Trabajo Final - Sensores de Invernadero

7/29/2019 Trabajo Final - Sensores de Invernadero

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SENSORES PARA INVERNADERO

Amplificadores Operacionales Maestra En Ingeniera Electrnica 1

RADIACIN SOLAR

1. Conceptos de Sensores de Radiacin Solar

Piranmetro: Se usa para medir la radiacin solar global en unidades de energa (W/m2).Un sensor de este tipo suele medir en un campo entre 0 y 1500 W/m 2, y en el rangoespectral entre 300 y 2800 nm. Algunos estn basados en un detector fotovolticocubierto por una proteccin de aluminio anodizada.

El sensor puede ser una termopila, de manera que la radiacin es absorbida y convertidaen calor. Ese flujo de calor es inducido por una diferencia de temperatura a lo largo de latermopila. Las termopilas producen un voltaje de salida cuando la temperatura de susuniones activas es superior a la de los contactos de referencia, siendo su configuracin la

de termopares conectados en serie. Las termopilas utilizadas para deteccin de flujoradiante tienen sus contactos de referencia en contacto trmico con bloques metlicostermostatizados de gran inercia trmica, mientras que las uniones sensibles se instalanmuy aisladas de la zona de referencia y bien expuestas a la radiacin.

Cuando se conoce la temperatura de referencia se puede determinar el flujo radiantemediante la diferencia trmica entre las uniones activa y fra. La radiacin solar calienta lazona oscura, a la que estn conectadas las uniones sensibles, y la termopila produce unvoltaje en funcin de esta temperatura, que es a su vez, funcin de la radiacin incidente.

El piranmetro es el sensor adecuado para medir energa incidente para la evaluacinenergtica de un sistema, por ejemplo en invernaderos o en paneles solares.

Luxmetro: El luxmetro mide luz visible por el ojo humano, por lo que no es adecuadopara invernaderos, pero a veces se utiliza como piranmetro usando tablas de conversin.

Sensor quantum. Mide la radiacin PAR (radiacin fotosintticamente activa: 400-700nm).sta se puede medir como unidades de energa (W/m2) o como densidad del flujo defotones fotosintticos,cuyas unidades son quanta (fotones) por unidad de tiempo y desuperficie. La unidad ms habitual es el micromol de quanta por seg. El sensor quantumo de radiacin PAR no es habitual en invernaderos comerciales, pero s en invernaderos de

investigacin, ya que mide especficamente la radiacin aprovechada para la fotosntesisde las plantas.


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1.1 Introduccin ( Antecedentes )

En el control climtico en un invernadero se puede regular diferentes procesos con basea la radiacin solar. Tanto los pre-clculos como el control directo, se realizan con la ayuda delas mediciones con sensores de radiacin solar, como es el caso del piranmetro, evitandoperdidas de calor, y conociendo las temperaturas interior y exterior del sistema, como de lamisma planta a controlar, La mayora de las plantas que se siembran en invernaderos sonespecies clidas, en general, en donde se deben adaptar a temperaturas entre 17 y 27 C.Considerando el calentamiento por la radiacin solar se debe definir un rango en la temperaturaexterna entre 12 y 22 C para no afectar a la produccin, asi indirectamente esta influye en latemperatura y en la humedad del invernadero por tal motivo es importante su medicin ycontrol en un invernadero.

En el desarrollo de este proyecto se pretende medir la radiacin solar en uninvernadero, el cual se controlar mediante un sensor de radiacin solar en nuestro caso con unpiranmetro comercial, el cual se adapta ms para las cuestiones del invernaderos, que los otrossensores de radiacin solar, cuyo dispositivo ser el LP PYRA 02AC de la marca DELTA OHM, elcual nos brindar una salida de corriente de 4 a 20mA, la cual se podr acondicionar a otrasseales estndares manejadas en la industria de forma simple utilizando acondicionadores conamplificadores operacionales u otros dispositivos como el circuito XTR105 de Texas Instruments,como es de 1v a 5v por citar un ejemplo.


