INGENIERÍA MECATRÓNICA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE BAJA CALIFORNIA

REPORTE DEL PROYECTO DE ESTANCIA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

TITULO: “SENSOR DE MOVIMIENTO EN RECTORÍA”

ALUMNO: MARIO R. SOLORIO WHISNANT.

MATRICULA: 080151

Mexicali, Baja California a 14 de Diciembre de2009.

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ÍNDICE TEMA PÁGINA

1. Introducción. -------------------------------------------------- 32. Fundamento Teórico. --------------------------------------- 43. Situación General. -------------------------------------------134. Objetivos. ------------------------------------------------------155. Contexto General del Área. --------------------------------166. Justificación y/o Problemática. ---------------------------177. Alcance y Limitaciones. -------------------------------------198. Desarrollo del Trabajo. --------------------------------------209. Resultados. -----------------------------------------------------2410.Comparativo: antes/después. -----------------------------2611.Conclusiones y Recomendaciones. -----------------------2712.Bibliografía. ----------------------------------------------------28

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INTRODUCCIÓNEste proyecto fue solicitado por la Universidad Politécnica de Baja

California, con la finalidad de liberar la estancia al alumno Mario Rafael Solorio Whisnant, contiene el diseño necesario para implementar un sensor de movimiento en el acceso a rectoría.

Las únicas especificaciones que se me proporcionan y a la vez solicita la UPBC, por parte de la profesora Xóchilt María García Cruz (representante de la UPBC), fue que por medio de la activación del sensor de movimiento se encendieran las luces del acceso a rectoría, por un periodo de tiempo de 1 minuto y que además fuera lo más económico posible.

En la investigación se analizaron todas las variables y sus posibles soluciones para poder alcanzar el diseño más económico, para que la UPBC pueda llevarlo a cabo, también se presenta la información, documentación y procedimiento necesario para su elaboración.

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FUNDAMENTO TEÓRICOSENSOR DE MOVIMIENTO INFRARROJO (PIR)

El sensor PIR “passive Infra Red” (figura abajo), es un dispositivo piro eléctrico que mide cambios en los niveles de radiación infrarroja emitida por los objetos a su alrededor a una distancia máx. aprox. de 12 metros. Como respuesta al movimiento, el sensor cambia el nivel lógico de un “pin”, por lo cual su uso es muy simple. Además es de bajo costo y reducido tamaño, y se usa frecuentemente en alarmas, iluminación controlada por movimiento (nuestro caso) y aplicaciones de robótica.

Detector de movimiento PIR

La mayoría de los sensores PIR cuentan con tres terminales, dos se usan para la alimentación, y la restante es el detector de movimiento. El sensor de movimiento que propongo a utilizar es el de la marca STEREN modelo PIR-110, con un costo de $250 pesos. Este modelo lo elegí por que tiene las especificaciones mas apegadas al diseño que presento, además por su bajo costo y fácil instalación (siguiente figura).

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Sensor de Movimiento Marca Steren PIR-110

Características del sensor PIR-110:

Tiene control de ajuste para temporizador. Velocidad de movimiento: 0.6 a 1.5m/s. Ajuste de sensor e intensidad de luz (ayudan a ahorrar energía). Alimentación: 100-120v CA 60Hz Timer Programable de 5s. a 7 min. Angulo de detección: 180˚ (horizontal). Distancia máxima de detección: 11m (<24˚C) Altura de instalación: 1.8 a 2.5 m.

Especificaciones del sensor Pir-110:

Entrada: 100-120V, 60Hz. Carga: 25-800Wmax. Temperatura de operación: 10°C a 32°C. Humedad de operación: <93%.

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Conexión del acceso actual: La UPBC en el acceso a rectoría, cuenta con 10 lámparas compactas fluorescentes conectadas en paralelo, controladas por un break. Este break también controla otra área de la UPBC, que son dos cubículos en el segundo piso.

Lámpara Fluorescente: Es una luminaria que cuenta con una lámpara de vapor de mercurio a baja presión. Su ventaja ante las lámparas incandescentes es su eficiencia energética. Esta lámpara es la antecesora de las lámparas utilizadas en el acceso a rectoría.

Bulbos fluorescentes en paralelo

Lámpara compacta fluorescente (CFL): Es un tipo de lámpara fluorescente que se puede usar con casquillos de rosca Edison normal (E27) o pequeña (E14).También se le conoce como lámpara de bajo consumo o ahorradora de energía. En comparación con las lámparas incandescentes, las CFL, tienen una vida útil mayor hasta 12 veces más y consumen menos energía eléctrica para producir la misma iluminación, alrededor de 80% menos.

