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ÍNDICE

Contenido

ÍNDICE.................................................................................................................................................. 1

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................. 3

RESUMEN ............................................................................................................................................ 4

1. CARACTERÍSTICAS DEL CANAL..................................................................................................... 5

1.1. Fenómenos de estudio............................................................................................................. 6

1.1.1. Los tipos de flujo que se presentan en un canal abierto .................................................. 6

1.1.2. La distribución de la velocidad en un canal abierto.......................................................... 6

1.1.3. El tipo de régimen en un canal abierto a partir de las condiciones energéticas del flujo 7

2. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR ...................................................................................... 7

2.1. Descripción de un microcontrolador........................................................................................ 7

2.1.1 Microcontrolador AVR........................................................................................................ 7

2.2. Selección de la plataforma de hardware para el proyecto ...................................................... 8

2.3. Arduino..................................................................................................................................... 9

2.3.1. Características ................................................................................................................. 10

2.4. Ambiente integrado de desarrollo (IDE) ................................................................................ 12

2.4.1. Estructura básica de programación Arduino (sketch) ..................................................... 12

3. SELECCIÓN DE SENSORES.......................................................................................................... 13

3.1. Sensor resistivo eTape............................................................................................................ 13

3.1.1. Observaciones ................................................................................................................. 17

3.2. Sensores ultrasónicos............................................................................................................. 17

3.2.1. Alimentación y funcionamiento ...................................................................................... 17

3.2.1.1. Condiciones de uso .................................................................................................. 18

3.2.2. Conversión de unidades .................................................................................................. 19

3.2.3. Sensor ultrasónico GH-311.............................................................................................. 20

3.2.4. Sensor ultrasónico US-100 .............................................................................................. 20

3.2.5. Sensor ultrasónico HC-SR04 ............................................................................................ 21

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3.2.5.1. Desarrollo y descripción del código empleado ........................................................ 21

3.2.5.2. Pruebas con agua en reposo .................................................................................... 24

3.2.5.2.1. Resultados ......................................................................................................... 25

3.2.5.3. Pruebas con agua en movimiento............................................................................ 30

3.2.5.3.1 Resultados .......................................................................................................... 31

4. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 37

ANEXO A............................................................................................................................................ 38

ANEXO B ............................................................................................................................................ 39

BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................................... 40

REFERENCIAS.................................................................................................................................... 40

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema general del sistema............................................................................................... 4Figura 2. Módulo a desarrollar. ........................................................................................................... 5Figura 3. Canal de pendiente variable................................................................................................. 5Figura 4. Arduino Uno. ........................................................................................................................ 9Figura 5. Sensor eTape. ..................................................................................................................... 14Figura 6. Circuito divisor de tensión.................................................................................................. 14Figura 7. Gráfico correspondiente a los datos de la tabla 1.............................................................. 16Figura 8. Gráfico correspondiente a los datos de la tabla 2.............................................................. 17Figura 9. Modo de operación del sensor ultrasónico. ...................................................................... 18Figura 10. Restricciones/consideraciones en el uso del sensor ultrasónico. .................................... 19Figura 11. Sensor ultrasónico GH-311, vista frontal. ........................................................................ 20Figura 12. Sensor ultrasónico US-100, vista frontal. ......................................................................... 20Figura 13. Sensor ultrasónico HC-RS04. ............................................................................................ 21Figura 14. Sensor 1, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo. ........................ 26Figura 15. Sensor 2, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo. ........................ 28Figura 16. Sensor 3, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo. ........................ 30Figura 17. Sensor 1, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento................. 32Figura 18. Sensor 2, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento................. 34Figura 19. Sensor 3, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento................. 36

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RESUMEN

El objetivo del proyecto es contar con un sistema automatizado de registro de lostirantes/profundidades en seis diferentes puntos del canal de pendiente variable, que es unequipo de docencia perteneciente a la licenciatura en Ingeniería Hidrológica en el cual se simula elflujo a superficie libre, tanto en estado estacionario como transitorio, a través de un canal desección rectangular. Las mediciones de esta relevante variable se llevan a cabo actualmente pormedio de un limnímetro, el cual permite su registro de manera manual y en un punto a la vez,aumentando la probabilidad de inducir lecturas erróneas en demérito de la ejecución de laspruebas. Al contar con un sistema automatizado de registro, se reducen los errores y es posibleregistrar la variación temporal y espacial, aspecto fundamental en el análisis de transitorios.

Figura 1. Esquema general del sistema.

Para ello es necesario crear un sistema que permita llevar dicho registro, el propuesto semuestra en la figura 1. El módulo (ver figura 2) está compuesto por el sensor que ayudará arealizar la lectura del nivel de agua, un microcontrolador y la computadora. El microcontrolador,es el encargado de controlar el comportamiento del sensor, es decir, convierte las lecturas queobtiene del sensor a las que requiere el usuario, una lectura en milímetros; finalmente elmicrocontrolador le envía los datos a la computadora vía USB, para que el usuario pueda observarel nivel de agua.

Por las ventajas que ofrece la plataforma de desarrollo Arduino y la compatibilidad con lamayoría de los sensores, se eligió para realizar este proyecto, en la sección selección demicrocontrolador se explican sus características y funcionamiento en general.

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La búsqueda del sensor se realizó vía Internet, donde la gama de posibilidades es amplia,pero se tomaron en cuenta los siguientes factores para reducir la búsqueda: el uso del sensor y elcosto. Debido a que existen sensores de tipo industrial y su precio es elevado, se comenzó abuscar un sensor de uso común y de costo accesible. A lo largo de este documento se muestranlas pruebas realizadas con los tipos de sensores que se encontraron, ya que aunque cumplen conalgunas de las características que el proyecto exige, no se descarta la posibilidad de hallaropciones más viables y precisas en el futuro.

Figura 2. Módulo a desarrollar.

1. CARACTERÍSTICAS DEL CANAL

Figura 3. Canal de pendiente variable.

El canal de pendiente variable en el que se implementó el sistema, mide 6 m de longitud,30 cm de alto y 8 cm de ancho; sus paredes están hechas con placas de acrílico montadas en unaplantilla metálica.

Cuenta con una bomba centrífuga, para poder ser puesto en operación. Ésta tiene unaválvula mariposa que ayuda a regular la cantidad de agua que entra al canal; cuando estátotalmente abierta, alcanza valores variables de tirante/profundidad, dependiendo de lapendiente del mismo y de los aditamentos que se utilicen para modificar el flujo. La modificaciónde la pendiente se lleva a cabo por medio de un mecanismo que permite bajar o subir el extremo

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del canal, mientras que la modificación del flujo se consigue por medio de la colocación de unacompuerta, escalón y vertedores de pared gruesa.

El canal se utiliza para analizar diferentes fenómenos de la hidráulica de canales abiertostales como flujo uniforme, crítico, gradualmente variado, rápidamente variado, tanto en estadoestacionario como no estacionario.

Las actividades de laboratorio con el canal de pendiente variable tienen como finalidadafianzar los conocimientos expuestos en las sesiones de teoría, y ofrecerle las bases para llevar acabo la medición de las variables más relevantes relacionadas con este tipo de fenómenos.