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1.2 Marco terico

Sensor LP PYRA 02AC:

Es un tipo de piranmetro termoelctrico que mide la irradiancia sobre una superficie plana(watios / m2). La radiacin medida es el resultado de la suma de la radiacin solar directa ydifusa, Es fabricado por la marca DELTA OHM y es considerado un piranmetro de primera clasepor que es producido segn la norma ISO9060. Este sensor se caracteriza por tener una altaprecisin, sensibilidad plana y no ser muy sensibles a pequeas irregularidades en el nivel deradiacin debido a la inercia trmica.

Su funcionamiento se basa en un sensor a termopila. La superficie sensible de la termopila estpintada con un barniz negro opaco, que permite al instrumento no ser selectivo a todas lasdiferentes longitudes de onda. El campo espectral del piranmetro se determina mediante latransmisin de los dos cpulas de cristal tipo K5. La superficie negra de la termopila absorbe laenerga radiante, creando de esta manera una diferencia de temperatura entre el centro de latermopila (junta caliente) y el cuerpo del piranmetro (junta fra). La diferencia de temperaturaentre la junta caliente y la junta fra, se convierte en una Diferencia de Potencial, gracias alefecto Seebeck.

El sensor LP PYRA 02AC est equipado con dos cpulas concntricas que tienen un dimetro de50 mm y 30 mm, respectivamente. Las cpulas protegen la termopila del polvo, a su vezgarantiza un correcto aislamiento trmico de la termopila, evitando el enfriamiento por viento.Para evitar que en condiciones climticas particulares, se pueda formar condensacin al interiorde las cpula, se introducen cuatro pastillas de silicagel que absorben la humedad en elinterior del piranmetro.


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Las caractersticas generales del sensor LP PYRA 02AC son:

Sensibilidad tpica: 5%

Impedancia: 33 - 45

Campo de medida: 0-2000 W/m2

Corriente de salida: 4 - 20 mA

Campo de vista: 2 sr

Campo espectral: 305 nm - 2800 nm W/m2 (50%)

Transmisin de la cupula: 335 nm - 2200 nm (95%)

Temperatura de trabajo: -40 C - 80 C

Peso: 0.90 Kg

Tiempo de respuesta:


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1.3 Conexin Del Dispositivo:

El sensor LP PYRA 02AC necesita para su activacin un voltaje de alimentacin de 8v a 30v decorriente continua, existe otra versin del mismo sensor que no necesita alimentacin pero suscaractersticas son menores (LP PYRA 02), ambos dispositivos tienen 4 cables de conexin(negro, azul, rojo y blanco), en el sensor LP PYRA 02AC se conectar ademas de la fuente dealimentacin un multmetro que medir la corriente de 4 a 20mA, que determinar la radiacinsolar que incida en el sensor, en donde la seal de lectura deber tener una resistencia de cargamenor igual a 500. Dicha conexin se muestra en las siguientes figuras.

La sensibilidad del piranmetro estar establecida de 4 a 20mA a 0 a 2000 w/m2, la cual serlineal, cuando halla 20mA habr 2000w/m2, mientras si hay 4mA habr 0 w/m2, Para obtenerlade forma fcil se utiliza la siguiente frmula

125* ( 4 )e MultimetroE Iout mA


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1.4 Acondicionamiento a seal Industrial

Como ya se ha estudiado el piranmetro de la marca DELTA OHM maneja una salida de 4 a 20

mA, la cual se pueda acondicionar para otros dispositivos tanto para su medicin y control, paraautomatizar su proceso, en donde se eligi adaptarla a una seal de instrumentacin estandarcomo lo es de 1voltio a 5 voltios, en donde se desarrollo el siguiente circuito, con amplificadoresoperacionales, siendo un convertidor de corriente a voltaje en general.