CFL espiral

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Las CFL tienen una duración media de 8000 horas de funcionamiento. Además consumen aproximadamente una cuarta parte de la potencia de las incandescentes. En la siguiente tabla se da una comparación de la potencia eléctrica de las incandescentes contra las CFL.

Incandescente

Compacta fluorescente

25w 5w40w 8w60w 12w75w 15w

100w 20w125w 25w150w 30w

Comparación de potencia eléctrica

Vida útil de la (CFL)

Los ciclos de encendido y apagado de las bombillas CFL afectan la duración de su vida útil, de manera que si se someten a frecuentes encendidos pueden envejecer antes de lo que marca su duración teórica, reduciendo por tanto el ahorro económico y energético.

Arranque paulatino de la (CFL)

Las mejoras en las substancias fluorescentes presentes en el tubo de estos focos o lámparas, han mejorado los tiempos de encendido, así como el tiempo requerido para alcanzar su máxima luminosidad. Sin embargo en lugares de tránsito, tales como pasillos, el retardo en el encendido, puede resultar molesto y poco práctico.

Alternativa #2: “usar LEDs”

Actualmente, están empezando a extenderse las bombillas de LEDs blancos. Tienen un rendimiento y duración similar o incluso superior a las fluorescentes compactos y además se pueden encender y apagar (incluso cientos de veces por segundo) sin que su vida útil se vea afectada.

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Bombilla LED. Spot LED empotrable.

Interruptor termomagnético: También conocido como “Break”, es un dispositivo diseñado para conectar y desconectar un circuito por medios no automatizados y desconectar el circuito automáticamente para un valor predeterminado de sobrecorriente, sin que se dañe a sí mismo cuando se aplica dentro de sus valores de diseño.

La operación de abrir y cerrar un circuito eléctrico se realiza por medio de una palanca que indica posición adentro (ON) y afuera (OFF). La característica particular de los interruptores termomagnéticos es el elemento térmico conectado en serie con los contactos y que tiene como función proteger contra condiciones de sobre carga gradual.

Según se conectan a las barras colectoras de los tableros de distribución o centro de carga, pueden ser del tipo atornillado o del tipo enchufado; se fabrican en los siguientes tipos y capacidades:

Un polo: 15A, 20A, 40A, 50A.

Dos polos: 15A, 20A, 30A, 40A, 50A, 70A.

Tres polos: 100A, 125A, 150A, 175A, 200A, 225A, 250A, 300A, 350A, 400A, 500A, 600A.

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Vista interior de un “break”.

Vista exterior del “Break”. Centro de carga.

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Apagador: Un apagador se define como un interruptor pequeño de acción rápida, operación manual y baja capacidad, que se usa, por lo general; para controlar aparatos pequeños domésticos y comerciales, así como unidades de alumbrado pequeñas. Debido a su operación manual, los voltajes nominales no deben de exceder de 600 volts.

Existen varios tipos de apagadores; el más simple es el de una vía o monopolar con dos terminales que se usa para “encender” o “apagar” una lámpara u otro aparato desde un punto sencillo de localización.

Apagador sencillo

Todos los apagadores y salidas para lámparas se deben encontrar alojados en cajas, igual que los contactos.

Las cajas son metálicas y de plástico según se usen para instalación con tubo conduit metálico o con tubo PVC o polietileno. La caja para apagadores es rectangular echa de acero galvanizado.

Caja metálica rectangular

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Estas cajas se conectaran por medio del tubo conduit metálico de pared delgada o tubo metálico rígido, aunque hay otros tipos de tubos.

Tubos metálicos

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SIT UACIÓN GENERAL En la entrada a rectoría la UPBC tiene, una conexión en paralelo de 10

lámparas compactas fluorescentes. Esta zona es activada por un “break”, el cual a su vez controla otras dos áreas del segundo piso. En horario de clases la entrada a rectoría, es una zona poco transitada por el personal docente y alumnos, y además en intervalos de tiempo muy cortos, ya que es un pasillo que solo sirve de conexión entre las aulas (planta alta), y rectoría (planta baja).

Las lámparas no se apagan en todo el día, generando perdidas de energía y de lámparas, ya que al momento de realizar la inspección inicial, solamente había 3 lámparas funcionando.