1.1. Fenómenos de estudio

El canal de pendiente variable, permite simular diversos fenómenos con la ayuda deestructuras de control tales como: compuertas planas verticales, para analizar el comportamientodel flujo a través de ellas; vertedores de pared gruesa con una cresta horizontal suficientementelarga para que se pueda asumir una distribución hidrostática de la presión. Con estas simulaciones,se pueden estudiar los fenómenos descritos a continuación.

1.1.1. Los tipos de flujo que se presentan en un canal abierto

Los tipos de flujos se clasifican de acuerdo al cambio de profundidad del agua en funcióndel tiempo y/o espacio.

Al tomar como criterio el espacio, el flujo puede clasificarse en uniforme y no uniforme ovariado.

Si el criterio es el tiempo, el flujo se clasifica en: permanente, si la profundidad del agua nocambia en el intervalo de tiempo considerado; no permanente, si la profundidad cambiacon el tiempo. El problema más común que se puede encontrar hablando de flujo nopermanente, son las ondas transitorias. Estas ondas son provocadas por el efecto de lagravedad que se propaga en el canal abierto y resulta de un desplazamiento apreciable delas partículas de agua en una dirección paralela al flujo.

1.1.2. La distribución de la velocidad en un canal abierto

Debido a la presencia de una superficie libre y a la fricción con las paredes del canal, lavelocidad del flujo no está uniformemente distribuida en la sección transversal. Normalmente, lavelocidad máxima parece ocurrir debajo de la superficie a una distancia de 0.05 a 0.25 deprofundidad y en las paredes la velocidad es nula.

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1.1.3. El tipo de régimen en un canal abierto a partir de las condiciones energéticas delflujo

La energía total en la sección de un canal puede expresarse como la carga total en metrosde agua, es decir, la suma de la elevación sobre un nivel de referencia, la altura o carga de presióny la altura o carga de velocidad.

2. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR

2.1. Descripción de un microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado que incorpora en su interior los bloquesbásicos para formar un sistema embebido o una PC en menor escala. Es decir, el microcontroladores un chip en cuyo interior encontramos una CPU(Unidad Central de Procesamiento), memoria,reloj, puertos de comunicación y módulos periféricos de E/S. Cada uno de estos bloques internos,cumple una función específica y permite al diseñador un mejor control de los procesos del sistema.El CPU se dice que es un microprocesador en pequeño y de menor potencia, la memoria sirve paraalmacenar el programa a ejecutar, el reloj provee una señal de sincronización para todas las tareasdel sistema, los puertos de comunicación le permiten al microcontrolador tener comunicaciónbidireccional con otros microcontroladores o un PC.

2.1.1 Microcontrolador AVR

Los AVR son una familia de microcontroladores de 8 bits cuentan con una CPU RISC y sumemoria de programa viene implementada en FLASH cuenta con periféricos como puertosdigitales, ADC1, PWM2, entre otros.[1]

Transmisión de datos o comunicación con la PC

Dentro de la familia AVR, el chip dispone de un periférico específico para la programaciónde su memoria, el puerto ISP (In System Programming), el cual es un puerto serial formado por 3terminales del microcontrolador, son estos terminales los que se conectan a un programador yéste a un puerto del PC, para realizar el grabado o “quemado” del chip. Existen diferentesopciones para el hardware programador como puertos del PC, es decir existen un programadorpor puerto paralelo, un programador USB, un programador serial, etc.

1 ADC por sus siglas en inglés, Analogic Digital Converter (convertidor analógico digital).2 PWM, por sus siglas en inglés Pulse Width Modulation. (Modulación por ancho de pulso).

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Lenguaje de programación y ambiente integrado de desarrollo (IDE)

Los microcontroladores necesitan recibir las instrucciones a realizar mediante un códigoen el lenguaje usado es el Lenguaje Ensamblador (.asm). Hoy es común hallar compiladores delenguajes de alto nivel a lenguaje ensamblador, para el AVR existen compiladores en C, C++ o Basicque, además, cuentan con su propio IDE3 que sirve para programar y diseñar el funcionamientodel sistema; el IDE se puede descargar de la red y es gratuito.

2.2. Selección de la plataforma de hardware para el proyecto

Para llevar a cabo la medición de nivel de agua en forma automática, se pensó en diseñarun sistema que permita obtener los datos mediante una interfaz gráfica en la que el usuarioobtenga las medidas en los instantes que lo necesite. Se comenzó la búsqueda de dispositivos demedición electrónicos más comunes para medir líquido, (en la sección de Sensores se retomaráeste punto) y en la compatibilidad de estos dispositivos con las plataformas de desarrollo enprogramación.

Como punto de partida se propuso utilizar sistemas basados en microcontroladores (PIC oAVR) además buscar una plataforma de desarrollo con disponibilidad en el mercado y sobre todocompatibilidad con las herramientas de medición, esto para evitar construir el circuito impreso(PCB), ya que esto evitaría un gasto económico y de mano de obra además se traduciría enreducción de tiempo de diseño, prueba y construcción.

En la actualidad existen opciones de desarrollo en programación que se adaptan a lascaracterísticas del sistema buscado. Después de una búsqueda selectiva se optó por trabajar conArduino, que se basa en el microcontrolador AVR, por las siguientes ventajas que ofrece:

Disponibilidad en el mercado. No es aconsejable comenzar un proyecto con algún tipo demicrocontrolador que escasee en el mercado, porque al no ser fácil de encontrar ocomprar, detendría el proyecto.

Costo. En comparación con otras plataformas de desarrollo, también basados enmicrocontroladores, Arduino se puede adquirir a costos no muy elevados.

Documentación. Es necesario que el fabricante proporcione información suficiente para laoperación correcta de la plataforma a usar.

Compatibilidad con otros sistemas. Esta característica permite a ampliar aún más elfuncionamiento del sistema final, pues se pueden adicionar dispositivos para lacomunicación inalámbrica o para extender la memoria de almacenamiento, pantallasexternas para visualizar los datos, etc.

3 IDE, por sus siglas en inglés Integrated Development Enviroment.

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Multiplataforma El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows,Macintosh OS X y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores estánlimitados a Windows.

Los sistemas basados en microcontroladores tienen como propósito leerinterpretar y ejecutar las instrucciones programadas que reciben del usuario, además en elcaso de Arduino, permite adicionar módulos y esto lo hace flexible para futuros cambios ymejoras según lo requiera el sistema.

Una explicación del funcionamiento de los microcontroladores, servirá parafamiliarizar al lector de este trabajo con el funcionamiento del sistema.

2.3. Arduino

Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basado en hardware y softwarefácil de usar. Está dirigido a cualquier persona que hace proyectos interactivos.

Arduino Uno, ver figura 4, es una placa electrónica basada en el ATmega328. Cuenta con14 terminales digitales de entrada/salida, de los cuales 6 pueden utilizarse para salidas PWM, 6entradas analógicas, un resonador cerámico 16 MHz, una conexión USB, un conector dealimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Para comenzar a usarlo basta conconectarlo a un ordenador con un cable USB, a un adaptador de CA o también es posibleconectarlo a una batería.