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pH

1. Conceptos Sobre PH

El pH: potencial de hidrogeniones, es una medida de acidez o alcalinidad de unadisolucin o sustancia, est determina e indica la concentracin de iones de hidronio[H3O+] en la sustancia. Este trmino fue creado por el qumico dans Srensen, quien lodefini como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones de hidrgeno.Esto es expresado como:

10log HpH a

Desde entonces, el trmino "pH" se ha utilizado universalmente por lo prctico que resulta,

evitando el manejo de cifras largas y complejas. La escala de pH tpicamente va de 0 a 14en disolucin acuosa, siendo cidas las disoluciones con pH menores a 7, y alcalinas lasque tienen pH mayores a 7. Cuando el pH es igual a 7 indica la neutralidad de ladisolucin, y de forma general se puede especificar como:

El pH-metro: Es un sensor utilizado en el mtodo electroqumico para medir el pH deuna sustancia, el cual mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodode referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que essensible al ion de hidrgeno.

La varita de soporte del electrodo es de vidrio comn y no es conductor, mientras que elbulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, esta formado por un vidrio

polarizable (vidrio sensible de pH).

Se llena el bulbo con la solucin de cido clorhdrico 0.1M saturado con cloruro de plata. Elvoltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7)de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo. Elalambre que se sumerge al interior permite conducir este potencial hasta un amplificadory traducir la medicin para el humano.


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1.1 Introduccin ( Antecedentes )

Es bien conocido que la eleccin de un cultivo depende del pH de suelo; de ah que confrecuencia se dice que los arbusto son tpicos de suelos cidos o que la alfalfa y el olivo soncultivos que prefieren suelos alcalinos. Adems el pH del suelo (sustrato) que rodea las racesde un cultivo tambin juegan un papel fundamental a la hora de valorar la cosecha que de l seespera; tanto es as que si el suelo es inadecuado la cosecha disminuye hasta tal punto que nosea interesante mantener el cultivo. Por ltimo se sabe que existen agua cuyo contenido encarbonato o bicarbonato puede ser muy elevado, llamadas aguas alcalinas; su empleo bajodeterminadas formas de riego, puede acarrear problemas importantes si previamente no hansido correctamente aciduladas. De lo anterior se desprende la importancia que tiene conocer elpH en el proceso de un invernadero, ya que cada nutriente tiene un pH ptimo de absorcin, Enlas plantas normalmente se da un pH entre 6 y 7.

.

En el desarrollo de este proyecto se pretende la implementacin de un sensor ytransmisor de pH para un invernadero, el cual se medir con un electrodo de pH (HI1001) de lamarca HANNA INSTRUMENTS, el cual se conectar a un transmisor (HI 98143-20) de la mismamarca, teniendo un buen acoplamiento entre dispositivos, como un correcto funcionamiento ycontrol de pH. Asi el transmisor HI 98143-20 nos brindar una salida de corriente de 4 a 20mA,la cual se podr acondicionar a otras seales estndares manejadas en la industria, utilizandoacondicionadores, como amplificadores operacionales o como el circuito XTR105 de TexasInstruments, logrndose conectar a controladores, registradores, o cualquier equipo que acepteesta seal.


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1.2 Marco terico

Transmisor de pH HI98143-20:

HI 98143 es un transmisor de pH y conductividad diseado para recibir directamente las sealesdel electrodo de pH y de las sondas de conductividad al mismo tiempo. La conexin directa delas sondas al medidor asegura una buena conexin sin prdidas de seal. Este transmisor seutiliza en aplicaciones industriales a larga distancia. Hay 3 modelos que transmiten una seal de0-1V, 0-4V 4 a 20 mA, en nuestro caso se utiliza est ultima. Las seales de salida sonproporcionales a las seales de entrada, pero independiente de los cambios de carga ocapacitancia de los cables.

La compensacin de temperatura para las mediciones de conductividad se realiza por medio delcircuito ATC del transmisor que hace automtica la medicin, el transmisor podr ser conectadoa otros dispositivos como controladores de pH y conductividad, registradores, ordenadores ocualquier equipo que acepte seales de entrada de 0-1V, 0-4V 4 a 20 mA. Asi el medidorpuede ser calibrado a uno o dos puntos. El HI 98143 es una herramienta ideal para aplicacionesen hidropona e invernaderos que requieran control conjunto de los valores de pH yconductividad. El transmisor necesita para su activacin un voltaje de alimentacin de 12v a 24vde corriente continua, y esta equipado con cuatro potencimetros de calibracin, 2 de ellospara el pH y los otros 2 para la conductividad elctrica, ademas tiene un conector BNC, dondese conectar el electrodo de pH (HI1001), asi cuenta con terminales de conductividad elctrica yde la sonda de referencia.

