Resumen por medio de un dispositivo electrónico, en el que se apliquen los conocimientos adquiridos en clase y en las demás áreas de aprendizaje, se pretende medir una magnitud termodinámica tal como lo es la temperatura,






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títuloResumen por medio de un dispositivo electrónico, en el que se apliquen los conocimientos adquiridos en clase y en las demás áreas de aprendizaje, se pretende medir una magnitud termodinámica tal como lo es la temperatura,
fecha de publicación29.01.2016
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tipoResumen
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Proyecto TWID - Fundamentos de Electricidad y Magnetismo 2011-I

|

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de ciencias. Departamento de Física

Fundamentos de Electricidad y Magnetismo

Profesor: Jaime Villalobos Velasco

SENSOR DE TEMPERATURA, DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO, INTENSIDAD LUMÍNICA Y HUMEDAD DEL AIRE

TWID
Integrantes
Francisco Javier Alfonso Cárdenas 02285808-Ingeniería Mecatrónica

Sergio Martín Martín 02285794-Ingeniería Mecatrónica

Edna Molina Bacca 02244979-Ingeniería Química

Miguel Ángel Zamora Mora 02285816-Ingeniería Mecatrónica
RESUMEN
Por medio de un dispositivo electrónico, en el que se apliquen los conocimientos adquiridos en clase y en las demás áreas de aprendizaje, se pretende medir una magnitud termodinámica tal como lo es la temperatura, consecuencia de la actividad solar y su impacto en el ambiente, además medir la dirección relativa del viento y su velocidad y la intensidad lumínica. Los datos obtenidos de temperatura, serán guardados en un medio electrónico (computador) haciendo uso de una plataforma de hardware libre (Arduino), para posteriormente, enviar dichas mediciones vía internet a una base de datos mayor. El proyecto es atractivo por muchas razones, entre ellas, poder acercarnos al área investigativa desde pregrado y de esta manera ganar experiencia en dicha área, además, aunque el sol es el principal motor de vida y energía en nuestro planeta, hemos perdido la capacidad de sorpresa en cuanto a su comportamiento, ya que en nuestro diario vivir, pareciera que los fenómenos internos que ocurren en él, no nos afectaran en lo absoluto, y este proyecto es una gran oportunidad para desvirtuar dicha concepción. De igual manera, el diseño del circuito de medición del viento y demás variables tales como su velocidad y la intensidad lumínica, fue ideado por integrantes del grupo, lo que genera autonomía e innovación, tan necesarias en el ámbito laboral.

UBICACIÓN DEL SENSOR

  • Latitud 40 43' 22.48" N- Longitud -740 0,3' 19,21" O elevación 2554

Detalles de Operación

Temperatura

Se utiliza un sensor de temperatura muy preciso llamado LM 35 el cual nos provee de precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca desde -55º a +150ºC , sus principales características son:

  • Calibrado directamente en º Celsius

  • Escala de factor lineal

  • Exactitud garantizada 0.5ºC (a +25ºC)

  • Conveniente para aplicaciones remotas

  • Bajo costo debido al ajuste del wafer-level

  • Opera entre 4 y 30 volts de alimentación

  • Bajo auto-calentamiento

Se emplea el siguiente montaje de este sensor y el voltaje Vo, es el que se entregara como señal análoga al Arduino desde el cual se procesa y envía al computador, para el montaje usamos el encapsulado del lm 35 TO-92, cuya similitud con el encapsulado del transistor ayuda al manejo del mismo.



Se trabajan al mismo tiempo dos sensores de temperatura uno midiendo la temperatura ambiente y otro midiendo la temperatura del interior donde se lleva a cabo el experimento.

Intensidad lumínica

Para medir la intensidad usamos un foto-resistor o foto celda que consiste en una resistencia que varia su valor de acuerdo a la cantidad de luz incandescente que reciba en su superficie.

