedimentadores, lugar donde se separan los sólidos que trae el agua residual por el sistema de gravedad, en el cual los lodos pasan al fondo de

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cada sedimentador para después ser enviados al espesador de Lodos; y es aquí donde se da inicio a la línea de lodos. 4.2 LINEA DE LODOS Los lodos obtenidos en el fondo del sedimentador primario, tienen una concentración media de 2%; se pasan por una rejilla para retirar basuras y se ingresan a un espesador circular con barredor accionado mecánicamente, a fin de obtener lodos espesados a una concentración del 6% apropiada para su ingreso a los digestores de lodos. Los lodos al 6% ingresan a cuatro (4) digestores anaeróbicos con cubiertas herméticas de aluminio, los cuales están provistos de un sistema de calentamiento por recirculación de una parte de los lodos del digestor en un sistema intercambiador de calor y de un sistema de agitación que se realiza re circulando parte del biogás y dispersándolo en el fondo de cada digestor. Se espera que los sólidos volátiles que ingresan al digestor se destruyan en un 40% - 45% por la transformación anaeróbica, en tal forma que los sólidos una vez digeridos quedan estabilizados, es decir, con pocas posibilidades de continuar reacciones que produzcan gases. El lodo digerido, es conducido a un tanque de almacenamiento y de allí es enviado por bombeo al edificio de deshidratación, en donde se dispone de siete filtros prensas de bandas (uno de reserva), para sacarle la mayor cantidad de humedad y que quede en condiciones sólidas, luego, se transporta por una banda hasta el Patio de Lodos y se deposita en los camiones para su correspondiente traslado. En Generación encontramos dos Generadores de Energía y un Calentador en funcionamiento para el calentamiento de los lodos bombeados desde los Digestores, para calentarlos a una temperatura de 35-38ºC; su circulación es desde el Tanque de Almacenamiento a tanque de Retorno, luego al Tanque de Agua Fría, para la refrigeración de los motores de Generación. La temperatura de 35ºC es para mantener un buen proceso el ciclo de vida de las bacterias. Y es aquí donde termina el proceso de línea de lodos

30

4.3 LINEA CONTROL DE OLORES La PTAR-CAÑAVERALEJO, cuenta con un sistema completo para controlar los olores que se producen durante el tratamiento de las aguas residuales; está conformado por los siguientes elementos: Cubiertas: Todas las estructuras de la planta que almacenan o transportan agua residual durante el proceso de tratamiento y lodo han sido tapadas con cubiertas de aluminio para confinar los desprendimientos de gases. Extracción: El segundo elemento en el control de olores es la extracción del aire contaminado utilizando ventiladores. Tratamiento: El tratamiento consiste en la filtración del aire a través de los “filtros biológicos” que son lechos filtrantes que proporcionan un medio adecuado para que los microorganismos ejerzan la transformación de los gases causantes del mal olor. Los filtros están conformados por material con humus orgánico con alto contenido de cenizas volcánicas y capa vegetal, se soportan en capas inferiores. El aire confinado procedente de las unidades de tratamiento entra por el fondo mediante cámaras de distribución de aire a través de conductos elevados que descienden a los lechos. La parte superior está cubierta con césped para prevenir la erosión por la lluvia. Para asegurar la actividad de los microorganismos se debe garantizar una humedad del 40% y un pH de 7.

31

5. MARCO TEORICO Este proyecto está enmarcado en el proceso de TPA de la planta PTAR-C, donde se utiliza la caudalimetria o medición de caudales y la instrumentación para las señales de los diferentes tipos de sensores. Por tal razón a continuación se realiza una documentación acerca de los diferentes métodos existentes para hacer medición de caudales y volúmenes de agua. 5.1 HISTORIA DE LA MEDICIÓN DE CAUDAL El primer sistema de medición de caudal primitivo documentado consistía en una rudimentaria forma de vertedero que se utilizaba en el antiguo Egipto hace 3.000 años. Puesto que el agua se pagaba según el volumen consumido. El siglo XVIII produjo dos grandes pioneros de la materia: Daniel Bemoulli (1700-1782) y Leonard Euler (1707-1783). Ambos estuvieron en la renombrada Escuela de Física de la Universidad de Basilea. La ecuación de Bernoulli que relaciona la velocidad de flujo y la presión es uno de los principios fundamentales de la me-cánica de fluidos. Henri Pitot describió en 1732 un dispositivo de detección de la velocidad del agua para aplicaciones en navegación. Darcy, en Inglaterra, lo desarrolló casi hasta su forma actual un siglo más tarde. Otros personajes relevantes en esta área durante el siglo XVIII fueron Venturi en Italia, y Woltmann en Alemania. Hoy, dos tipos de caudalímetros llevar orgullosos sus nombres (Woltmann es una forma de medición mecánica inferencial). En la primera parte del siglo XIX, Michael Faraday llevaba a cabo experimentos en magnetismo y en 1832 estableció los principios del actual caudalímetro magnético. La tecnología general de caudalimetros permaneció estable durante los años 1900-1950, sin mostrar progresos espectaculares, pero a partir de ese año se Produjo una explosión tecnológica que aportó caudalímetros magnéticos, ultrasónicos, Vortex, hidráulicos, de traza, Coriolis, de momento hidráulico y de correlación, aparecidos todos ellos en un período de 30 años.

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Por lo anterior podemos decir que la medición de caudales es una ciencia relativamente joven, que los computadores y la electrónica digital han transformado en el último siglo1. 5.2 CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA UNO DE LOS METODOS DE MEDICION DE CAUDAL Presión diferencial o Placas de orificio Ventajas Pocas restricciones de instalación. Buena precisión (±1%). Diámetros nominales desde DN 10 hasta 1000 (1/2” a 40”) Desventajas Rango limitado de medición. No apto para flujos con partículas en suspensión. Alta pérdida de carga. o Tubos venturi Ventajas Resistente al desgaste interno. Alta precisión. No obstruye el flujo Baja perdida de carga Su mantenimiento no necesita interrumpir el flujo. Poco efecto si se tienen partículas en movimiento ________________ 1 Medición de Caudal, Guía práctica, Tecnología de medición-aplicaciones soluciones de la Endress + hauser. Alemania: Endress+Hauser, 2005. p. 12-14.

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Desventajas Rango de operación limitado Requerimientos de longitud en su instalación Costes de instalación y mantenimiento elevados o Toberas Ventajas Alta precisión. No obstruye el flujo Baja perdida de carga Operación estable Calibración sencilla sin partes móviles su mantenimiento no necesita interrumpir el flujo. poco efecto si se tienen partículas en movimiento

Desventajas Rango de operación limitada. o Tubos pitot Ventajas Su instalación no requiere de mucho tiempo. Este instrumento cuenta con la facilidad de poder ensamblarlo en una tubería en funcionamiento, sin detener la operación del sistema.