Su funcionamiento es la de sumergir el electrodo de pH, por lo menos 4cm como tambinsumergir la sonda de referencia, para que el dispositivo realice la comparacin, y obtenga lamedicin de pH, en donde los contactos darn una salida de corriente de 4mA a 20mA, quevariar proporcionalmente a los valores de pH o de conductividad elctrica. Para mediciones deflujo continuo, a las sondas se les puede instalar un conector en T, para tubos de pulgada,asegurando con cinta de Teflon, entre la sonda y el tubo para garantizar una fuerte unin parale medicin. Al utilizar el transmisor para evitar daos al electrodo, se desconectar el electrodode pH antes de apagar el medidor.


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Especificaciones del transmisorHI 98143-20 :

Rango: pH 0 a 14 pH, CE 0 a 10 ms/cm

Precisin (a 20C ): pH 0.5% f.e, CE 2% f.e.

Impedancia de entrada: 10 (12) Ohmios

Desviacin EMC Tpica: pH 2% FE , CE 2% FE.

Calibracin: Manualmente mediante potencimetros de deriva y pendiente para pH yconductividad 4/10 y 7 pH y 0 y 5 ms/cm

Compensacin Temperatura (CE): 0 a 60C ( 41 a 132F ) con de 2%/C

Salidas (aislada): 0-1 V (HI 98143-01);0-4 V (HI 98143-04);4-20mA (HI 98143-20 / HI 98143-22)

Sondas: Sonda de referencia (Opcional) , 2 electrodos uno de pH y conductividad.

Grado de proteccin: IP 54

Alimentacin: 12 a 24 VCC

Condiciones de trabajo: 0 a 50C ( 32 a 122F ); 95% HR sin condensacin

Dimensiones: 160 x 105 x 31 mm ,

Peso: 280 gr

Precio: 4000 pesos


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Electrodo de pH HI1001:

En varias aplicaciones de la industria y la investigacin es necesario controlar de forma

permanente el valor de pH , mediante electrodos de esta variable. Los electrodos de pHconvierten el valor de pH actual en una tensin proporcional. Los modelos de electrodos de pHde instalacin fija en los procesos industriales miden de forma continua el valor pH y se usanpor lo tanto para la regulacin de procesos.

Los electrodos de pH de la marca Hanna son muy utilizados para aplicaciones a alta presin, unmodelo interesante es el HI 1001, el cual se adapta fcilmente al transmisor HI98143, esteelectrodo esta equipado con una caperuza protectiva de plstico PEI que proporciona a estoselectrodos una mayor resistencia contra la resistencia mecnica.El sensor est protegido por dosaletas de plstico separadas que permiten una fcil limpieza, y en donde los lmites de trabajodel mismo van de -5C a +80C para la temperatura y hasta 6 bars para la presin. Es posible

el montaje en tubera gracias a las roscas externas con los que cuenta el electrodos, teniendouna de 1/2 , mientras que al otro extremo de la sonda tiene una rosca de 3/4 que permite elcontrol en un tubo para una posible instalacin en inmersin, estos electrodos tienen un cablede longitud de 3 metros para mayor manipulacin

Debido a que los electrodos de pH se pueden usar en diferentes aplicaciones, se necesitanelectrodos de pH con diferentes caractersticas. Los criterios ms importantes de los electrodosde pH son el contenido de slidos del medio, la presin del sistema, as como el grado desuciedad del medio. Los electrodos de pH del tipo HI1001 estn cableados de forma fija y estndisponibles en ambos ambientes de trabajo.