El siguiente diagrama representa la conexión eléctrica actual de la entrada a rectoría (sin contar los dos cubículos que están conectados con ella):

X1

13w

V1

120 Vrms 60 Hz 0°

X2

13w

X3

13w

X4

13w

X5

13w

X6

13w

X7

13w

X8

13w

X9

13w

X10

13w

3

1

Conexión acceso rectoría

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La UPBC paga una tarifa tipo HM general en media tensión, la cual cuenta con la tarifa por KWh de $0.68660 pesos,

Tarifa KWh = $0.6866

Potencia x foco = 13watts

W=pt/1000

Donde:

P= potencia

t= tiempo (hora)

w=(13watts ) x (24horas ) x (365dias )

1000=113.88 kwh

wtotal = 10 x 113.88 = 1138.8kwh

Energía total al ano gastada por los 10 focos = 1138.8kwh

Costo anual = 1138.8 x $0.6866= $781.90 pesos

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OBJETIVOSEl objetivo general es ahorrar energía, y por consecuencia dinero.

También que la UPBC cuente con el diseño, especificaciones y costos, para poder implementarlo, en dicha área y posteriormente en diferentes puntos de la institución. Cabe señalar que este diseño lo realice, estando cursando el cuarto cuatrimestre de Ingeniería mecatrónica.

En mi punto de vista otro objetivo de este proyecto, por parte de la UPBC es el de fomentar la investigación del alumno, y que lleve a la práctica los conocimientos adquiridos hasta el momento. Además de que aprenda a realizar proyectos e informes en su área de estudios y que esta experiencia le ayude en su procedimiento de formación académica.

El objetivo particular es, que si este diseño solicitado por la UPBC, no es conveniente, se especificara la mejor solución posible que arroje mis investigaciones.

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CONTEXTO GENERAL DEL ÁREAAl inspeccionar el área, observe que solo 3 lámparas estaban

funcionando. Tome las medidas del acceso, para calcular la mejor posición de detección del sensor, ya que este cuenta con un rango de alcance de 11m. Máximo y un Angulo de 180 grados en horizontal de detección.

El acceso tiene 7.45m de ancho, por 8.95 de largo. Una altura de 2.5m y una separación entre lámparas de 2m en horizontal y 3 en vertical. El siguiente dibujo es una representación de las medidas del área de acceso.

Medidas del acceso a rectoría

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JUSTIFICACIÓN Y/O PROBLEMÁTICALos resultados de este proyecto son muy importantes para la UPBC, ya

que se encuentra en constante expansión, y por lo tanto; se seguirán añadiendo nuevos edificios en un futuro cercano, y es imperativo ahorrar en gastos innecesarios.

Un problema que se debe de tomar en cuenta es como se va a manejar esta sección, ya que se instale el sensor de movimiento. Puesto como se menciono en el fundamento teórico, a estos focos les afecta el estar encendiendo y apagando, además es poco práctico y molesto el tiempo que tardan en alcanzar su máxima luminosidad.

Yo sugiero utilizar un apagador doble, uno que controle las luces (encendido-apagado), y el otro que controle al sensor, con esto se podrá controlar el sensor por separado de las luces, activándolo cuando se desee. En el siguiente dibujo se especifica como quedaría la conexión eléctrica final del área de acceso.

X1

13w

X2

13w

X3

13w

X4

13w

X5

13w

X6

13w

X7

13w

X8

13w

X9

13w

X10

13w

Apagador 1

Apagador 2

1

P

T

D

Sensor

P

T

D

I04 IO2 IO3 IO1Cubiculos

IO1

IO3

Breaker 30A

Conexión final

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El funcionamiento de la conexión es que con un apagador 1 se va a poder controlar las luces normalmente, encendidas o apagadas, y con el otro apagador se controla el sensor de movimiento.

Cabe señalar que no se debe de tener los dos apagadores en posición de encendido, es uno a la vez.

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ALCANCES Y LIMITACIONESUn alcance que puede llegar a tener los resultados de este diseño, es el

de poderlo implementarlo en otras áreas de la universidad donde no se requiere tanto tiempo la iluminación. También se puede tomar en cuenta ahora que están construyendo el nuevo edificio de la universidad, y que todavía no realizan la instalación eléctrica.