Figura 4. Arduino Uno.

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2.3.1. Características

Microcontrolador ATmega328Tensión de funcionamiento 5VVoltaje de entrada(recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada (límites) 6-20VTerminales de salidas digitales

I/O 14 (de las cuales 6 proporcionan salida PWM)

Terminales de entradaanalógica 6

Corriente DC por terminal I/O 40 mACorriente DC de 3.3V 50 mA

Memoria Flash 32 KB ( ATmega328 ) de los cuales 0.5 KB utilizado por el gestorde arranque

SRAM 2 KB ( ATmega328 )EEPROM 1 KB ( ATmega328 )Velocidad del reloj 16 MHzLongitud 68.6 mmAncho 53.4 mmPeso 25 g

Entradas y salidas analógicas/digitales

Un sistema electrónico es cualquier disposición de componentes electrónicos con unconjunto definido de entradas y salidas. Una placa Arduino, por tanto, puede pensarse de formasimplificada como un sistema que acepta información en forma de señal de entrada, desarrollaciertas operaciones sobre ésta y luego produce señales de salida.

Justamente, una de las opciones que hacen más potente a Arduino son susentradas/salidas digitales. En los sistemas electrónicos, una magnitud física variable se representageneralmente mediante una señal eléctrica que varía de manera tal que describe esa magnitud.Por lo general, se hace referencia a las señales continuas como señales analógicas, mientras queasociamos las señales discretas a señales digitales, el ejemplo más claro es el de las señalesbinarias, donde la señal sólo puede tomar dos niveles, 0 o 1.

Arduino incorpora terminales digitales (señales discretas) pero de tal forma que tenemosuna variedad de valores con los que trabajar (por ejemplo, 255 valores de luz en un fotosensor,siendo 0 ausencia de luz y 255 el máximo valor lumínico).

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Terminales digitales

Las terminales digitales de una placa Arduino pueden ser utilizadas para entradas o salidasde propósito general a través de los comandos de programación pinMode(), digitalRead(), ydigitalWrite(). Cada terminal tiene una resistencia pull-up que puede activarse o desactivarseutilizando DigitalWrite() (con un valor de HIGH o LOW, respectivamente) cuando la terminal estáconfigurada como entrada. La corriente máxima por salida es 40 mA.

Serial: 0 (RX) y 1 (TX). Utilizado para recibir (RX) y transmitir (TX) datos serie TTL.

Interruptores externos: 2 y 3. Estas terminales pueden ser configuradas para disparar unainterrupción con un valor bajo, un pulso de subida o bajada, o un cambio de valor.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proporcionan salidas de señal PWM de 8 bits con la funciónanalogWrite().

SPI: 10 (SS, Slave Select), 11 (MOSI, Master Out Slave In), 12 (MISO, Master In Slave Out), 13 (SCK,Serial Clock). Estas terminales soportan comunicación SPI, Serial Peripheral Interface.

LED: 13. Cuando tiene valor HIGH, el LED está encendido; cuando la terminal está en LOW, el LEDpermanece apagado.

Terminales analógicos

Los terminales de entrada analógicos soportan conversiones analógico-digital (ADC) de 10bits utilizando la función analogRead(). Las entradas analógicas pueden ser también usadas comoterminales digitales: entrada analógica 0 como terminal digital 14 hasta la entrada analógica 5como terminal digital 19.

Terminales de alimentación

VIN (a veces marcada como "9V"). Es el voltaje de entrada a la placa Arduino cuando se estáutilizando una fuente de alimentación externa (En comparación con los 5 voltios de la conexiónUSB o de otra fuente de alimentación regulada).

5V. La alimentación regulada utilizada para alimentar el microcontrolador y otros componentes dela placa. Esta puede venir de VIN a través de un regulador en la placa o ser proporcionada por USBu otra fuente regulada de 5V.

GND. Terminales de tierra.

Otras terminales

AREF. Referencia de voltaje para las entradas analógicas. Utilizada con la funciónanalogReference().

Reset. Poner esta línea en LOW para resetear el microcontrolador.

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2.4. Ambiente integrado de desarrollo (IDE)

El software de código abierto Arduino (IDE) hace que sea fácil de escribir código y cargarloa la placa de desarrollo. Se ejecuta en Windows, Mac OS X y Linux. El entorno está escrito en Java yel procesamiento se basa en otro software de código abierto. Este software se puede utilizar concualquier placa Arduino.

2.4.1. Estructura básica de programación Arduino (sketch)

La estructura básica del lenguaje de programación de Arduino es bastante simple y secompone de al menos dos partes, a lo que se le llama sketch. Estas dos partes necesarias, ofunciones, encierran bloques que contienen declaraciones, o instrucciones.

La estructura general del sketch está formado al menos por el setup() y el loop() y es lasiguiente:

De ser necesarias se hace la declaración de librerías y variables constantes, de la forma:

#include <nombre_de_la_librería.h>

#define nombre_de_la_constante valor_entero_que_toma

Declaración de prototipos de funciones (si es que se utilizan), de la forma:

Tipo_de_valor_que_regresa Nombre_ función (tipo_y_ variable1,…, tipo_y_ variableN);

void setup(){

Declaraciones/inicializaciones

}

void loop(){

Instrucciones

Llamados a funciones

}

Tipo_de_valor_que_regresa Nombre_ función (tipo_y_ variable1,…, tipo_y_ variableN){

Instrucciones que realiza la función

}

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En donde el setup(),se ejecuta sólo una vez cuando el programa empieza por lo tanto es laprimera función a ejecutar. Se utiliza para configurar o inicializar terminales, mediante el uso depinMode(modo de trabajo Entrada/Salida), asimismo para inicializar el puerto serie. Debe serincluido en un programa aunque no haya declaración que ejecutar.[2]

La función loop() , o bucle, contiene el código que se ejecutará continuamente (lectura deentradas, activación de salidas, etc). Es el núcleo de todos los programas de Arduino y la querealiza la mayor parte del trabajo.

3. SELECCIÓN DE SENSORES

Teniendo en cuenta que se requiere medir el nivel del agua, comenzamos por buscar siexistían sensores para medirlo y a su vez, alternativas para ello. Después de esta búsqueda en laque se listaron varios sensores, se realizó un análisis de las especificaciones de cada uno de ellos,existencia de librerías o compatibilidad con Arduino y su costo, con lo que dicha lista se redujo asensores de dos tipos, uno resistivo y tres ultrasónicos.

3.1. Sensor resistivo eTape

Este sensor tiene dos resistencias internas, una variable y una fija, Rsense y Rrefrespectivamente: las terminales 2 y 3 corresponden a Rsense, mientras que para Rref son lasterminales 1 y 4, ver figura 5. Este sensor tiene un orificio de ventilación en la parte superior, tal ycomo se observa en la figura 5, por lo tanto, sólo la parte del sensor que esta graduada debe estarsumergida en el agua.

eTape es un tipo de sensor resistivo, el cual conforme aumenta el nivel de agua laresistencia Rsense disminuye. Dado a que el modo de trabajo del sensor es analógico y se requiereuna interpretación digital, mediante Arduino Uno se realiza la conversión analógico-digital, A/D.Para obtener una lectura analógica que sea aceptada por Arduino Uno, es necesario tenerla entérminos de voltaje. Debido a que el sensor entrega dicha lectura en función de una resistencia, seestá empleando un circuito bastante simple para obtener esta lectura en su equivalente a voltaje,el cual se muestra en la figura 6.