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Desventajas Con cierta cantidad de partículas en suspensión la toma de presión tienden a obstruirse. Medidores de turbina Ventajas: Algunos modelos presentan un amplio campo de valores de medida y un buen comportamiento lineal. Disponen de salida digital tanto para la cantidad total del caudal como para la velocidad del fluido. Hay modelos de diseño compacto para velocidades de caudal establecidas. Ofrecen alta exactitud en determinadas condiciones (de campo de valores de medida, de viscosidad). Alta fidelidad y resultados positivos en aplicaciones de fluidos lubricantes. Permiten la medición con fluidos agresivos y fluidos no conductores, incluidos los gases. Pérdidas de carga bajas. Desventajas: Requieren tramos de entrada y de salida largos (20 veces el diámetro nominal para los tramos de entrada y 5 veces para los de salida, respectivamente.) El desgaste de los pivotes (en general, por velocidades del fluido demasiado altas) causa desviaciones en la ejecución de estos caudalímetros y reduce su vida operativa. Los fluidos pulsantes afectan a su correcto funcionamiento. Si el fluido contiene partículas sólidas intrusas (caída de presión) es necesario un filtro corriente arriba. Medidores electromagnéticos

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Ventajas: No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida de todo tipo de suspensiones, barros, melazas, etc. Permiten mediciones incluso en presencia de partículas sólidas Tubo de medición de instalación longitudinal sin partes móviles. No experimenta pérdidas de carga No requiere estrangulamientos en la sección transversal de la tubería (de fácil limpieza y esterilización, apto para limpieza con cepillo). Alto grado de fiabilidad y reproducibilidad de medición, buena estabilidad a largo plazo. Gasto mínimo en mantenimiento y renovación. La señal de salida es habitualmente lineal. Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones. Desventajas: Sólo funciona con líquidos conductores. Las deposiciones en el interior del tubo de medición o en los electrodos pueden generar errores. Medidores ultrasónicos Ventajas: Se pueden emplear con diámetros nominales muy pequeños. Permiten medir fluidos muy corrosivos sin que haya contacto directo. No experimentan pérdidas de carga. Esperanza de vida útil alta. Desventajas: Las deposiciones en la tubería o en el sensor provocan fallos del equipo y errores de medición. método de medición por efecto Doppler sirve sólo para algunos tipos de aplicaciones, por ejemplo, el control de caudales.

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6. SELECCIÓN DEL PRINCIPIO DE MEDICION DE CAUDAL PARA EL DISEÑO DEL PROTOTIPO

En este capítulo abordaremos el estudio y la exploración del método de medición adecuado para el diseño del prototipo, este estudio parte de las características físicas y técnicas que posee el fluido a medir, las cuales dan soporte y ayuda para la selección del método, teniendo en cuenta las características, ventajas y desventajas del estudio realizado sobre cada uno de los métodos para la medición del caudal. Luego de este estudio, se analizara y seleccionara el principio de medición y el tipo de sensor. Esta es una de las etapas más importantes del proyecto por que define características puntuales de operación, implementación y acondicionamiento (físico y/o eléctrico) que deben considerarse en el prototipo a diseñar respecto al sensor seleccionado. Para dar inicio a la selección del método de medición, se realizo una investigación acerca del fluido a tratar, los siguientes datos fueron brindados por estudios hechos en la empresa PTAR-C en el laboratorio y por investigación directa en el sitio por parte de nosotros. A continuación se nombraran dichos datos obtenidos, como lo es la conductividad, tipo de sólidos que habitualmente circulan por la tubería, caudal volumétrico que maneja el proceso de TPA, diámetro de la tubería, presión, temperatura. En la tabla 1 se mostrara los datos obtenidos inicialmente de la planta. Tabla 1. Características y condiciones técnicas del fluido.

Tipo de fluido Agua residual Temperatura 22-24 ºC

Caudal 4.6 m3 / h

Presión 25 PSI Conductividad del fluido 400 – 700 µS / cm

Diámetro Tubería 1”1/2

Caudal mínimo 1 m3 / h

Caudal Máximo 9 3 / h

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6.1. PRINCIPIO DE MEDICION SELECCIONADO El método seleccionado para la medición del caudal fue el método de medición electromagnética ya que no presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida de todo tipo de partículas sólidas , barros, melazas, etc.; que son el tipo de fluido que se va tratar para la medición, este principio de medición es independientemente de la presión, la temperatura y la viscosidad que se pueda presentar en el fluido, no experimenta pérdidas de carga además, brinda facilidad de limpieza y un alto grado de fiabilidad y reproducibilidad de la medición. Como principal característica es el gasto mínimo en mantenimiento y renovación, ya que el sistema anterior de medición área variable (rotámetros) presentaban un mantenimiento muy continuo lo que hacía que este proceso de la planta PTAR-C quedara por fuera de servicio reiteradamente en un mes. Otra parte fundamental es que el método de medición, la señal de salida es habitualmente lineal lo que hace más fácil y preciso el acondicionamiento de la señal a tratar. Entre otras, no son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del medidor y se pueden utilizar para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones. Teniendo en cuenta que la aplicación es una aplicación industrial, se utilizo un software industrial llamado applicator de la Endress hauser este programa está diseñado para ayudar a las personas que saben su aplicación, pero no están seguros de el mejor sistema de medición para su necesidad, el cual tiene como propósito la selección optima de un dispositivo de medición partiendo de la características técnicas del tipo de fluido que se va a medir como se muestra a continuación en las siguientes figuras.

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Figura 3. Vista software applicator de la endress+hauser

La Figura 3 muestra la selección del área de trabajo, para nuestro caso se elige la función caudal que es la que se le va a realizar el estudio para la selección del método de medición. La Figura 4 nos muestra los diferentes métodos de medición y además nos da la posibilidad de seleccionar el tipo de fluido, la presión y temperatura del proceso, y el diámetro de la tubería, para nuestro caso el tipo de fluido es líquido conductivo, la presión de trabajo es menor a 230 psi y la temperatura menor a 80 grados centígrados y diámetro de la tubería menor a 4 pulgadas. Como se ve en la figura de manera instantánea se eliminan marcándolos con una ‘X’ de color rojo, también podemos seleccionar criterios adicionales como lo son alta rangeabilidad y pérdidas de carga baja. Como anteriormente se menciono el método de medición electromagnético posee estas características el cual se seleccionan en el software.

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Como vemos el método que mejor resultado mostró fue el método de medición electromagnético, con esta herramienta ya podemos seleccionarlo con una mayor seguridad, porque solo no nos basamos en la teoría si no que este software se basa más en lo práctico que finalmente en donde se desarrollara este prototipo. Figura 4. Vista software applicator de la endress+Mauser

Ya terminado este estudio se llego a la conclusión que el método electromagnético es el más adecuado para las condiciones y características que posee el fluido en el área de TPA en la planta PTAR-C.

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7. PRINCIPIO DE MEDICION DE LOS MEDIDORES ELECTROMAGNETICOS

7.1. LEY DE FARADAY Según creus antonio:

Faraday intento aplicar esta teoría en la medición de la velocidad del rió TAMESIS el Suponía que el agua del rió circulaba perpendicularmente al campo magnético de la tierra y que el agua es un conductor relativamente bueno. Sumergió una probeta en el agua y esperaba obtener una señal que variara directamente con la velocidad, pero no tuvo éxito debido a que no disponía de indicadores sensibles y a que el campo magnético de la tierra es bajo. No obstante, su teoría fue aceptada. Los holandeses fueron los primeros en el mundo que adaptaron este principio2.

El hecho de que aparezca una corriente en el circuito se debe a que la variación del flujo magnético da lugar a una fuerza electromotriz (fem) en dicho circuito, denominada fuerza electromotriz inducida (o fem inducida). La ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a menos la derivada del flujo magnético con respecto al tiempo,

dt

dEind

Φ−=

El signo menos indica que la Fem. Inducida (y por tanto, la corriente inducida) tiene un sentido que se opone al cambio que la provoca, resultado que se conoce con el nombre de Ley de Lenz. Así, si el flujo magnético a través del circuito aumenta, la corriente inducida toma un sentido que se opone a este cambio, tratando de hacer disminuir el flujo magnético y si el flujo disminuye, la corriente inducida se opone a este cambio tomando un sentido que trata de hacer aumentar el flujo magnético a través del circuito3.