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1.3 Conexin Del Dispositivo:

El transmisor de pH HI98143-20 necesita para su activacin un voltaje de alimentacin de 12v a 24v

de corriente continua, el cual se alimentara por medio de un adaptador de corriente (eliminador),como se muestra en la figura ya alimentado se procede a conectar el electrodo de pH (HI1001), enel conector BNC donde dice "electrode" del transmisor, a la vez se conectar la sonda de referenciaen la entrada del transmisor REF PM. Ya conectado lo anterior se sumergir el electrodo y la sondade referencia, y a su vez se conectar un multmetro en serie con las terminales de salida deltransmisor, donde dice OUT PH, el cual indicara la corriente proporcional al pH medido, una vez queya halla realizado la comparacin entre la sonda de referencia y el electrodo de pH, dependiendo dela corriente dar un nivel de pH proporcional y este se podr calcular con la siguiente frmula:

( *0.875) 3.5PH multimetro

N Io

Donde 20mA sera igual a 14 (alcalino), mientras que 4mA sera igual a 0 (acidez) y 12 mA serneutro, por medio de estos valores se podr adaptar a seales estndares para acondicionarlo aotros dispositivos, como controladores registradores y ms, como es de 1v a 5v por citar un ejemplo.

Asi para conectar el transmisor con un receptor de forma almbrica, se puede realizar por medio dela salida OUT PH del transmisor, Conectar las 2 terminales de salida de pH al receptor de pH con un

cable de 2 hilos, como a la vez se puede cablear las terminales de salida de la conductividad elctricaal receptor de CE con un segundo cable de 2 hilos


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1.4 Acondicionamiento a seal Industrial

Como ya se ha estudiado el Transistor de pH HI98143-20 de la marca HANNA INSTRUMENTS

maneja una salida de 4 a 20 mA, dependiendo el nivel medido de pH, este se puedeacondicionar para otros dispositivos tanto para su medicin y control, para automatizar suproceso, en donde se eligi adaptarla a una seal de instrumentacin estndar como lo es de1 voltio a 5 voltios, asi que se desarrollo un circuito basado con amplificadores como es el TL081,dicho circuito convertir la corriente a voltaje y enseguida se muestra su simulacin:


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SENSOR DE HUMEDAD RELATIVA

1. IntroduccinEl control climtico en invernaderos es posible gracias al uso de sensores capaces de medirdiferentes variables climticas: temperatura, humedad, radiacin solar, velocidad y direccin delviento, concentracin de CO2, precipitaciones, etc. Un sensor es un dispositivo que produce unaseal utilizable en funcin del valor de una magnitud fsica, propiedad o condicin especfica quese desea consiste en un elemento sensitivo, una fuente de tensin auxiliar y un instrumento demedida.

La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire. Lahumedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, en relacin con la mxima quesera capaz de contener a la misma temperatura.Existe una relacin inversa de la temperatura

con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la capacidad de contener vaporde agua y por tanto disminuye la HR. Con temperaturas bajas, el contenido en HR aumenta.

Cada especie tiene una humedad ambiental idnea para vegetar en perfectas condiciones: altomate, al pimiento y berenjena les gusta una HR sobre el 50-60%; al meln, entre el 60-70%;al calabacn, entre el 65-80% y al pepino entre el 70-90%. La HR del aire es un factor climticoque puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Cuando la HR es excesiva las plantasreducen la transpiracin y disminuyen su crecimiento, se producen abortos florales porapelmazamiento del polen y un mayor desarrollo de enfermedades criptogmicas. Por elcontrario, si es muy baja, las plantas transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, adems delos comunes problemas de mal cuaje.

Para que la HR se encuentre lo ms cerca posible del ptimo el agricultor debe ayudarse delhigrmetro. El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la temperatura yevitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con riegos, llenandocanalillas o balsetas de agua, pulverizando agua en el ambiente, ventilado y sombreado. Laventilacin cenital en invernaderos con anchura superior a 40 m es muy recomendable, tantopara el control de la temperatura como de la HR.


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2. Tipos de sensor de humedad

Higrmetro de cabello.

Son higrmetros convencionales que se basan en la propiedad de algunos materiales depresentar diferente elasticidad con la humedad. Este material se une a un muelle en tensin quemodifica la posicin del cursor de un potencimetro. Midiendo la resistencia entre el cursor y unextremo del potencimetro se conocer la HR del ambiente. Sin embargo, su uso eninvernaderos no es adecuado por sus limitaciones en el rango de medida.