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Figura 5. Sensor eTape.

Figura 6. Circuito divisor de tensión.

Vout (de la figura 6) es conectado a la terminal analógica A0 de Arduino. Posteriormente,la conversión A/D es realizada internamente por Arduino, mediante la instrucción analogRead(),haciendo uso de ella comenzamos por registrar las lecturas que entregaba el sensor con cadacambio que había en el nivel de agua.

El código que se empleó inicialmente es el siguiente

#define lecturaPin A0int muestra;

void setup(){Serial.begin( 9600 );

}

void loop( ){muestra = analogRead( lecturaPin );Serial.print( "lectura " );Serial.println( muestra );delay( 500 );

}

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Con este código se observó que aunque Arduino arrojaba continuamente la lectura, estapresentaba muchas variaciones cada que cambiaba el nivel de agua. Por lo tanto, se modificó elcódigo, para mostrar en el monitor serial el promedio de la lectura de 10 muestras. El código querealiza esto se muestra a continuación.

#define nMuestras 10#define lecturaPin A0int muestras[ nMuestras ];

void setup( ){Serial.begin( 9600 );analogReference( EXTERNAL );

}

void loop(){int addMuestras = 0;float promedio;

for( int i = 0; i < nMuestras; i++ ){muestras[ i ] = analogRead( lecturaPin );delay( 20 );addMuestras += muestras[ i ];

}

promedio = ( float ) addMuestras / nMuestras;Serial.print( "promedio " );Serial.println( promedio );delay( 500 );

}

Con el código anterior se registró el valor a la salida del convertidor A/D (terminal A0) paraniveles de agua de 0cm a 15cm. Las medidas fueron muy similares en diversos experimentos, en latabla 1 se muestran los valores obtenidos de uno de ellos.

Tabla 1. Resultados experimentales con Rref del sensor.

cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Output A/D 526 521 521 518 510 503 500 493 486 476 465 457 447 438 431 414

El gráfico que muestra el comportamiento de estos datos se muestra en la figura 7. Es uncomportamiento que se esperaba de acuerdo al gráfico que viene incluido en el anexo A. Se puedeobservar que a partir de los 3cm los datos comienzan a mostrar una pendiente un poco lineal, apartir de ella podría encontrarse una ecuación que describa este comportamiento. Para los

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primeros centímetros habrá que buscar alguna otra consideración debido a que no es uncomportamiento lineal.

Figura 7. Gráfico correspondiente a los datos de la tabla 1.

Dado a que se pretendía mejorar la resolución del sensor, se hizo un análisis teórico delcircuito de la figura 6. Al realizar un divisor de voltaje en Vout se obtuvo que= ( ) (1)

de la ecuación (1) se dedujo que para aumentar el valor Vout, dado que Rsense no se puedemodificar pero Rref sí, esta última puede ser sustituida por una resistencia externa de menor valor.Finalmente se sustituyó por una resistencia de 560Ω, con esta nueva resistencia se volvieron arealizar pruebas incrementando el nivel del agua en intervalos de 1cm, con ello se obtuvo la tabla2.

Tabla 2: Resultados experimentales obtenidos con Rref externa, fijada a 560Ω.

cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

OutputA/D

750 749.7 749.5 749.4 749.3 741 726 722 705 701 686 678 666 654 639 625

El gráfico correspondiente a estos datos se muestra en la figura 8, donde nuevamente seobserva un comportamiento similar.

0 2 4 6 8 10 12 14 16400

420

440

460

480

500

520

540

[cm]

outp

ut A

/D

eTape

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Figura 8. Gráfico correspondiente a los datos de la tabla 2.

De acuerdo al gráfico del anexo A, el comportamiento en la primera pulgada es constante.Sin embargo, en este último gráfico el comportamiento que se mantiene constante es de 0 a 4cm.Nuevamente, se puede obtener una ecuación que describa el comportamiento del sensor a partirde 4 hasta 15cm.

3.1.1. Observaciones

Como se aprecia en los gráficos de las figuras 7 y 8 en los primeros centímetros no registraningún cambio en la lectura del nivel. Debido al comportamiento que presentó este sensor, sedescartó su uso. Esto porque que se requiere conocer el nivel de agua en cualquier instante detiempo y también a cualquier altura, comenzando desde los 0cm.

3.2. Sensores ultrasónicos

3.2.1. Alimentación y funcionamiento

Los sensores utilizados trabajan con 5 Volts. Y cada uno de ellos tiene especificado quéterminal corresponde a la alimentación, así como la(s) terminal(es) destinada(s) a la conexión GND.

Asimismo, los sensores con los que se experimentó, trabajan bajo el mismo principio defuncionamiento. Los modelos son GH-311, US-100 y HC-SR04.

15, 625

0 2 4 6 8 10 12 14 16600

620

640

660

680

700

720

740

760

[cm]

outp

ut A

/D

eTape

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Un sensor ultrasónico de distancia, mide empleando un transductor que emite una ráfagade ultrasonido que contiene una serie de ondas sonoras intermitentes. La ráfaga se emite enforma cónica, se refleja en la superficie objetivo y se recibe el regreso en un transductor. El tiemporequerido por el sonido para ir y volver se mide y se convierte a unidades de distancia.

En el caso de los modelos de sensor usados, se explica su operación interna con undiagrama de pulsos.

Figura 9. Modo de operación del sensor ultrasónico.

Mediante el código de Arduino se genera un pulso con duración de al menos 5µs(microsegundos). Este pulso activa el sonar interno del sensor, el cual emite una ráfaga ultrasónica(8 pulsos) que viaja por el aire, golpea el objetivo y rebota de vuelta al sensor. Posteriormente, sedebe configurar el sensor en modo Eco, en este modo el sensor proporciona un impulso de salidaque termina cuando se detecta el eco de la ráfaga, por lo tanto la anchura de este pulsocorresponde a la distancia del objetivo, ver figura 9.

3.2.1.1. Condiciones de uso

Los sensores ultrasónicos son eficaces siempre y cuando se usen de la forma adecuada, lassiguientes son consideraciones que se deben tomar en cuenta al momento de operar con ellos.

El sensor no puede medir con precisión la distancia a un objeto que:

a) Esté a más de 3 metros de distancia.b) Que tenga su superficie reflectante con un ángulo pequeño tal que el sonido reflejado no

regrese al sensor.c) Es demasiado pequeño para reflejar suficiente sonido de vuelta al sensor.

Estas consideraciones se observan en la siguiente figura.

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Figura 10. Restricciones/consideraciones en el uso del sensor ultrasónico.

3.2.2. Conversión de unidades

Como se está trabajando con señales ultrasónicas se debe utilizar una conversiónadecuada para obtener la distancia del objetivo ya sea en metros, centímetros o milímetros, paraeste proyecto en específico se requiere realizar las medidas de nivel del agua en milímetros.