_______________ 2 CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. 6 ed. Barcelona: Editorial Alfaomega Grupo Editor, 1998. p. 154. 3 Fenómeno de inducción electromagnética. La ley de Faraday [en línea]. Madrid: Laboratorio de electromagnetismo. Departamento de física. Universidad Carlos III de Madrid, 2001. [Consultado 22 de enero de 2008]. Disponible en internet: http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones/electricidad/leydeFaraday.pdf. p.1-2

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El fenómeno físico en el que esta técnica se basa se conoce, sin embargo, desde mucho antes. El físico ingles Michael Faraday (1791-1867) se percato de que al mover una barra metálica conductora de longitud (L) con velocidad (V) en el seno de un campo magnético (B), se induce una corriente eléctrica que genera entre los dos extremos de la barra una tensión UE de algunos mili voltios como se muestra en la Figura 5. Faraday4. También descubrió que la magnitud de la tensión inducida es directamente proporcional a la velocidad (V) de movimiento y a la intensidad (B) del campo magnético

UE = B * L * V * K

UE = Tensión Inducida. B = Intensidad del campo magnético L = Longitud del conductor Eléctrico (corresponde a la distancia entre los electrodos en el tubo de medición). V = Velocidad de movimiento del conductor (corresponde a la velocidad de fluido en el tubo de medición). K=Constante Figura 5. Principio de inducción electromagnética según Michael Faraday

Fuente: Medición de Caudal, Guía práctica, Tecnología de medición-aplicaciones-soluciones de la Endress+Hauser. Alemania: Endress+Hauser, 1998. p. 12-14. ________________ 4 Medición de Caudal, Guía práctica, Tecnología de medición-aplicaciones-soluciones de la Endress+Hauser. Op. cit., p. 40.

42

En nuestro caso se trata de un líquido conductor que se desplaza en el seno del campo magnético creado por dos bobinas externas; en dos electrodos dispuestos a 90° respecto al flujo y al campo, rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. Realmente la única zona del liquido en movimiento que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a los dos electrodos, B es la densidad del campo magnético creado por medio de la bobina de campo, L es el diámetro de la tubería y V es la velocidad del fluido a través del medidor tal como se indica en la Figura 6. La proporcionalidad entre la tensión de salida y el caudal sólo es cierta si el perfil de velocidades es simétrico respecto al eje longitudinal y el campo magnético es uniforme. Los electrodos deben seleccionarse de acuerdo con su resistencia a la corrosión o a la abrasión. En la siguiente tabla se indican los materiales más empleados y su resistencia. En la tabla 2 vemos los materiales de los electrodos más utilizados para este tipo de aplicación. Tabla 2. Materiales de los electrodos.

MATERIAL RESISTENCIA A LA CORROSION

RESISTENCIA A LA ABRASION

Inox 316 Buena Media Opcional:

Hastelloy B & C Haynes Alloy 25

Platino Tantalio Titanio

Buena Media

Excelente Buena Buena

Media

Excelente Pobre Media Buena

Especial: Monel

Carpenter 20

Buena Buena

Media

Excelente

En nuestro caso el material utilizado para nuestros electrodos es el acero inoxidable 316 por su bajo costo y su desempeño ante la corrosión y la abrasión.

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En principio, cuantos mayores sean éstos mejor; pero para evitar que se ensucien y deterioren, deben cubrirse con un aislante, es decir, se acoplan capacitivamente, esto implica un aumento de la impedancia de salida, una alternativa es limpiarlos desde el exterior con ultrasonidos, las tuberías deben ser no metálicas, no magnéticas para no distorsionar el campo impuesto, y revestida interiormente con un material resistente a la abrasión y aislante para no cortocircuitar la señal obtenida en los electrodos, Se emplean teflón, poliuretano, neopreno y cerámicas. Figura 6. Fundamento del medidor de caudal electromagnético

Fuente: Sensores de reactancia variable y electromagnética [en línea]. Buenos aires: Centro de Investigación y Tecnología Química, 2007. [Consultado 5 de febrero de 2008]. Disponible en Internet: http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO3.pdf En este segundo caso se evitan los efectos electroquímicos en los electrodos y termoeléctricos en las soldaduras de los cables eléctricos de conexión. Pero si la alimentación es senoidal, de la red de 60Hz por ejemplo, el propio campo magnético variable induce tensiones parásitas en cualquier bucle conductor. Una alternativa es alimentar el electroimán o la bobina con una tensión cuadrada o trapezoidal y medir la tensión inducida sólo durante el tiempo que el campo magnético es constante. Aunque el fluido debe ser conductor, para aplicar este método basta conductividades del orden de 5µS/m. No sirve, sin embargo, para hidrocarburos ni para gases. Hay diseños especiales aplicables hasta 0,05µS/m (alcoholes). La ausencia de obstrucciones al flujo lo hace idóneo para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión. Por su carácter no invasivo, es adecuado para las industrias farmacéuticas y alimentaría.

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8. FUENTE DEL CAMPO MAGNETICO Las primeras fuentes conocidas del magnetismo fueron los imanes permanentes. Jean Baptíste Biot y Félix Savart describieron los resultados de sus medidas del momento de fuerza que actúa sobre un imán próximo a un conductor largo por el que circula corriente y analizaron estos resultados en función del campo magnético producido por cada elemento. André Marie Ampére amplió estos experimentos y demostró que los propios elementos de corriente experimentan una fuerza en presencia de un campo magnético; en particular demostró que dos corrientes se ejercen fuerzas entre sí. 8.1. CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR CORRIENTES ELÉCTRICAS: LEY DE BIOT Y SAVART El campo magnético dB producido por un elemento de corriente / dl viene dado por la ecuación siguiente:

20

4 r

rxIdldB

∧

=π

µ Ley Biot y Savart

La anterior ecuación conocida como ley de Biot y Savart, fue también deducida por Ampere. Esta ley es análoga a la ley de Coulomb correspondiente al campo eléctrico creado por una carga puntual. La fuente del campo magnético es una carga móvil qv o un elemento de corriente / dl, del mismo modo que la carga q es la fuente del campo electrostático. El campo magnético decrece con el cuadrado de la distancia a la carga móvil o elemento de corriente, de igual modo que el campo eléctrico decrece con el cuadrado de la distancia a una carga puntual. Sin embargo, los aspectos direccionales de los campos eléctrico y magnético son completamente distintos. Mientras que el campo eléctrico apunta en la dirección

radial ∧r desde la carga puntual al punto donde observamos el campo (para una

carga positiva), el campo magnético es perpendicular a ∧r y v en el caso de las

cargas puntuales o dl en el caso de un elemento corriente. En un punto situado a lo largo de la línea de un elemento de corriente, tal como el punto P2 de la figura 7, el campo magnético debido a dicho elemento es cero. (La ecuación anterior da dB

= O si dl y ∧r son paralelos o antiparalelos.)

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Según Tipler: “El campo magnético debido a la corriente total que circula por un circuito puede calcularse utilizando la ley de Biot y Savart para calcular el campo debido a cada elemento de corriente y después sumando (integrando) para todos los elementos de corriente del circuito. Este cálculo es difícil excepto en los casos de circuitos de geometría simple”5. Figura 7. El elemento de corriente I dl produce un campo magnético en el

punto P, que es perpendicular tanto a I dl como a ∧r . Este elemento no

produce campo magnético en el punto P2 que está en la misma línea de I dl

Fuente: TIPLER, Paúl A. y Gene Mosca. Física. Vol. 2. 5 ed. Barcelona: Reverté S.A., 2003. p. 795.

_______________ 5 TIPLER, Paúl A. y Gene Mosca. Física. Vol 2. 5 ed. Barcelona: Reverté S.A. 2003. p. 795.

46

9. CÁLCULO Y DISEÑO DE BOBINAS PARA MEDIDOR DE CAUDAL ELECTROMAGNÉTICO.

Para comenzar con el diseño de las bobinas se tienen que tener una serie de conceptos que a continuación se explicaran.