Psicrmetro.Se basa en la medida de las temperaturas de un termmetro seco y un termmetro hmedo. Elprimero determina la temperatura del ambiente y el segundo marca una temperatura diferentea la anterior, ya que va en funcin de la cantidad de agua evaporada y, por tanto, de la presinrelativa del vapor de agua en la atmsfera.

Unas tablas de conversin de diferencia de temperaturas en la presin relativa del vapor deagua, en forma de tanto por ciento de humedad, permiten llevar a cabo la medida de la HR delambiente. La desventaja es que hay que mantener permanentemente hmeda la mecha delsegundo termmetro.

Sensores capacitivos.Formados por dos electrodos entre los que se encuentra un polmero higroscpico sinttico(dielctrico). Este material puede absorber el agua en el aire, de manera que la capacidad delsensor vara linealmente con la HR. Al aumentar la humedad del aire tambin lo hace lacapacidad del sensor capacitivo. Su principal inconveniente es que a humedades altas (100%HR) el dielctrico se satura y tarda en volver a medir correctamente si no se encuentra bienventilado. Actualmente son los ms recomendados por sus grandes ventajas, fundamentalmente

porque se pueden conectar fcilmente a equipos de control automtico.

Higrmetro ptico de punto de roco o sensor de espejo enfriado.Considerado el mtodo ms preciso de medicin del punto de roco. Contiene un pequeoespejo metlico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de la muestra de gas condense. Elespejo es iluminado por una fuente de luz y su reflexin es detectada por un foto-transistor.Cuando la condensacin se produce, la luz reflejada sufre una dispersin, disminuyendo laintensidad captada por el detector. Un sistema de control se encarga de mantener latemperatura del espejo para mantener una delgada capa de condensacin; un termo-resistenciaembebido en el espejo mide su temperatura y la temperatura del punto de roco. La precisin enla medida es muy alta, pero su desventaja es su elevado coste y la necesidad de precisin en lamedicin.


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3. Seleccin de sensor de humedad

Siguiendo las recomendaciones para el rea de invernaderos se decido que el tipo de sensorque se deber contemplar ser uno de tipo capacitivo por lo que tenemos dos variasposibilidades de seleccin en el mercado.

Ilustracin 1. Sensores para humedad relativa mas usados

Uno de los sensores ms utilizados son: el sensor HS-1101 fabricado por HD HUMIREL y elsensor DHT11 fabricado por D-Robotics, el inconveniente que presentan es que cuando la

humedad relativa es alta se satura y deja de ser lineal estos dispositivos son muy utilizados enprototipos pequeos especialmente cuando se usan micro-controladores, el sensor QFA31fabricado por siemens est diseado para exteriores cuanta con proteccin IP65. Algunas de lascaractersticas ms esenciales para dispositivos que parecen tentativos son:

El sensor HS-1100 o HS1101 esta basado en una nica clula capacitiva, estossensores de humedad relativa estn diseados para alto volumen, cost aplicacionessensibles como la automatizacin de oficina, control de aire de la cabina del automvil,electrodomsticos, y sistemas de control de procesos industriales. Tambin son tiles entodas las aplicaciones donde se necesita compensacin de humedad.

El sensor FS-1 Humedad detecta humedad relativa en el interior de mquinas de cortey es altamente sensible, el sensor FS-1 transmite la lectura a la unidad de control de lamquina herramienta como una seal elctrica (4 - 20 mA).

El sensor de la serie QFA31 fabricado por siemens es para el uso en plantas deventilacin y aire acondicionado donde la alta exactitud y los tiempos de reaccin soncortos para medir humedad relativa se requieren. La gama que mide cubre la gama dehumedad entera de 0-100\%. Con el accesorio AQF3100 el QFA31 es capaz de se usadoal aire libre. Tiene un rango de operacin en temperatura de los -40C a los 79C laseal de salida es de 4-20mA o 0-10V.