Si se tomara en cuenta en el nuevo edificio, quedaría ya la instalación eléctrica integrada con este diseño en una sola fase, sin necesidad de reinstalaciones posteriores, teniendo un ahorro mayor de energía al momento de que empiece a funcionar el nuevo edificio de la UPBC.

Una limitante seria que la universidad, no quisiera el apagador doble por incomodidad y quisiera tener el sensor de movimiento trabajando las 24 horas del día, es decir; modo automático, de esta manera, (como ya se menciono anteriormente), se afectaría el tiempo de vida de estas lámparas.

Una alternativa a esta limitante, seria sustituir los focos compactos fluorescentes, por focos LEDs, pero incrementaría los gastos del diseño ya que el precio por unidad de lámpara LEd es de alrededor de $150 pesos y esa cantidad multiplicada por 10 (10 focos del acceso), serian $1500 pesos. Y el propósito es que sea económica la instalación.

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Inicio

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DESARROLLO DEL TRABAJOLa instalación la debe de llevar a cabo una persona que tenga los conocimientos mínimos en electricidad. El siguiente diagrama de bloques muestra en general el procedimiento de la instalación:

Suspender la corriente

Separar las conexiones

Instalar apagador

doble

Instalar sensor

Encender corriente

Fin

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Previamente se debe de tener las herramientas y accesorios necesarios para la instalación. La siguiente lista es el material necesario para la instalación:

1. Pinzas de electricista.2. Pinzas pela alambre.3. Desarmador estrella.4. Desarmador de paleta.5. Taladro (brocas, taquetes, tornillos).6. Nivel.7. Cinta de aislar.8. Cable #14(15m).9. Caja metálica para apagador.10. Escalera.11. Apagador Doble con tapa.12. Break de 30A.13. Protector para cable.14.Tubo conduit metálico de pared delgada (3.5m) con 3 conectores.15. Cinta de medir.16. Sensor de Movimiento.

Procedimiento:

1.- Suspender la corriente.

2.- Separar la conexión del acceso a rectoría y la de los cubículos. En la caja de registro se deja el break actual para los cubículos del segundo piso, y se instala otro para el acceso de 30A.

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I04 IO2 IO3 IO1Cubiculos

IO1

IO3

Breaker 30A

3.- Luego se procede a instalar la caja metálica del apagador, en un lugar visible y una altura adecuada (1.30m). Mi sugerencia es colocarla a un lado del centro de registro, ya que la pared de acceso a rectoría es de vidrio. Se conecta el tubo conduit, en la parte superior de la caja hacia el techo.

4.- Se conecta el apagador doble al “break” y se saca el cable que va de los apagadores al sensor y a los focos por encima del techo, hasta llegar a la parte exterior del acceso.

X1

13w

X2

13w

X3

13w

X4

13w

X5

13w

X6

13w

X7

13w

X8

13w

X9

13w

X10

13w

Apagador 1

Apagador 2

1

P

T

D

Sensor

P

T

D

I04 IO2 IO3 IO1Cubiculos

IO1

IO3

Breaker 30A

Diagrama de conexión propuesto

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5.- Se selecciona el lugar donde se colocara el sensor. Por especificaciones del sensor y calculando la mejor posición de detección selecciono la pared que está enfrente de las escaleras, en un punto medio que sería una distancia desde la esquina hasta el medio de 3.72m y una altura de 1.8m. Para fijar la base del sensor, se marca y se realizan las perforaciones correspondientes con el taladro.

6.- Se atornilla la base hasta quedar firmemente sujeta. Y se conecta por medio del tubo conduit hasta el techo del acceso. Se realiza la conexión del sensor con el apagador como se indico en el diagrama anterior.

7.- Se coloca la tapa de la base del sensor.

8.- Ajuste la posición del sensor, se puede girar hasta 180grados.

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9.- Se ajustan los controles del sensor (los controles se encuentran en la parte posterior del sensor).

Se gira hacia la derecha para incrementar o hacia la izquierda para disminuir.

Sens: Permite controlar la sensibilidad del sensor, de esta forma el sensor detecta con mayor sensibilidad o menor sensibilidad un movimiento.

Time: Determina la cantidad de tiempo en el que estará encendida la luz (de 5 segundos a 7 minutos).

Lux: Permite controlar la intensidad de la luz.

Cuando el sensor detecte movimiento, las luces se encenderán y duraran encendidas el tiempo previamente programado. Las luces se apagaran cuando el sensor no detecte movimiento después del tiempo previamente programado. En la siguiente imagen se muestra el ángulo de detección del sensor de movimiento.