9.1. CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR ESPIRAS Según Lang:

Alrededor de un conductor, por el que circula una corriente eléctrica, se forma un campo magnético que se extiende a todo lo largo del conductor, sin embargo los campos magnéticos de este tipo no tienen la intensidad suficiente para fines técnicos, se puede intensificar aumentando la intensidad de la corriente que circula por el conductor. Concentrando las líneas de fuerza también se consigue intensificar el campo magnético. Si se dobla el conductor formando una espira, en la superficie de esta se concentran las líneas de fuerza e intensifican en ella el campo magnético como se muestra en la Figura 86.

Figura 8. Campo magnético creado por una espira de alambre

Fuente: LANG, Johannes. El campo magnético. Barcelona: Editorial Marcombo S.A, 1985. p. 49 __________________ 6 LANG, Johannes. El campo magnético. Barcelona: Editorial Marcombo S.A, 1985. p. 49.

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En la Figura 9 se muestra el campo magnético de una bobina formada por varias espiras de hilo conductor. Figura 9. Campo magnético creado por varias espiras de alambre

Fuente: LANG, Johannes. El campo magnético. Barcelona: Editorial Marcombo S.A, 1985. p. 51 Los campos magnéticos de las de las diversas espiras se suman formando el campo magnético total de la bobina. Este es muy concentrado y rectilíneo en el interior de la bobina. Las distancias entre las diversas líneas de fuerza son iguales. Fuera de la bobina, las líneas de fuerza se separan y se cierra formando un arco más o menos grande alrededor de la bobina. Por consiguiente, en el interior de esta la densidad del flujo magnético en el interior es homogénea7. Los medidores de caudal utilizan dos bobinas en serie es para generar un campo magnético uniforme, donde su magnitud en cualquier punto es la misma, estas dos bobinas que están en serie lo que hacen es crear un dipolo donde las líneas de campo van del polo norte al polo sur como se muestra en la Figura 10. _____________ 7Ibid., p. 51.

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Figura 10. Campo magnético creado por dos bobinas de alambre

9.1.1. Caso de una espira simple. El campo magnético B creado por una espira circular de radio R, por la que circula una corriente de intensidad I, en cualquier punto de su eje, viene dado por la expresión.

0

2

32

02

20

)(2 h

hR

RIB µµ

+=

Donde 0µ la permeabilidad del vació ( 0µ = 4π ×710− T·m/A) y h0 es la distancia

del punto a calcular el campo al centro de la espira. B es, por tanto, perpendicular al plano de la espira. El sentido de B depende del sentido de giro de la corriente, de acuerdo con la regla de Maxwell (o del sacacorchos). Si en lugar de una espira tenemos n espiras aproximadamente en la misma posición, habrá que multiplicar el resultado por n. 9.1.2. Calculo de la intensidad del campo magnético para n espiras. Para realizar este cálculo, se debe tener en cuenta que hay generar un campo

49

magnético mayor al campo magnético generado por la tierra, para no tener perturbaciones en la medición del caudal que se piensa medir. El campo magnético terrestre se caracteriza también por su intensidad. La intensidad de un campo magnético se mide en gauss. El campo magnético terrestre es bastante débil, del orden de 0,3 gauss en las proximidades del ecuador y de 0,7 gauss en las regiones polares.

1 Gauss = 0.0001 Tesla 0.3 Gauss = 3*10-5 Teslas

Nuestra ubicación se encuentra en las proximidades del ecuador por lo que debemos generar un campo mayor a 3*10-5 Teslas, a continuación se verán en la figura 11 los parámetros que se deben utilizar para realizar este cálculo. En la Figura 11 podemos ver todos los parámetros que se utilizaron para el diseño de las bobinas Figura 11. Datos para el Cálculo del campo magnético

50

0

2

32

02

20

)(2 h

hR

RIB µµ

+=

Datos Para el cálculo:

0µ =4π ×710− T·m/A

I = 1 Amperio R = 0.025 metros h0=0.034 metros Para hacer este cálculo por ser dos bobinas las multiplicamos por dos.

+=

0

2

32

02

20

)(2

*2 h

hR

RIB µµ

Quedando la ecuación de la siguiente forma: Reemplazando valores

( ) ( ) ( )( ) ( )

0

2

322

2-7

)034.0025.0(

025.0*1*T·m/A 10 × 4h

mm

mAB µπ

+=

Haciendo el cálculo

Τ= −510*045.1B

0

2

32

02

20

)(h

hR

IRB µµ

+=

51

El campo magnético calculado en teslas fue solo para una espira de alambre, ahora haremos el cálculo del campo para N espiras como se muestra en la tabla 2, para eso el resultado lo multiplicaremos por N que es el número de espiras.

)(*10*045.1 5 NB Τ= −

Tabla 3. Calculo del campo magnético para N espiras

Campo con una espira (Teslas)

N(Numero espiras) Campo Con N espiras (Teslas)

1.045*10-5 100 104.5*10-5 1.045*10 200 209*10-5 1.045*10 300 313.5*10-5 1.045*10 400 418*10-5 1.045*10 500 522.5*10-5 1.045*10 600 627*10-5 1.045*10 700 731.5*10-5 1.045*10 800 836*10-5 1.045*10 900 940.5*10-5 1.045*10 1000 1045*10-5 1.045*10 1100 1149.5*10-5 1.045*10 1200 1254*10-5 1.045*10 1300 1358.5*10-5 1.045*10 1400 1463*10-5 1.045*10 1500 1567.5*10-5 1.045*10 1600 1672*10-5 1.045*10 1700 1776.5*10-5 1.045*10 1800 1881*10-5 1.045*10 1900 1985.5*10-5 1.045*10 2000 2090*10-5

9.1.3. Calculo de la tensión inducida por medio de la ley de inducción de faraday.

UE = B * L * V

UE = Tensión Inducida. B = Intensidad del campo magnético

52

L = Longitud del conductor Eléctrico (corresponde a la distancia entre los electrodos en el tubo de medición). V = Velocidad de movimiento del conductor (corresponde a la velocidad de fluido en el tubo de medición) Para realizar el cálculo de la tensión inducida necesitamos tener la velocidad del fluido la cual calcularemos con la siguiente formula, si se tiene el caudal volumétrico que pasa por el tubo de medición y el área de este. Qv = V * A Donde

A

QvV =

Datos para el cálculo: Qv =0 a 10 m3/h A=0.001140091m La tabla 4 vemos el cálculo de las velocidades del fluido teniendo el área del tubo y el caudal volumétrico.

53

Tabla 4. Calculo de velocidad del fluido

A (área del tubo) 2* Rπ

Qv (Caudal Volumétrico) m3/h

V (Velocidad del fluido) m/s

0.001140091 1 0.2436 0.001140091 1.5 0.3654 0.001140091 2 0.4872 0.001140091 2.5 0.6091 0.001140091 3 0.7309 0.001140091 3.5 0.8527 0.001140091 4 0.9745 0.001140091 4.5 1.0964 0.001140091 5 1.2182 0.001140091 5.5 1.3400 0.001140091 6 1.4618 0.001140091 6.5 1.5836 0.001140091 7 1.7055 0.001140091 7.5 1.8273 0.001140091 8 1.9491 0.001140091 8.5 2.0709 0.001140091 9 2.1928 0.001140091 9.5 2.3146 0.001140091 10 2.4364

Ahora teniendo la velocidad del fluido calcularemos el rango de tensión inducida para diferentes magnitudes de campo magnético. Las Tablas 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12 nos muestran el cálculo realizado del voltaje inducido debido a diferentes magnitudes de campo magnético. Tabla 5. Calculo de voltaje inducido para un campo de 836*10 -5 Teslas que equivale a 800 vueltas

e (voltaje inducido)

mV

B (Campo magnético)

Teslas

L (Longitud del conductor)