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Las mejores caractersticas para la lectura de la humedad relativa es mediante el sensor de laserie QFA31 especficamente el QFA3160 con el accesorio AQF3100 porque cubre todo elrango de humedad relativa, tiene un amplio rango de temperatura la salida del sensor se da enun lazo de de voltaje de 0-10V dado por el accesorio, es especial para exteriores lo cual juegaun papel muy importante porque ser usado para controlar unas de las variables de el climaartificial en el invernadero. Y adems de tomar la lectura de la humedad relativa comocaracterstica adicional este sensor tambin toma la lectura de la temperatura.

Ilustracin 2. Sensor QFA3160 con el kit de montaje exterior AQF3100

En seguida se muestra una tabla que muestra las caractersticas de salida se el sensor:

Ilustracin 3. Tablas de salida segn el modelo del sensor


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Montaje en el exterior*

Preferiblemente en el Norte o el lado noroeste del edificio, si es posible en el medio dela pared, por lo menos 2,5 por encima del suelo. No por encima o por debajo de lasventanas, por encima de las puertas y pozos de ventilacin.

El Montaje exterior del sensor QFA3160 con el AQF3100 debe ser en posicin vertical(el escudo de radiacin en la parte superior).

Las dimensiones del sensor se muestran a continuacin:

Ilustracin 4 Dimensiones del sensor QFA3160 con el AQF3100


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4. Acondicionador se seal

Como la seal de salida del sensor es de 0-10V, para implementarlo en un el controlador PIDque realizamos es necesario que la seal que proporciona el sensor sea delas mismascaractersticas que las del set-point es por eso que se debe de acondicionar de tal manera quevalla de 1 a 5 volts. Siendo este el nico requisito entonces se procedi a realizar el siguientecircuito convertidor de corriente a voltaje.

Ilustracin 5. Acondicionador de voltaje de 0-10V a 1-5V


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MONOXIDO DE CARBONO

Justificacin de Sensor electroqumico de monxido de carbono (CO) IP55 para suimplementacin en el invernadero

Este sensor de monxido de carbono IP55 est diseado para medir en entornos donde lacontaminacin como polvo, suciedad etc. es muy abundante, adems de ser muy resistente aambientes donde abunda demasiada humedad y cambios de temperatura. Este sensor tieneexclusivas capacidades de medicin de referencia. Otra caracterstica de este sensor es quecuenta con una sonda con microprocesador para la deteccin de GASES TXICOS, por ejemplomonxido de carbono, con auto diagnosis. Se utiliza cuando se supera la mxima concentracinadmisible de CO, 300 ppm, o cuando en el ambiente se registra durante un periodo bastantelargo una concentracin perjudicial, aunque sea baja (30 ppm durante 2 horas).

Otra de las caractersticas de este transmisor que es demasiado importante para nosotros esque cuenta con una salida que es la mejor opcin para nuestra aplicacin en un invernadero esque entrega una salida de 4-20 mA. Con esto podemos hacer nuestro acondicionamiento con losamplificadores operacionales para nuestra entrada VP en nuestro PID. Pueden extraerse,reinstalarse o reemplazarse en cualquier momento, sin necesidad de calibracin o ajuste.Otra delas ventajas de este sensor es que trabaja a temperaturas de -20C hasta 60C que esimportante porque sabemos que en un invernadero se manejan temperaturas a vecesdemasiado elevadas.

CARACTERISTICAS

Alimentacin 12-24V c.c. +/- 10%Celda electroqumica

Sensor cataltico para gas GLP de 5 aos de duracinCampo de deteccin 020% LIESeal de salida analgica 4mA20mAGrado de proteccin IP 55Distancia mx. de la central: 100 mMaterial del cuerpo de la sonda: aluminioLmite de temperatura de funcionamiento -10C +60CLED de indicacin de alimentacinDimensiones (AxPxH) 110x58x75