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RESULTADOSLos resultados finales (en teoría), son los que se esperaban, el sensor

detecta el movimiento desde las 4 posibles direcciones (fig. siguiente), y los siguientes cálculos demuestran el ahorro de energía y costos anuales.

Detección de las 4 entradas del acceso a rectoría

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En los siguientes cálculos se toma en consideración los 3 estados del diseño:

Día: 6am a 6pm = Luces y sensor apagados. t=0

Tarde: 6pm a 10pm= 4 horas luces encendidas y sensor apagado. t=4h

Noche : 10pm a 6am= Luces apagadas y sensor prendido. t=0.58h

Supongamos que el sensor se calibra a 5 minutos, y que el guardia da un rondín cada hora en la noche, entonces el sensor se activa 7 veces.

5min x 7= 35 minutos luces encendidas en la noche. Que es igual a 0.35h.

t total= 4.58h ; tarifa= $0.686 ; potencia por foco= 13w

w=(13watts ) x (4.58h ) x (365dias )

1000=21.7321kwh

Energía= (21.7321kwh) x (10 focos)= 217.321kwh

Costo anual= (217.321kwh) x ($0.686pesos)= $149.21pesos

Enseguida se muestra el presupuesto para la instalación del diseño (herramientas no incluidas):

Presupuesto realizado en PROCONSA:

Materiales Precios

1. Cable #14(15m).--------------------------------------------- $752. Caja metálica para apagador.----------------------------- $203. Apagador Doble con tapa.-------------------------------- $554. Break de 30A.--------------------------------------------- $405. Tubo metálico (3.5m) con 2 conectores.---------------- $1756. Sensor de Movimiento.-------------------------------------$250

Total: $615

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COMPARATIVO: ANTES/DESPUÉSA continuación se compara el consumo de energía, costo anual de

energía e instalación eléctrica. .

Descripción Antes DespuésEnergía anual 1138.88kwh 217.321kwh

Costo anual $781.90 $149.21

Ahorro $0 $632.69

Antes Después

Antes Despues$0.00

$100.00$200.00$300.00$400.00$500.00$600.00$700.00$800.00$900.00

$781.90

$632.69

Costo Energia

Costo Energia

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CONCLUSIONESMi conclusión es que el diseño funciona bien, y se obtuvieron los

resultados esperados, como ya se menciono se genera un ahorro en energía considerable y por consecuencia una reducción de gastos. Cabe señalar que si se implementara en todos los pasillos exteriores de la Universidad, el ahorro será mucho mayor. También se demuestra que el sensor de movimiento es fácil de instar hasta para un estudiante y que es económico en lo que respecta a costo de instalación.

También se debe de enfatizar de que la zona se controle de la manera que yo sugerí, la cual fue que la sección fuera controlada por dos apagadores, para evitar el retardo de encendido, en horario nocturno de clases ya que es molesto y también evitar disminuir el tiempo de vida de los focos.

Mi recomendación es que se debe de aplicar en todos los pasillos exteriores de la UPBC. Para reducir gastos innecesarios de energía.

Gracias por su atención.

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BIBLIOGRAFÍA El ABC de las instalaciones eléctricas residenciales.

Ed. Limusa 2007.Autor: Ing. Gilberto Enríquez Harper.

http://sol.sodimac.cl:90/HUM.nsf/CDUNID/ E703EBA55A091CFA85256BDC006521CE?OpenDocument&537QYJ&537QZ3

http://www.sterenshop.com/catalogo/ http://es.wikipedia.org/wiki/Luminaria_fluorescente http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_Compacta_Fluorescente http://es.wikipedia.org/wiki/Lampara_LED http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_paralelo http://www.sterenshop.com/catalogo/interior3Shop.asp?pdto=PIR-

110 http://www.pasarlascanutas.com/IRsensor/IRsensor.htm http://www.domaut.com/Descargas/datasheet.htm http://www.hagaloustedmismo.cl/component/hum/proyecto/16/

iluminacion-y-electricidad/144/icomo-instalar-un-foco-con-sensor-de-movimiento.html

http://www.cfe.gob.mx/es/InformacionAlCliente/conoceturecibo/ http://www.cfe.gob.mx/es/InformacionAlCliente/conocetutarifa/ http://www.cfe.gob.mx/es/InformacionAlCliente/ahorrodeenergia/

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