Mts

V(Velocidad del fluido) m/s

0.0776*10-3 836*10-5 0.0381 0.2436 0.7760*10-3 836*10-5 0.0381 2.4364

54

Tabla 6. Calculo de voltaje inducido para un campo de 940.5*10 -5 Teslas que equivale a 900 vueltas


mV


Teslas


Mts


0.0872*10-3 940.5*10-5 0.0381 0.2436 0.8730*10-3 940.5*10-5 0.0381 2.4364

Tabla 7. Calculo de voltaje inducido para un campo de 1045*10 -5 Teslas que equivale a 1000 vueltas


mV


Teslas


Mts


0.0969*10-3 1045*10-5 0.0381 0.2436 0.9700*10-3 1045*10-5 0.0381 2.4364

Tabla 8. Calculo de voltaje inducido para un campo de 1254*10 -5Teslas que equivale a 1200 vueltas


mV


Teslas


Mts


0.1163*10-3 1254*10-5 0.0381 0.2436 1.1640*10-3 1254*10-5 0.0381 2.4364



mV


Teslas


Mts


0.1357*10-3 1463*10-5 0.0381 0.2436 1.3580*10-3 1463*10-5 0.0381 2.4364

55



mV


Teslas


Mts


0.1551*10-3 1672*10-5 0.0381 0.2436 1.5520*10-3 1672*10-5 0.0381 2.4364



mV


Teslas


Mts


0.1745*10-3 1881*10-5 0.0381 0.2436 1.7460*10-3 1881*10-5 0.0381 2.4364



mV


Teslas


Mts


0.1939*10-3 2090*10-5 0.0381 0.2436 1.9400*10-3 2090*10-5 0.0381 2.4364

56

10. DISEÑO DE LA INSTRUMENTACIÓN PARA EL PROTOTIPO DE MEDICIÓN ELECTROMAGNETICA

Después de obtener las tensiones inducidas a diferentes magnitudes de campos magnéticos, se procede a realizar la instrumentación para un determinado rango de voltaje inducido, ya que este voltaje esta en el orden de los milivoltios. Para realizar el diseño de la instrumentación se utilizo el voltaje inducido de la tabla 8, con el propósito de obtener un campo magnético mucho mayor al de la tierra y a la vez, evitar que la medición sea alterada por campos magnéticos generados por objetos como bombas o motores en funcionamiento cercanos a nuestro prototipo de medición electromagnético. 10.1. ETAPAS DE LA INSTRUMENTACION ELECTRONICA 10.1.1. Amplificador no inversor. Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. Como el voltaje de entrada ingresa por el pin positivo, y conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo. Conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión como lo vemos en la Figura 12.

57

Figura 12. Amplificador no inversor

10.1.2. Cálculos etapa amplificador no inversor.

iVR

RV

1

20 1+=

1

20 1R

RG

V

V

i

+== Si R1 = 1 KΩ y G=200

( )( )( )

Ω=−=

−=

KR

R

GRR

199

12001000

1

2

2

12

A continuación se calculara el rango mínimo y máximo el cual varía a la entrada

I1= −

Vi R 1

I2 = Vi − Vo

R 2

I 1= I2 ⇒ Vo = 1+ R 2

R 1

Vi

58

Vi = 0.11 mV Mínimo

( )mVV

mVK

KV

22

11.01

1991

0

0

=Ω

Ω+=

Vi = 1.16 mV Máximo

( )mVV

mVK

KV

232

16.11

1991

0

0

=Ω

Ω+=

El V0 es el voltaje de salida que vamos a tener del amplificador no inversor que posteriormente se pasara por un seguidor de voltaje. 10.1.3. Seguidor de voltaje. Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada como se muestra en la Figura 13. Figura 13. Seguidor de voltaje

Es necesario utilizar este circuito ya que se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como característica principal tiene impedancia de entrada infinita Zin = ∞.

59

10.1.4. Etapa acondicionamiento lineal de la señal. Se diseñará un circuito basado en amplificadores operacionales que convierta un rango de voltajes de 22 a 232 mV que es el rango de voltaje anterior calculado a un rango de 0 a 5 V para su posterior tratamiento. Figura 14. Acondicionamiento lineal

Procedemos a calcular la ecuación que me representara el voltaje de salida de 0 a 5 voltios. La primera variable que vamos a calcular es la pendiente de la recta. De la grafica podemos obtener los puntos para poder hallar la pendiente.

( )( )

( )( )232.0,5022.0,0

,,) 1 ( 221121

21 XYXYXX

YYm

−−=

Ecuación general de la recta

bmxY += (2)

60

Despejamos b

11 mXYb −= (3)

Reemplazamos (1) en (3)

121

211 X

XX

YYYb

−−

−= (4)

Remplazamos (1) y (4) en (2)

121

211

21

21 XXX

YYYVi

XX

YYY

−−

−+−−

=

Acomodamos el término Y1

1121

21

21

21 YXXX

YYVi

XX

YYY +

−−

−−−

=

Sacamos factor común

( ) 1121

21 YXViXX

YYY +−

−−

=

Como Y1= 0

( )121

21 XViXX

YYY −

−−

= (5)

61

Como 21

21

XX

YY

−−

es igual a m (la pendiente)

232.0022.0

50

−−=m

m = 23.8 Como m = 23.8 y X1 = 0.022 reemplazamos en la ecuación (5)

V0 = ( )022.08.23 −= ViY (6)

La ecuación (6) es la que nos representa el voltaje de salida para nuestro acondicionamiento representado con amplificadores operacionales. A continuación mostraremos la prueba reemplazando los voltajes de entrada en la ecuación (6). Cuando Vi = 0.022 V

( )vV

V

o

o

0

022.0022.08.23

=−=

Cuando Vi = 0.232 V

( )vV

V

o

o

99.4

022.0232.08.23

=−=

El paso a seguir es diseñar el circuito con amplificadores operacionales que cumpla con la ecuación de salida (6).

62

IA =V 1 − R2

R 2 + R 1 V 2 R 1

IB =R 2

R 2 +R 1 V 2 − Vo R2

IA = IB ⇒ Vo = R2 R 1 V 2 − V 1 ( )

El circuito que obedece a esta ecuación es el amplificador diferencial por tener como ecuación de salida igual a la ecuación (6). 10.1.5. Amplificador diferencial. El amplificador diferencial, es una combinación del amplificador inversor y no inversor. Este amplificador tiene características únicas. Este circuito, mostrado en la Figura 15, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional. Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre la corriente de entrada en los terminales es cero, (V+) se obtiene de la división de voltajes: (V+) = [R2/ (R2 + R1)] V2, Las corrientes IA e IB se calculan usando la ley de Ohm. IA = IB y (V+) = (V-) y Vo se obtiene de una substitución sencilla. Figura 15. Amplificador diferencial

En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V (+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red V1 de

63

resistencias R1 y R2 es igual a la red V2 de resistencias R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V (-) se mantenga igual a V (+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. 10.1.6. Cálculos etapa amplificador diferencial. Sabemos que en la ecuación

general de salida del amplificador diferencial la ganancia es 1

2

R

R, relacionando

nuestra ecuación de salida (6) con la del amplificador tenemos que:

1

28.23R

R=

Si R1 = 1 ΩK tenemos que:

Ω=

k18.23 2R

R2 = 23.8 ΩK

Finalmente tenemos nuestra ecuación de salida:

( )022.01

8.230 −

ΩΩ= Vi

K

KV

10.1.7. Circuito final de la instrumentación electrónica. Anteriormente se ha diseñado etapa por etapa de la instrumentación electrónica, en la Figura 16, se mostrara el circuito final de la instrumentación electrónica final con sus respectivos valores calculados.