Se conoce que = (2)

Debido a que se necesita conocer la distancia, entonces se despeja de la ecuación (2) y se obtiene:= ∗ (2.1)

Dado que el sensor lanza una ráfaga que viaja a través del aire, rebota en el objetivo ydespués regresa al sensor, la duración del pulso registrado queda descrita como= ( )( ó ) (2.2)

Donde velocidad hace referencia a la velocidad del sonido equivalente a 343.2m/s en aireseco a 20°C. Debido a que se requiere calcular la distancia en milímetros, se realiza una conversiónde unidades, considerando que el sensor registra la duración del pulso en microsegundos, por lotanto la velocidad está dada por = 343.2 ⁄ ≡ 0.3432 ⁄al sustituir en (2.2) se obtiene la ecuación adecuada para obtener la distancia en milímetros= (0.1716[ ⁄ ])( ó [ ]) (3)

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hay que aclarar que la distancia que se obtiene con la ecuación (3), es la distancia que hay entre elsensor y objetivo.

3.2.3. Sensor ultrasónico GH-311

Figura 11. Sensor ultrasónico GH-311, vista frontal.

Este sensor cuenta con tres terminales el primero y el tercero corresponden a laalimentación. La segunda terminal corresponde al sonar y a su vez sirve como el eco es decir pormedio de una sola terminal se activa el pulso interno que se explicó en la sección anterior. Éste sedebe configurar primero como salida, y una vez generado el pulso de activación del sonar se debeconfigurar como entrada.

Considerando el modo de uso del sensor, se observó que aún en las condicionesadecuadas el sensor fallaba, puesto que no estaba detectando el eco. Se llegó a esta conclusióncon la ayuda de un osciloscopio, que nos sirvió para detectar los pulsos. Como ya se explicó, unavez que el sensor genera la ráfaga ultrasónica procede a generar un pulso que cesa una vez quedetecta el eco de la ráfaga. Con el osciloscopio se observó que sí iniciaba el pulso, pero jamásterminaba, por lo tanto el sensor no detectaba el eco de la ráfaga.

3.2.4. Sensor ultrasónico US-100

Figura 12. Sensor ultrasónico US-100, vista frontal.

Este sensor cuenta con 5 terminales, tal y como se observa en la figura 12, y el modo detrabajo es igual al del sensor GH-311. A diferencia del modelo anterior su intervalo de operación

21

va desde los 2cm hasta los 350cm, y tiene un pin para activar la ráfaga ultrasónica y otro para larecepción/detección del eco de dicha ráfaga.

3.2.5. Sensor ultrasónico HC-SR04

Este sensor cuenta con 4 terminales, ver figura 13, el intervalo de operación es de 2cmhasta 400cm y cuenta con una resolución de 0.3cm.

Figura 13. Sensor ultrasónico HC-RS04.

3.2.5.1. Desarrollo y descripción del código empleado

El código que se empleó inicialmente para programar la placa de Arduino Uno, mediante elsoftware Arduino IDE, para el funcionamiento de este sensor se explica a continuación.

Todas las variables a utilizar se declararon antes del setup de la siguiente manera.

//funciones y variablesfloat nivel( long M );void activa( );float calibra, nivelAgua, promedio, medida;const int numSample = 5;float sample[ numSample ];const int trig = 8;const int eco = 7;double altura;

Para visualizar los datos en el monitor serial, se utiliza la instrucción Serial.begin(9600) y seestablece a una velocidad de 9600 baudios.

Después se configuran las terminales eco como entrada y trig como salida, terminales 7 y 8respectivamente en la placa de Arduino Uno. Éstos se configuran mediante la instrucción

22

pinMode(terminal, configuración), donde configuración será OUTPUT o INPUT para establecer auna terminal como salida o entrada respectivamente.

Realizamos una función a la que llamamos activa en la cual se genera el pulso deactivación para el sensor ultrasónico. Esta función quedó de la siguiente manera, donde el pulsodura 20µs y es generado con la instrucción digitalWrite() en la terminal correspondiente a trig, taly como se muestra a continuación.

void activa( ){delay( 1000 );digitalWrite( trig, LOW );delayMicroseconds( 100 );digitalWrite( trig, HIGH );delayMicroseconds( 20 );digitalWrite( trig, LOW );

}

Con la ayuda de la variable altura, la cual guarda la duración del primer pulso, se calcula ladistancia a la que se encuentra el sensor respecto a una base, este primer dato se almacena en lavariable calibra4 como referencia, más adelante servirá para obtener la distancia de la base alobjetivo. Todo esto, a excepción de la función activa(), se coloca dentro del setup, tal y como semuestra a continuación, también se manda a imprimir por única vez el valor de calibra, sólo paraconstatar que no sea una medida errónea.

void setup(){Serial.begin(9600);pinMode(trig,OUTPUT);activa();altura=pulseIn(eco,HIGH);calibra=(0.1716*(float)altura);pinMode( trig, OUTPUT );pinMode( eco, INPUT );activa( );altura = pulseIn( eco, HIGH );calibra = ( 0.1716 * ( float ) altura );Serial.print( calibra );Serial.println("calibra");

}

El loop contiene un ciclo for mediante el cual se guarda, en un arreglo de tamaño 5, elnivel de agua registrado. Asimismo se van sumando las muestras del arreglo para obtener unpromedio de ellas, éste será mostrado en el monitor serial. El nivel de agua se calcula con lafunción nivel(), la que recibe como parámetro la duración del pulso para posteriormente calcularmediante la ecuación (3) la distancia a la que se encuentra el objetivo. Para cada una de las

4 Calibra es el resultado de aplicar la ecuación (3).

23

medidas realizadas se debe activar el sensor nuevamente, para ello se hace el llamado a la funciónactiva().

void loop( ){promedio = 0;for( int i = 0; i < numSample; i++ ){activa();medida = nivel( pulseIn( eco, HIGH ) );if ( medida < 0 )

sample[ i ] = 0;else

sample[ i ] = medida;promedio = promedio+sample[i];

}promedio = promedio / numSample;imprime( );Serial.print( promedio );Serial.println(" distancia\n");

}No hay que olvidar que se requiere el nivel de agua es decir, la distancia de la base a la

superficie del agua. Para ello es necesario restar a calibra, la distancia que se obtiene de laecuación (3), ya que de no hacerlo lo que se estaría reportando sería la distancia del sensor a lasuperficie del agua. Teniendo en cuenta esto, la función nivel() queda de la siguiente manera

float nivel( long muestra ){float distancia = ( 0.1716 * ( float ) muestra );float nivelAgua = calibra - distancia;return nivelAgua;

}

Se creó una función auxiliar para imprimir los datos guardados en el arreglo sample paradetectar cualquier falla de operación en el sensor, basta con comentar la siguiente línea de código

imprime( );

para que en el monitor serial sólo se observe el promedio de las 5 muestras, en lugar de todas lasmuestras y el promedio. La función imprime() tiene la estructura mostrada a continuación.

void imprime( ){

for ( int i = 0; i < numSample; i++ ){Serial.println( sample[ i ] );

}}

24

Este sensor (HC-SR04) es el que mejores resultados ha entregado, realizando pruebas enobjetos sólidos y con agua en reposo, a continuación se muestran los resultados de las medidasque se realizaron en agua en reposo. Posteriormente se mostraran los resultados con agua enmovimiento para compararlos y saber si se necesita hacer algún ajuste al sensor para mejorar losdatos entregados.