 La LDR (Light Dependen Resistor) o resistencia dependiente de la luz, como su propio nombre indica, es una resistencia que varía su valor en función de la luz que incide sobre su superficie. Mientras mayor sea la intensidad de luz que incida en su superficie, menor será su resistencia y a menor luz incidiendo mayor será su resistencia. La forma externa puede variar, ya que este modelo, en concreto, no es muy común

Usos: Las LDR se usan para detectar niveles de luz ambiente o seguimiento de luces o linternas, así pues podemos crear un seguidor de luz con varias LDR dispuestas alrededor del robot y hacer que este siga una luz directa que le enfoque, también pueden usarse para encender los focos o luces de balizamiento del robot en ausencia de luz o en nuestro caso se usara para medir la intensidad lumínica del ambiente y guardarla en una base de datos para hacer un seguimiento de ésta durante todo el día.

A continuación se muestra una imagen con su representación simbólica y una grafica con la función que relaciona la intensidad lumínica y el valor de la resistencia del LDR.



El montaje que se realizó en una protoboard tiene un esquema similar al mostrado en la siguiente figura



El circuito se alimenta con una fuente de tensión DC, de valor constante, luego se coloca en serie el LCR que nos da un valor para la resistencia del circuito, enseguida se hace una medición de la corriente que variará según el valor de resistencia que entregue el LCR y al mismo tiempo de la intensidad lumínica del ambiente, esta corriente se mide cada cierto intervalo de tiempo y se envía al Arduino que la convierte en una señal digital para posteriormente almacenarla en un computador y ser analizada.

Velocidad del viento

Para medir la velocidad del viento se utiliza un modelo de anemómetro que utiliza un generador como se explica a continuación:

La hélice está acoplada a un pequeño generador eléctrico, cuyo voltaje es proporcional a la velocidad de rotación de la hélice y por consiguiente a la velocidad del viento.
Este voltaje se mide en un voltímetro cuya escala se calibrará a la velocidad del viento por lo que se podrá saber su valor en todo momento.
Este tipo de anemómetro tiene diferentes ventajas como su precisión y la toma de datos a distancia, con solo conducir los cables apropiados hasta el lugar donde se coloque el voltímetro indicador.

Ahora para nuestro montaje se utiliza el mismo concepto anterior, solo que el voltaje se envía al Arduino para que lo convierta en un dato digital y pueda ser analizado por la computadora.

Diagrama de Bloques

Soporte Visual









Código de Fuente

Para la obtención de los datos análogos en medio digital se usa este código fuente, en rojo se encuentran especificadas las funciones de la líneas correspondientes.

int motor = A2; //Pin de conexión del anemómetro

int fotoR =A1; // Pin de conexión del sensor de luz

int lm35 = A3; //Pin de conexión del sensor de temperatura.
float temperatura = 0; //variable de la temperatura

float wind=0; //variable de la velocidad del viento

float wind1=0; //variable promediador de velocidad del viento
void setup(){

//Declaración de los pines de entrada

pinMode(motor,INPUT);

pinMode(fotoR,INPUT);

pinMode(lm35, INPUT);

pinMode(hu, INPUT);

Serial.begin (9600); //inicia comunicación serial

Serial.println ();

Serial.println ("Viento Luz Temperatura: ");

}
void loop(){

for (int i=0;i<3000;i++){

wind1 = (analogRead(motor));

wind += ((wind1))/100;

li +=analogRead(fotoR);

temperatura += ((5.0 * analogRead(lm35)*100.0)/1023.0); //Conversión de voltaje a su equivalente en grados centígrados.

delay (1); //Retrasa la lectura un milisegundo

}


// Impresion de datos

Serial.println ();

Serial.print (wind);

Serial.print (" ");

Serial.print (li/3000);

Serial.print (" ");

Serial.print (temperatura/3000);

Serial.println ();
//Reinicia las variables.

temperatura = 0;

wind=0;

li=0;
}
Consideraciones para tener en cuenta

  • Para evitar valores que generen picos (datos no acordes a los esperados) se toman datos cada milisegundo, durante tres segundos y se promedian, dicho resultado es lo que se imprime en pantalla.