64

Figura 16. Instrumención final

El integrado que contiene las etapas diseñadas anteriormente es el ad624 (ver datasheet del fabricante) el cual es un amplificador de precisión, bajo ruido, alta ganancia, alta linealidad, además para la ganancia de 200 que es la que utilizamos no se necesita elementos externos ya que este integrado ya la posee. En la tabla 13 podemos ver la relación que hay entre caudal, la velocidad del fluido, el voltaje inducido, el voltaje con ganancia 200, y finalmente el voltaje de salida (0 v – 5 v), se puede concluir que el sistema es lineal.

65

Tabla 13. Relación caudal voltaje de salida (0 v – 5 v)

Caudal (m3/h)

Velocidad del fluido (m/s)

Voltaje inducido

(mV)

Vi G=200 (mV)

Vo = 23.85(Vi-0.0232)

1 0.2436 0.1163*10-3 23.26 0.001 1.5 0.3654 0.1745*10-3 34.9 0.279 2 0.4872 0.2327*10-3 46.54 0.556

2.5 0.6091 0.2910*10-3 58.2 0.834 3 0.7309 0.3492*10-3 69.84 1.112

3.5 0.8527 0.4073*10-3 81.46 1.389 4 0.9745 0.4655*10-3 93.1 1.667

4.5 1.0964 0.5238*10-3 104.76 1.945 5 1.2182 0.5820*10-3 116.4 2.222

5.5 1.3400 0.6402*10-3 128.04 2.500 6 1.4618 0.6984*10-3 139.68 2.778

6.5 1.5836 0.7566*10-3 151.32 3.055 7 1.7055 0.8148*10-3 162.96 3.333

7.5 1.8273 0.8730*10-3 174.6 3.610 8 1.9491 0.9312*10-3 186.24 3.888

8.5 2.0709 0.9894*10-3 197.88 4.166 9 2.1928 1.0476*10-3 209.52 4.443

9.5 2.3146 1.1058*10-3 221.16 4.721 10 2.4364 1.1640*10-3 232.8 4.998

66

11. DISEÑO DEL PROGRAMA PARA LA VISUALIZACION DEL CAUDAL

La Figura 17 nos muestra la relación lineal entre el voltaje de entrada y el caudal de salida. Figura 17. Relación lineal entre el voltaje de entrada al micro y el caudal visualizado

Calculo de la pendiente.

( )( )

( )( )998.4,100014.0,1

,,) 1 ( 221121

21 XYXYXX

YYm

−−=

Reemplazo valores en (1)

m = 1.8

Ecuación general de la recta

67

bmxY += (2)

Despejamos b

11 mXYb −= (3)

Reemplazamos (1) en (3)

121

211 X

XX

YYYb

−−

−= (4)

Remplazamos (1) y (4) en (2)

121

211

21

21 XXX

YYYVi

XX

YYY

−−

−+−−

=

Acomodamos el término Y1

1121

21

21

21 YXXX

YYVi

XX

YYY +

−−

−−−

=

Sacamos factor común

( ) 1121

21 YXViXX

YYY +−

−−=

Reemplazamos valores

1)0014.0(8.1 +−= iVY

68

Resultado final

99748.08.1 += iVY (5)

La ecuación 5 será la ecuación que utilizaremos para el desarrollo del programa, este programa será el encargado de coger la señal de entrada al micro y hacer su respectivo tratamiento para ser visualizado en un LCD. El código del programa diseñado se podrá ver el anexo B con su respectiva explicación línea por línea Para la visualización del caudal se utilizo herramientas de software de diseño, para la creación y compilación del código, se utilizo el software PIC C Compiler el cual es un compilador de alto rendimiento que soporta la familia de 14 bit de microcontroladores PIC, dispositivo que se Eligio para la simulación. Se seleccionó este dispositivo ya que es ideal para desarrollar en bajo nivel con los recursos de un lenguaje de alto nivel como el C. Para la simulación de la visualización se utilizo el software PROTEUS 6 profesional, es un programa para simular circuitos electrónicos complejos en todas sus etapas: diseño, simulación, depuración y construcción. Integrando inclusive desarrollos realizados con microcontroladores de varios tipos, en una herramienta de alto desempeño con unas capacidades graficas altas. Se eligió este dispositivo ya que cumple con todas nuestras necesidades de diseño y simulación. El dispositivo programable que se empleo en el software de simulación fue el PIC16F873, fue elegido por sus múltiples características que se acomodan perfectamente a las necesidades del proyecto como el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de apoyo, la velocidad, buena relación entre sencillez y utilidad

69

11.1. MODULO DE CRISTAL LÍQUIDO (LCD) Para la visualización del caudal es necesario utilizar el modulo de cristal liquido o LCD, es un dispositivo µControlado de visualización grafico para la presentación de caracteres, símbolos o incluso dibujos (en algunos modelos), en nuestro caso dispone de 2 filas de 16 caracteres cada una y cada carácter dispone de una matriz de 5x7 puntos (pixels), aunque los hay de otro número de filas y caracteres. Este dispositivo está gobernado internamente por un microcontrolador Hitachi 44780 y regula todos los parámetros de presentación, este modelo es el más comúnmente usado y esta información se basará en el manejo de este u otro LCD compatible.

70

12. EXPORTACION DE DATOS

12.1. ESTANDAR 4-20 mA El estándar 4-20 mA es una señal analógica de transmisión para la industria de instrumentación y la comunicación. La señal de corriente de 4 mA representa la señal de cero por ciento y 20 mA representa el cien por ciento de la señal. El "cero vivo" a 4 mA permite la recepción de los instrumentos para distinguir entre una señal de cero y un alambre roto o un instrumento muerto. El estándar 4-20 mA se desarrolló en la década de 1950 y sigue siendo ampliamente utilizado en la industria de hoy. Los beneficios de la convención de 4-20 mA son ampliamente utilizados por muchos fabricantes, relativamente de bajo costo para la implementación, además puede rechazar de muchas formas el ruido eléctrico, este rechazo permite que sea muy útil cuando el transductor este a 50 o más metros de distancia. Como principal característica es la precisión de la señal ya que no se ve afectada por la caída de voltaje en los cables de interconexión. En nuestro caso utilizaremos el integrado xtr110 (ver datasheet del fabricante) para la comunicación y exportación de datos. 12.2. CIRCUITO DE CONEXIONADO INTEGRADO XTR110 El XTR110 es un convertidor tensión – corriente de precisión diseñado para la transmisión de señales analógicas. Se puede configurar para aceptar tensiones y generar corrientes en varios rangos. En la Figura 18 se muestra la estructura interna del circuito, la función de transferencia y la tabla de configuraciones típicas.

71

Figura 18. Circuito de conexionado integrado XTR110

Fuente: Circuitos integrados frecuentemente utilizados en la instrumentación [En línea]. Madrid: Juan Enrique García Sánchez, 2003 [Consultado 15 de diciembre de 2007]. Disponible en Internet. http://oretano.ieleab.uclm.es/~jgarcia/Instrumentacion/A_Circuitos%20integrados%20frecuentemente%20utilizados%20en%20instrumentacion.pdf La configuración que nuestro prototipo utilizara será la de el rango de entrada de 0-5 voltios y el rango de salida será de 4 a 20mA como podemos ver en la tabla 14 veremos el conexionado de pines para esta configuración. Tabla 14.configuración de pines circuito integrado XTR110

72

La función de transferencia completa del XTR110 es:

SPAN

ININREFIN

R

VVV

I

++= 2416

10 21

0

Teniendo en cuenta la tabla 14, donde se encuentra la configuración de pines para una entrada de voltaje de 0 a 5 voltios y una corriente de salida de 4 a 20 mA tenemos: Vrefin = 10 v (Pin 3) Vin1 = común (pin 4) Vin2 = 0 V a 5 V (pin 5) Para un voltaje de entrada de 0 voltios