3.2.5.2. Pruebas con agua en reposo

Los sensores fueron etiquetados como Sensor 1, Sensor 2 y Sensor 3. Los siguientesgráficos muestran la comparación de 3 muestras de medidas realizadas en distintos días para cadasensor, asimismo en las tablas 3, 4 y 5 se encuentran los resultados de estas medidas etiquetadascomo prueba 1, prueba 2, prueba 3, todas estas están registradas en mm. Las columnas queindican Sensor se refieren a las medidas que entrega el sensor al aumentar el nivel de agua, lacolumna Real se refiere a la medida de agua contenida en el recipiente. El objetivo de haberrealizado esto es saber si los resultados son constantes y confiables, y conocer si la incertidumbrede medidas es muy grande, conociendo esto es posible hacer un ajuste para que los resultadossean mejores.

Para cada una de las muestras, se calculó la ecuación que representa la línea de tendencia,que en este caso es de tendencia lineal. Todas estas pruebas se realizaron con una pecera demedidas 16 cm de altura, 16 cm de largo y ancho 30 cm.

Los pasos que se siguieron fueron:

1. El sensor HCSR04 se colocó encima de la pecera sin agua, y se registró la variable calibra.Posteriormente se depositó en la pecera 10 mm (1 cm) de agua, a continuación seregistró en la Tabla 1, la medida entregada por Arduino en el monitor serial.

2. El nivel de agua se iba aumentando hasta llegar a 100 mm (10 cm).

Este proceso se realizó para cada uno de los sensores hasta completar 3 rondas.

25

3.2.5.2.1. ResultadosSensor 1

Tabla 3. Resultado de 3 pruebas con agua en reposo.

Sensor1real[mm] prueba 1 [mm] prueba2 [mm] prueba3 [mm]

10 14 11.15 11.6320 22.24 21.15 22.6530 31.2 32.05 32.2640 41.53 45.06 43.1150 50.68 52.31 5160 63.59 63.32 62.8570 73.21 73.34 72.780 83.26 83.65 80.5190 90.26 90.78 89.75

100 102.45 100.15 100.63

Tabla 3.1. Ecuaciones para cada prueba de Sensor 1.

Ecuación línea de tendenciaprueba 1 prueba 2 prueba 30.9942x + 2.5607 0.9953x + 2.554 0.9773x + 2.9567

26

Figura 14. Sensor 1, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo.

Observaciones

Durante diferentes días se siguió el procedimiento descrito anteriormente, como se notaen el gráfico, la tendencia es lineal. Sin embargo las medidas entregadas por el sensor, difieren dela medida real por ejemplo para la prueba 1 (ver Tabla 3) en el intervalo de 10 a 50 (mm), delsensor resultan medidas con un incremento que está entre 1 y 5 mm más del valor real; y pasadoslos 50 mm, es decir entre 60 y 80 el incremento es de 1 a 3mm. En las últimas medidas 90 y 100(mm) el sensor da un incremento en el intervalo de 0.5 a 1mm. En una conclusión apresuradaparece que el sensor no es tan adecuado, sin embargo con las pruebas 2 y 3, se nota que elcomportamiento es uniforme y al observar las ecuaciones de la Tabla 3.1 la ordenada al origen seencuentra en un valor entre 2.5 y 3. Es decir el factor de corrección también es constante, lo quepermite hacer un modelo en el que los resultados sean lo más reales.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

sens

or [m

m]

real [mm]

Sensor 1 agua en reposo

prueba 1 (mm)

prueba2 (mm)

prueba3 (mm)

27

Sensor 2

Tabla 4. Resultado de pruebas en agua en reposo.

Sensor2real [mm] prueba 1 [mm] prueba2 [mm] prueba3 [mm]

10 7.07 2.62 10.620 21.28 19.91 19.7730 30.75 30.24 26.740 45.61 40.36 36.7950 54.09 50.28 51.6960 58.69 56.35 62.2670 70.63 66.41 72.3580 84.05 79.35 80.4190 90.5 89.75 90.26

100 97.23 99.15 98.22

Tabla 4.1. Ecuaciones para cada prueba de Sensor 2.

Ecuación línea de tendencia Sensor 1prueba 1 prueba 2 prueba 30.9952x + 1.252 1.0227x - 2.8053 1.0108x - 0.6887

28

Figura 15. Sensor 2, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo.

Observaciones

Para este caso, la prueba 1 muestra un valor del sensor que está entre 1 y 5 mm deincremento, excepto en los valores reales 10 y 60 donde el sensor no alcanzó el valor esperado. Laprueba 2 muestra más variaciones incluso existen valores donde no se alcanzó el valor real, peroel sensor entrego valores muy cercanos. La prueba 3 muestra una mayor variación, pero los datosentregados no están tan alejados del valor esperado. En las ecuaciones correspondientes, laordenada al origen muestra que el factor de corrección -0. 5 y 2, es decir que no es tan uniformecomparado con Sensor 1.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

sens

or[m

m]

real [mm]

Sensor 2 agua en reposo

prueba 1 (mm)

prueba2 (mm)

prueba3 (mm)

29

Sensor 3

Tabla 5. Resultado de pruebas en agua en reposo.

Sensor3real [mm] prueba 1 [mm] prueba2 [mm] prueba3 [mm]

10 9.16 10.19 7.1420 19.84 19.7 21.7630 22.75 29.14 32.440 35.21 39.4 34.750 50.72 44.31 40.6760 60.4 62.46 62.0570 70.18 70.63 68.8180 80.58 76.67 81.290 85.46 88.96 91.46

100 95.55 102.38 101.8

Tabla 5.1. Ecuaciones para cada prueba de Sensor 3.

Ecuación línea de tendenciaprueba 1 prueba 2 prueba 30.9943x - 1.7013 1.0085x - 1.0833 1.0349x - 2.7193

30

Figura 16. Sensor 3, comparación de 3 muestras de medidas con agua en reposo.

Observaciones

Los datos arrojados por Sensor 3 muestran incrementos entre 1 y 5mm, hay casos dondelos valores están por debajo del valor real. Al observar las ecuaciones correspondientes (Tabla 5.1)los factores de corrección se encuentran entre 1 y 2, es decir aún se puede conservar el modelolineal, y hacer el ajuste correspondiente para tener mayor exactitud en los datos entregados por elsensor. Para estas pruebas este sensor presentó mayor variación que en los otros casos, inclusoel gráfico aunque las 3 líneas que representan cada prueba son de tendencia lineal, en algunospuntos aparecen diferencias, como en los valores reales 30, 40, 50(mm) para todas las pruebas losvalores del sensor aparecen muy dispersas pues en estos casos, el sensor no daba el valoresperado.