  • Para el futuro se puede cambiar el motor, con el cual se genera un dato de voltaje asociado a la velocidad del viento, por un generador que tenga menores perdidas mecánicas por fricción.




  • La diferencia de potencial generada por el foto resistor no está calibrada, sin embargo es posible someterla a procesos de calibración, el método considerado con ayuda del profesor consiste en ubicar, en cuartos aislados de luz, bombillos que trabajen con determinados valores de potencia, como por ejemplo 90 watts a diferentes distancias y tomar los datos medidos por el sensor. Se puede usar un método de aproximación por ejemplo el proporcionado por las hojas de cálculo de Excel




  • Para medir la humedad se intentó montar un circuito que entregaba pulsos con una frecuencia variable, la propuesta era comparar las frecuencia variable con una frecuencia constante como la de un reloj, para poder analizar los datos, otra opción es conectar la salida de la señal de frecuencia variable a un conversor Frequency to Voltage, de igual modo se debe pasar a través de procesos de calibración.




  • Falta ponerse en contacto con los el grupo de compañeros de Pyduino para poder enviar más de una variable a la base de datos creada para la toma de datos del curso en general.




  • Se intentó usar el sistema operativo de Linux pues es una opción gratis de plataforma, sin embargo hubo bastantes problemas con la comunicación en el puerto USB.


Aplicación en la Ingeniería Química

Teniendo en cuenta que nuestro planeta es un sistema termodinámico, se puede evidenciar que interacciona de manera directa con la estrella más cercana, el sol; siendo éste la principal fuente de energía que sustenta la vida y demás procesos internos de la tierra. Gracias a dicha interacción se puede decir que la tierra no es un sistema cerrado, no es adiabático, isotérmico, en general no es estático, ya que constantemente está cambiando, consecuencia de diferentes fenómenos como la misma entropía, intercambio de energía, entre otros. Teniendo en cuenta que la temperatura absoluta (grados Kelvin y Rankine), es una magnitud termodinámica, hacer una medición de esta se puede observar directamente del comportamiento del aire como una mezcla de sustancias (mayoritariamente en estado gaseoso) que se encuentra a una presión constante (Presión de aire sobre Bogotá).

Dicho lo anterior este proyecto tiene múltiples aplicaciones en la ingeniería química, sin embargo, su relación con la termodinámica es mucho más que evidente.

Aplicación a la Ing. Mecatrónica

Es evidente que este proyecto tiene múltiples aplicaciones en el ámbito de la ingeniería mecatrónica, teniendo en cuenta que ésta está enfocada hacia el control y modelamiento de fenómenos de la naturaleza, al medir el comportamiento de la temperatura, la velocidad del viento y la intensidad lumínica, estamos enfocando el desarrollo de nuestro proyecto hacia el objetivo principal de nuestra carrera.

En el proyecto aplicamos ciertos conocimientos acerca de sensores que transforman la información del medio a datos digitales que se pueden manejar y estudiar, por lo tanto podemos obtener datos cuantitativos para su posterior manejo, así manejamos la programación y tratamiento de las señales que son conceptos abarcados por nuestras áreas de conocimiento

Datos de los integrantes

  • Francisco Javier Alfonso Cárdenas, Ingeniería Mecatrónica, fjr_alf@hotmail.com, Cel: 317-2398624.




  • Sergio Andrés Martín Martín, Ingeniería Mecatrónica, martinmartin_125@hotmail.com. Cel: 317- 3730219.



  • Edna Molina Bacca, Ingeniería Química, sedna_1506@hotmail.com. Cel: 300-8907658 .



  • Miguel Ángel Zamora Mora, Ingeniería Mecatrónica, signori.miguelito@hotmail.com. Cel:318-2664242.



Infografía




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