Ω

++=

5.15622

0

4

0

16

1010

0I

Realizando el cálculo I0= 4.00 mA Para un voltaje de entrada de 5 voltios

Ω

++=

5.15622

5

4

0

16

1010

0I

Realizando el cálculo I0= 20.00 mA

73

La etapa de entrada está formada por una red resistiva de precisión (R1, R2, R3,

R4 y R5) que permite obtener una tensión interna VA =

++2416

21 ININREFIN VVV.

La corriente de emisor de Q1 (IEQ1) es igual a VA/RSPAN, y, al ser R8=10R9, la corriente de salida está obligada a ser 10 veces mayor que IEQ1, ya que la caída de tensión en R8 y en R9 (aplicando el principio de tierra virtual al operacional) deben ser iguales. Según se muestra en la figura es necesario un transistor externo para conducir la corriente de salida, el fabricante recomienda una lista de posibles transistores, todos ellos mosfet de canal P, mostrado en la tabla 15. Nótese que son precisos tres hilos; uno de alimentación y dos para el bucle de corriente. Tabla 15. Tipos de mosfets canal P para esta configuración

74

13. SIMULACION PROTOTIPO FINAL

Para la simulación del prototipo se utilizo la herramienta PROTEUS, que es un entorno integrado diseñado para la realización completa de proyectos de construcción de equipos electrónicos. Proteus es un software para la co-simulación de microprocesadores con un ambiente de simulación tipo SPICE.

• Disponible para procesadores PIC, 8051, AVR, HC11, ARM7/LPC200 y Basic Stamp.

• Vea como su código interactúa con hardware simulado en tiempo real.

• Modelos de periféricos I/O para teclados, displays, etc.

• Más de 8000 modelos de dispositivos análogos y digitales.

• Depuración de errores a través de single step ó de otras aplicaciones, incluyendo un diagnóstico del sistema entero.

• Compatible con todos los compiladores y ensambladores más populares.

En las siguientes figuras veremos todo acerca de la simulación de nuestro prototipo que cumple con los datos calculados en la tabla 12.

En la Figura 19 vemos todo el circuito montado en el software proteus, la instrumentación realizada, el microcontrolador utilizado y la visualización en el LCD

75

Figura 19.circuito final realizado en Proteus

En la Figura 20 veremos como al introducirle un voltaje inducido antes de la instrumentación, este cumple con los resultados obtenidos en la tabla 12 y se visualizara en el LCD en caudal relacionado para este voltaje.

76

Figura 20. Simulación en proteus

Y así sucesivamente al introducirle un voltaje inducido, este visualizara en el LCD un determinado caudal, pasando este voltaje por todas las etapas de la instrumentación diseñadas y entrando esta señal al microcontrolador haciendo todas sus rutinas programadas en este, para llegar a la visualización del caudal que es lo último que se quiere.

77

14. CARACTERISTICAS TECNICAS PROTOTIPO MEDICION

14.1. CAMPOS DE APLICACIÓN

El sistema de medición posibilita una medición electromagnética de caudal precisa y de coste ajustado puede medirse cualquier líquido con una conductividad minima de 5 µS / cm (micro Siemens por centímetro). • Ácidos, álcalis, pastas, suspensiones, pulpas. • Agua potable, agua residual, vertidos. • Leche, cerveza, vino, agua mineral, yogurt, melazas. Para nuestro caso será utilizado para la medición de agua residual. 14.2. DATOS DEL FLUIDO A MEDIR. CONDUCTIVIDAD DEL FLUIDO A MEDIR= 400 – 700 µS / cm TEMPERATURA PROMEDIO DEL FLUIDO= 22 – 24 ºC CAUDAL= 4 – 6 m3 / h PRESION= 0 – 60 PSI PRESIÓN DE TRABAJO= 25 PSI

78

15. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DEL PROTOTIPO DE MEDICIÓN

15.1. RANGO DE OPERACIÓN Es el conjunto de valores de una variable que es capaz de medir un instrumento o un sistema de medida. Como el caudal máximo que en este momento se mide en la planta PTAR-C donde este dispositivo va a ser instalado es de 4 – 6 m3 / h las características de operación del dispositivo diseñado son las siguientes. • CAUDAL MINIMO DE OPERACIÓN : 1 m3 / h • CAUDAL MAXIMO DE OPERACIÓN : 10 m3 / h • VELOCIDAD MINIMA DEL FLUIDO : 0.2436 m / s • VELOCIDAD MAXIMA DEL FLUIDO : 2.4364 m / s • RANGO TOTAL DE MEDIDA: 1 m3/ h – 10 m3 / h 15.2. ALCANCE O SPAN DEL PROTOTIPO Diferencia entre el valor superior y el valor inferior del rango de medida del instrumento. ALCANCE O SPAN = 9 m3 / h 15.3. ERROR ABSOLUTO DEL PROTOTIPO: ±0.08 m3 / h 15.3.1. Error relativo: ±3.2 % 15.4. RESOLUCION

79

Es el incremento más pequeño que permite diferenciar una lectura de otra. Resolución: 0.04 m3 / h 15.5. SENSIBILIDAD La sensibilidad del prototipo de medición de caudal nos indica cuántas de las cifras de una medida son significativas, en nuestro caso son dos cifras significativas (0.01). 15.6. LINEALIDAD Nuestro sistema es lineal debido a que el diagrama de respuesta se aproxima a una línea recta. Se realiza una estimulación de entrada y esta se refleja en su respuesta de salida, el cual al graficar obtenemos una línea recta como se observa en la Figura 21. Figura 21. Linealidad del prototipo de medición

80

15.7. DISEÑO MODULAR La palabra modular quiere decir que el medidor puede instalarse en versión compacta o en versión remota, la versión compacta es donde el sensor y la parte electrónica forman solo una unidad y la versión remota puede montarse separadamente hasta una distancia de 200 m. En nuestro caso será una versión compacta, ya que la señal proporcionada por los electrodos es una señal muy baja a la cual se le debe hacer su posterior tratamiento, evitando la perdida de esta debido a las distancias. En la Figura 22 vemos un posible diseño del prototipo de medición, donde ira la parte de las bobinas generadoras del campo y los electrodos captadores del voltaje inducido. Figura 22. Diseño prototipo de medición

81

16. INSTALACION DEL SENSOR

A fin de medir correctamente y evitar daños, a continuación se observan en la Figura 23 los modos más correctos de instalación.

• Orientación vertical: Es la óptima con circulación de abajo arriba. Cuando no hay circulación, las partículas sólidas arrastradas caen hacia abajo y los contenidos grasientos, más ligeros, suben alejándose de la zona de electrodos.

• Orientación horizontal: El eje de los electrodos debe quedar horizontal. Esto evita el aislamiento del electrodo por acumulación de burbujas de aire que puedan viajar con el líquido.

Figura 23. Orientaciones de instalación prototipo de medición

16.1. TRAMOS DE ENTRADA Y SALIDA El sensor debe montarse, siempre que sea posible, alejado de las turbulencias generadas por componentes (Válvulas, codos, derivaciones T), como se muestra en la Figura 24.

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Tramos de entrada >3-5 x DN Tramos de salida >2 x DN Figura 24. Instalación tramos de entrada y salida

16.2. VIBRACION Fijar tubo antes y después del sensor, una excesiva vibración exige un montaje separado del sensor y el transmisor. Con tramos de tubería libre superiores a los 10 m de longitud, se recomiendan soportes para minimizar las fuerzas externas. En la Figura 25 vemos como deben de ser instalados los medidores en sitios donde se presente vibraciones.

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Figura 25. Montaje con vibraciones cerca al medidor

16.3. PUESTA A TIERRA El sensor y el fluido deben de estar, aproximadamente, al mismo potencial eléctrico para que la medición sea precisa y no se produzca corrosión en los electrodos. Para tubería de plástico es necesario colocar dos discos o anillos de aproximadamente de 3 milímetros de ancho para la puesta a tierra el cual deben ser instalados entre las bridas como se muestra en la Figura 26. Figura 26. Puesta a tierra

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En la tabla 16 veremos un resumen de los datos técnicos más relevantes del prototipo de medición Tabla 16. Datos técnicos más relevantes del prototipo de medición.