3.2.5.3. Pruebas con agua en movimiento

Para realizar estas pruebas se utilizó el canal con la finalidad de observar el comportamiento de lossensores en cuanto a funcionamiento. Y a partir de los resultados obtenidos compararlos con losresultados de los experimentos hechos en agua en reposo, esto ayudará a conocer qué tan fielesson las medidas y así determinar si el sensor es adecuado para los fines de este proyecto.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

sens

or[m

m]

real [mm]

Sensor 3 agua en reposo

prueba 1 (mm)

prueba2 (mm)

prueba3 (mm)

31

El procedimiento a seguir fue el mismo que con la pecera, con la diferencia de que el canalhay un flujo continuo. Se siguió el procedimiento:

1. El sensor HCSR04 se colocó encima del canal sin agua y se registró la variable calibra.2. Se midió de 0 a 10 cm con incrementos de 1 cm (10 mm). Con ayuda de la válvula se liberó

el líquido hasta obtener cada incremento.3. Se registraron las medidas entregadas en el monitor serial.

Este proceso se realizó para cada uno de los sensores hasta completar 3 rondas.

3.2.5.3.1 ResultadosSensor 1

Tabla 6. Resultado de 3 pruebas con agua en movimiento.

Sensor1Real [mm] prueba 1 [mm] prueba2 [mm] prueba3 [mm]

10 9.15 14.17 13.5720 18.18 21.42 19.2330 29.45 29.45 28.1540 42.89 36.31 37.850 49.74 52.31 51.3360 60.41 62.39 60.2870 70.23 72.66 71.8780 80.15 81.14 80.7290 88.43 92.42 91.82

100 100.56 102.1 101.36

Tabla 6.1 Ecuaciones para cada prueba sensor 1.

Ecuación línea de tendenciaprueba 1 prueba 2 prueba 3y = 1.0064x - 0.4353 y = 1.0095x + 0.932 y = 1.0135x - 0.1287

32

Figura 17. Sensor 1, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento.

En la figura 17 se observa que el comportamiento del Sensor 1, fue muy similar en las tresrondas de mediciones. Debido a que el comportamiento de las 3 muestras es similar a una recta,se aproximó un modelo por medio de la línea de tendencia de los resultados para cada una de lasmuestras, dichas ecuaciones se muestran en la tabla 6.1. En esta tabla se observa que la línea detendencia para las 3 pruebas son muy parecidas, ya que difieren en muy poco. La ecuaciónobtenida para la prueba 2 muestra una ordenada al origen de 0.932, mientras que para las otrasdos pruebas la ordenada al origen fue negativa -0.4353 y -0.1287 respectivamente.

Viendo el comportamiento reportado en la tabla 6, se observa que los resultados no estánmuy alejados a los reales, generalmente se observa un margen de error de entre 1 y 2mm y pocosson los casos en los que se obtiene un error de 3mm. Los resultados para las tres pruebas sonconstantes; aunque para la prueba 1, se observen valores debajo de lo esperado siguen siendofiables debido a que tienen un comportamiento similar a las otras dos pruebas, tal y como seobserva en la figura 17. Esto demuestra que el comportamiento del sensor en cada prueba semantiene constante.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

sens

or [m

m]

real [mm]

Sensor 1 agua en movimiento

Sensor1 prueba 1 (mm)

Sensor1 prueba2 (mm)

Sensor1 prueba3 (mm)

33

Sensor 2

Tabla 7. Resultado de 3 pruebas con agua en movimiento.

Sensor 2Real [mm] prueba 1 [mm] prueba 2 [mm] prueba 3 [mm]

10 5.65 12.3 12.7720 19.78 19.73 22.3430 24.88 32.09 31.6140 38.34 42.66 46.0650 48.91 51.68 53.460 62.12 62.33 62.5170 71.21 70.97 70.880 84.74 79.79 81.4490 93.32 91.98 92.3

100 102 101.3 99.46

Tabla 7.1 Ecuaciones para cada prueba del sensor 2.

Ecuación línea de tendenciaprueba 1 prueba 2 prueba 3y = 1.0064x - 0.4353 y = 0.9944x + 1.7887 y = 0.9712x + 3.8553

34

Figura 18. Sensor 2, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento.

Para este segundo sensor, en la figura 18 se observa que el comportamiento que mostró alrealizar las 3 muestras en el canal fue muy variado. Ayudándonos de la tabla 7, es posible observarque el comportamiento en la primera ronda de medidas, hay valores muy alejados a los que seesperaba; por ejemplo, cuando se esperaban 10mm el sensor obtuvo una lectura de 5.65mm o enel caso en que se esperaban 80mm el sensor arrojó una lectura de 84.74mm para estos dos casosel sensor tuvo una incertidumbre de al menos 4mm por debajo y por arriba de lo esperado,respectivamente; para las otras medidas registradas de esta primera muestra el sensor semantuvo a los esperado, es decir, mostraba una incertidumbre de entre 1 y 2mm. Para las pruebas2 y 3 de este sensor se observa que los valores son muy similares entre sí. Para este caso, se puedecontemplar utilizar algún modelo que permita representar el comportamiento del sensor, nonecesariamente con una línea recta.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

sens

or[m

m]

real [mm]

Sensor 2 agua en movimiento

prueba 1 (mm)

prueba2(mm)

prueba3 (mm)

35

Sensor 3

Tabla 8. Resultado de 3 pruebas con agua en movimiento.

Sensor3Real [mm] prueba 1 [mm] prueba2 [mm] prueba3 [mm]

10 10.78 9.95 9.920 18.05 15.23 15.9230 28.52 26.6 28.2940 34.87 38.06 39.0950 45.85 49.11 51.3860 64.38 58.55 60.270 70.53 69.5 70.6680 81.2 79.45 79.1190 90.88 88.95 89.75

100 110.87 98.64 98.55

Tabla 8.1. Ecuaciones para cada prueba del sensor 3.

Ecuación línea de tendenciaprueba 1 prueba 2 prueba 3y = 1.0906x - 4.3913 y = 1.0196x - 2.6713 y = 1.0135x - 1.458

36

Figura 19. Sensor 3, comparación de 3 muestras de medidas con agua en movimiento.

Para este caso se muestran en la tabla 8.1 las ecuaciones de la línea de tendencia paracada prueba. En la tabla 8, se pueden ver que los resultados obtenidos con el sensor (prueba 1,prueba 2 y prueba 3) en cada incremento puede estar alejado de los valores reales por hasta 5mm,por lo que tal y como se aprecia en el gráfico anterior, el sensor no tiene un comportamiento deltodo lineal. Sin embargo, se puede buscar otro modelo (diferente a la línea recta) que se adaptemejor al comportamiento del sensor; aunque se observan puntos distantes en la primera pruebacomo lo fueron en 60 y 100mm, el sensor sigue conservando el mismo comportamiento para cadaincremento en el nivel de agua, por ejemplo en el intervalo de 0 a 30mm se observa una curvanotoria que es consistente en las tres pruebas.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

sens

or[m

m]

real [mm]

Sensor 3 agua en movimiento

Sensor3 prueba 1 (mm)

Sensor3 prueba2(mm)

Sensor3 prueba3 (mm)

37

4. CONCLUSIONES

El objetivo del proyecto es medir nivel del líquido, con las pruebas realizadas llegamos a laconclusión de que se requieren modelos que se ajusten perfectamente al comportamiento de lossensores, porque como se observó uno es independiente de otro y la calibración tendría que serindividual, ya que aunque pertenecen a la misma familia, bajo las mismas condiciones de usopresentan diferentes comportamientos.