Prototipo de medición Diámetro 1”1/2 Conductividad mínima del fluido 5 µS / cm Presión de trabajo 25 PSI Caudal mínimo de operación 1 m3 / h Caudal máximo de operación 10 m3 / h Tipo de fluido a medir Agua residual Temperatura fluido 22 – 24 ºC Conductividad del fluido 400 – 700 µS / cm Material electrodo Acero inoxidable Electrodos incorporados Electrodos de medición Alimentación 110 Vac- 60 Hz Visualización Modulo LCD 2 * 16 caracteres Material de la caja Aluminio Material de revestimiento Teflón

Poliuretano Neopreno Cerámicas

Salida de corriente 4 a 20 mA

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17. DATOS TECNICOS BOBINAS GENERADORAS DEL CAMPO MAGNETICO

La Figura 27 nos muestra la bobina diseñada generadora del campo magnético Figura 27. Bobina de espiras de alambre generadora del campo magnético

• Alambre esmaltado de cobre calibre 34 • Resistencia: 265.8 ohmios por kilómetro • Diámetro: 0.1601 milímetros • Diámetro total en milímetros esmaltado : 0.200

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18. CONCLUSIONES • Por medio del estudio técnico y teórico realizado en cada uno de los métodos de medición de caudal, se obtuvo el criterio necesario para definir el método electromagnético como el más apropiado para esta parte de la planta PTAR-C, teniendo en cuenta los parámetros más relevantes como el tipo de fluido, la conductividad, la perdida de carga, la temperatura, presión, viscosidad, el diámetro de la tubería y la presencia de partículas sólidas. • Gracias a varias leyes de la física, como lo son la ley de inducción de Michael Faraday quien llego a la conclusión que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa, Biot-Savart el cual formularon el campo magnético producido por una corriente cualquiera que fluye a través de un conductor y la ley de Lorentz quien pudo concluir que la fuerza es proporcional a la carga y a la velocidad con la que la partícula entra en el campo magnético, logramos entender fenómenos físicos como el electromagnetismo y permite que el ser humano lo use a su ventaja. El medidor electromagnético es un claro ejemplo de estos principios aplicados a la industria y el comercio. • Los resultados obtenidos mediante la instrumentación propuesta para el desarrollo del proyecto fueron los esperados, se contrastaron con los teóricos calculados, dando como resultado un porcentaje de error mínimo, el cual nos brinda seguridad para la implementación del proyecto. • De acuerdo a las estrategias de comunicación propuestas para los equipos, se recomienda utilizar la análoga (4-20mA), ya que las condiciones físicas y de distribución de los sectores de la planta se prestan para este tipo de comunicación, además en el sitio hace presencia de maquinas los cuales generan ruido eléctrico el cual pueden afectar la transmisión y la precisión de la señal, pero con este método de comunicación no se verá muy afectada, tampoco será afectada por la caída de voltaje en los cables de interconexión, resaltando también su bajo costo de implementación. • Por medio del microcontrolador PIC se puede tener un óptimo control de la señal de entrada y salida del dispositivo, ya que es ideal para desarrollar en bajo nivel con los recursos de un lenguaje de alto nivel como el C.

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BIBLIOGRAFÍA Circuitos integrados frecuentemente utilizados en la instrumentación [En línea]. Madrid: Juan Enrique García Sánchez, 2003 [Consultado 15 de diciembre de 2007]. Disponible en Internet. http://oretano.ieleab.uclm.es/~jgarcia/Instrumentacion/A_Circuitos%20integrados%20frecuentemente%20utilizados%20en%20instrumentacion.pdf COOPER, William David. Instrumentación electrónica y mediciones. Barcelona: Prentice-Hall, 1982. 427 p.

CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. 6 ed. Barcelona: Editorial Alfaomega, 1998. 735 p. Planeta azul. Empresa de servicios públicos municipales de Cali, Emcali eice esp. Gerencia unidad estratégica de negocios de acueducto y alcantarillado. Santiago de Cali, 2001. 1 archivo de computador Fenómeno de inducción electromagnética. La ley de Faraday [en línea]. Madrid: Laboratorio de electromagnetismo. Departamento de física. Universidad Carlos III de Madrid, 2001. [Consultado 22 de enero de 2008]. Disponible en internet: http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones/electricidad/leydeFaraday.pdf. GARCIA GUTIERREZ, Luís. Teoría de la medición de caudales y volúmenes de agua e instrumental necesario disponible en el mercado [en línea]. Madrid: Centro Español de Metrología, 2008. [Consultado 21 de febrero de 2008]. Disponible en Internet: www.igme.es/internet/web_aguas/igme/publica/pdfart2/teoria.pdf LANG, Johannes. El campo magnético. Barcelona: Editorial Marcombo S.A, 1985. 67 p. Medición de Caudal, Guía práctica, Tecnología de medición-aplicaciones-soluciones de la Endress+Hauser. Alemania: Endress+Hauser, 1998. 458 p. TIPLER, paúl A. Física. Vol. 2. 5ed. Barcelona: Editorial Reverté S.A., 2003. 1260 p PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE CAÑAVERALEJO. EMCALI EICE ESP. CONTRATO: GO-505-97-ALC; Manual de operación. PMO-01. Descripción general de la planta. 2 ed. Santiago de Cali: s.n, 2002. 1230 p.

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RODRIGUEZ GONZALES, Paola Andrea. Elaboración de un manual de procedimientos para el mantenimiento y operación de los variadores de velocidad de la PTAR-C. Santiago de Cali, 2006. 102 p. Trabajo de grado (Ingeniera Mecatrónica). Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingenierías. Departamento de automática y electrónica. Sensores de reactancia variable y electromagnética [en línea]. Buenos aires: Centro de Investigación y Tecnología Química, 2007. [Consultado 5 de febrero de 2008]. Disponible en Internet: http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO3.pdf

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ANEXOS

Anexo A Vista aérea Planta PTAR-C

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Anexo B. Código fuente Del programa #include <16F873.h>

#fuses HS, NOPROTECT, NOLVP, NOWDT, NOBROWNOUT //Ordenes Para el

programador

#use delay (clock=12000000) //Fosc=12Mhz

#include <DRIVE_LCD_a.c>

#include <math.h>

#include <STDLIB.H>

Int valor1;

Float voltaje, caudal, caudal2;

// Configuración de ADC y ptos:

Void inicio_int_ext ()

// "1" es entradas, "0" es presión salida

set_tris_a (0x01); // A0 es entrada

set_tris_b (0x00); //

set_tris_c (0x00);

setup_adc (ADC_CLOCK_DIV_32);

setup_adc_ports (RA0_ANALOG); // A0 es entrada analoga

set_adc_channel (0);

delay_ms (1); //Retardo recomendado antes de realizar

//la primera captura

// Programa principal que posee la subrutina representar en el driver:

<DRIVE_LCD_a.c>

Void main ()

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inicializar_lcd ();

valor1 = 0;

inicio_int_ext ();

#define inicio 0x1f00

valor1=read_adc (ADC_START_AND_READ);

Voltaje=5*(float) valor1/255;

Caudal=1.8*voltaje;

caudal2=caudal+0.99748;

clear_lcd ();

escribir_lcd ("CAUDALIMETRO 1");

desplazar_cursor (0x40); //se ubica en 1 carácter de la segunda línea

escribir_lcd ("FLUJO=");

Representar (caudal2);

escribir_lcd ("m3/h");

delay_ms (70); //retraso para que se vea en pantalla

goto_address (inicio);

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DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN Y …