A partir de estos resultados se puede llevar a cabo una nueva selección de sensores que seadapte mucho mejor al objetivo. La documentación presentada sirve de base para dar continuidadal proyecto y se pueden realizar nuevas pruebas, que definan si se usará o descartará porcompleto el uso de un sensor ultrasónico. Se sugiere que las pruebas a realizar se hagandirectamente en el canal, ya que como se observó los resultados son diferentes en agua en reposoy en agua en movimiento.

Actualmente el sistema opera vía USB, es decir, una computadora puede estar conectada aun solo módulo, por lo tanto ambos deben estar cerca del canal. Alternamente, se estádesarrollando el sistema inalámbrico que a futuro, permitirá recabar todos los datos en una solacomputadora. Para ello, también es necesario sincronizar todos los módulos que van a operar enel canal, después de haber realizado el ajuste en los modelos.

38

ANEXO A

Description The eTape sensor is a solid state, continuous (multi-level) fluid level sensor for measuring levels in

water, non-corrosive water based liquids and dry fluids (powders). The eTape sensor is

manufactured using printed electronic technologies which employ additive direct printing

processes to produce functional circuits.

Theory of Operation The eTape sensor's envelope is compressed by hydrostatic pressure of the fluid in which it is

immersed resulting in a change in resistance which corresponds to the distance from the top of

the sensor to the fluid surface. The eTape sensor provides a resistive output that is inversely

proportional to the level of the liquid: the lower the liquid level, the higher the output resistance;

the higher the liquid level, the lower the output resistance.

Specifications

Part Number PN-12110215TC-8 PN-12110215TC-12 PN-12110215TC-24 PN-12110215TC-32

Nominal Length 8-inch 12-inch 24-inch 32-inch

Sensor Length 10.2" (259 mm) 14.2" (361 mm) 26.0" (660 mm) 34.2" (869 mm)

Active Length 8.4" (213 mm) 12.4" (315 mm) 24.34" (618 mm) 32.4" (823 mm)

Sensor Output 400-1500 ±20% 400-2000 ±20% 400-4000 ±20% 400-5000 ±20%

Ref Resistance 1500 ±20% 2000 ±20% 4000 ±20% 5000 ±20%

Thickness: 0.015" (0.381mm) Width: 1.0" (25.4 mm)

Actuation Depth: Nominal 1” (25.4 mm) Resolution: < 0.01“(0.25 mm)

Resistance Gradient: 150 /inch (60/cm) Connector: Male Crimpflex Pins

Power Rating: 0.5 Watts (VMax = 10V) Temperature Range: 15°F - 150°F (-9°C - 65°C)

Sensor Output

The eTape can be modeled as a variable resistor. The typical output characteristics of the

eTape sensor are show in the figure below:

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.001.101.201.301.401.501.601.701.801.902.002.102.202.302.40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Se

ns

or

Ou

tpu

t (K

oh

ms

)

Liquid Level (Inches)

Typical eTape Sensor Output - PN 12110215TC-12

Milone Technologies, Inc - 17 Ravenswood Way - Sewell, New Jersey 08080 - Phone: (856) 270-2688

Email: info@milonetech.com Web: www.milonetech.com

eTape Continuous Fluid Level Sensor

PN-12110215TC-X TM

Connection and Installation

Connect to the eTape by attaching a 4 pin connector with pre-soldered wires to the Crimpflex

pins. Do not solder directly to the Crimpflex pins. The inner two pins (pins 2 and 3) are the

sensor output (Rsense). The outer pins (pins 1 and 4) are the reference resistor (Rref) which can

be used for temperature compensation. Suspend the eTape sensor in the fluid to be

measured. To work properly the sensor must remain straight and must not be bent vertically or

longitudinally. For best results install the sensor inside a section of 1-inch diameter PVC pipe.

Double sided adhesive tape may be applied to the upper back portion of the sensor to

suspend the sensor in the container to be measured. However, the liquid must be allowed to

interact freely with both sides of the sensor. The vent hole located above the max line allows

the eTape to equilibrate with atmospheric pressure. The vent hole is fitted with a hydrophobic

filter membrane to prevent the eTape from being swamped if inadvertently submerged.

Sample Circuits

Custom Applications The eTape sensor can be manufactured in custom lengths to fit any application.

Contact Milone Technologies if you have an application that requires specific

length, configuration or output characteristics.

Technical Support If you require technical support for the eTape liquid level sensor, please contact our technical

support department by email at: techsupport@milonetech.com.

Milone Technologies, Inc - 17 Ravenswood Way - Sewell, New Jersey 08080 - Phone: (856) 270-2688

Email: info@milonetech.com Web: www.milonetech.com

eTape Continuous Fluid Level Sensor

PN-12110215TC-12

Innovative Fluid Sensing

TM

39

ANEXO B

Tech Support: services@elecfreaks.com

Ultrasonic Ranging Module HC - SR04

Product features:

Ultrasonic ranging module HC - SR04 provides 2cm - 400cm non-contact measurement function, the ranging accuracy can reach to 3mm. The modules includes ultrasonic transmitters, receiver and control circuit. The basic principle of work: (1) Using IO trigger for at least 10us high level signal, (2) The Module automatically sends eight 40 kHz and detect whether there is a pulse signal back. (3) IF the signal back, through high level , time of high output IO duration is the time from sending ultrasonic to returning. Test distance = (high level time×velocity of sound (340M/S) / 2,

Wire connecting direct as following:

� 5V Supply � Trigger Pulse Input � Echo Pulse Output � 0V Ground

Electric Parameter

Working Voltage DC 5 V

Working Current 15mA

Working Frequency 40Hz

Max Range 4m

Min Range 2cm

MeasuringAngle 15 degree

Trigger Input Signal 10uS TTL pulse

Echo Output Signal Input TTL lever signal and the range in

proportion

Dimension 45*20*15mm

Vcc Trig Echo GND

Timing diagram

The Timing diagram is shown below. You only need to supply a short 10uS pulse to the trigger input to start the ranging, and then the module will send out an 8 cycle burst of ultrasound at 40 kHz and raise its echo. The Echo is a distance object that is pulse width and the range in proportion .You can calculate the range through the time interval between sending trigger signal and receiving echo signal. Formula: uS / 58 = centimeters or uS / 148 =inch; or: the range = high level time * velocity (340M/S) / 2; we suggest to use over 60ms measurement cycle, in order to prevent trigger signal to the echo signal.

Attention:

� The module is not suggested to connect directly to electric, if connected electric, the GND terminal should be connected the module first, otherwise, it will affect the normal work of the module. � When tested objects, the range of area is n ot less than 0.5 square meters and the plane requests as smooth as possible, otherwise ,it will affect the results of measuring.

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BIBLIOGRAFÍA

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REFERENCIAS

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[2] Consultado en marzo de 2015. Recuperado de:http://arduinobot.pbworks.com/f/Manual+Programacion+Arduino.pdf