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DIOXIDO DE CARBONO

JUSTIFICACION DE SENSOR GMT220 CARBOCAP de Vaisala DE DIOXIDO DE CARBONO(CO2) PARA LA UTILIZACIN EN INVERNADERO

Este transmisor es de uso rudo y aparte de ser de bajo costo, es muy resistente para entornosdonde existe demasiada humedad que es el caso de los invernaderos. Los transmisores dedixido de carbono serie GMT220 CARBOCAP de Vaisala estn diseados para medir dixidode carbono en entornos muy extremos. Su caja cumple con un estndar de proteccin contra elpolvo y el agua. Este sensor tiene exclusivas capacidades de medicin de referencia. Sus partescrticas estn elaboradas de silicona, lo que le proporciona una excelente estabilidad en eltiempo y en un amplio rango de temperaturas. Prolongando los intervalos entre calibraciones, elusuario ahorra tiempo y dinero.

Pueden extraerse, reinstalarse o reemplazarse en cualquier momento, sin necesidad decalibracin o ajuste. Las sondas pueden ser acopladas directamente al cuerpo del transmisor o,cuando se usan con un cable, instaladas a distancia en sitios difciles de alcanzar o en reas conniveles de CO2 peligrosamente elevados. La posibilidad de intercambiar las sondas de lostransmisores GMT220 facilita en gran medida el mantenimiento en campo. El usuario final puederealizar el mantenimiento en campo sin necesidad de ningn equipo adicional ni tubos de gasespesados y caros, simplemente cambiando una sonda.

Los rangos de medicin de este sensor son de 0 a 3000 ppm, que seria excelente para lamedicin de concentracin de C02 dentro de nuestro invernadero.


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Entorno de operacin

Temperatura de operacin -20 ... +60 C (-4 ... +140 F)con monitor 0 ... +50 C (+32 ... +122 F)Temperatura de almacenamiento -30 ... +70 C (-22 ... +158 F)Humedad 0 ... 100 %RH, no condensacinCompatibilidad electromagntica EN61326-1, Entorno genrico

Otra de las caractersticas de este transmisor que es demasiado importante para nosotros esque cuenta con una salida que es la mejor opcin para nuestra aplicacin en un invernadero esque entregar 3 salidas diferentes que son las mas comunes de 0-20mA, de 4-20 mA y de 0-10v.Con esto podemos hacer diferentes acondicionamientos con los amplificadores operacionalespara nuestra entrada VP en nuestro PID.

Caractersticas / Benefcios

Proteccin contra polvo yagua rociada. Varios rangos de medicin Fcil instalacin. Salidas estndar analgicas ydos rels hilos configurablesdisponibles.Las aplicaciones incluyen: Horticultura y almacenamientode fruta. Invernaderos y granjas de setas Alarmas de seguridad ymonitoreo de fugas. Ventilacin controlada pordemanda en entornos rigurosos.

www.vaisala.com


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TEMPERATURA

Introduccin

Existen diversas investigaciones sobre la instrumentacin de invernaderos en pases dehabla hispana entre las que destacan los trabajos realizados en pases como Espaa, Mexico,Peru, Ecuador y argentina; dichos desarrollos e investigaciones has sido enfocados a laautomatizacin de los sistemas de produccin de hortalizas, flores oleaginosas entre otras,permitiendo la racionalizacin del agua, as como la optimizacin de los recursos disponibles, yla manipulacin de los parmetros crticos de las plantas (conductividad, pH, temperatura,iluminacin) con el fin de proporcionar las condiciones idneas y de esta manera incrementar laproductividad de los cultivos, bajos sistemas intensivos de produccin.

La produccin hortcola en invernaderos se lleva a cabo con el objetivo de incrementar los

rendimientos y retornos econmicos. Para ello se invierte en infraestructura, un invernadero,que asla de forma parcial a las plantas de las variaciones ambientales, sobre todo de latemperatura y de la radiacin solar. La efectividad de cada estructura depender de su diseo,del material de cubierta y de los equipos perifricos con que cuente para la distribucin de agua,fertilizantes y CO

2.

Exciste cierta susceptibilidad de algunas especies, a las que los fisilogos vegetales denominanC3 (como el tomate, el pepino y el pimiento, entre otras) a dos variables en particular que sonla temperatura y la radiacin solar. El trmino C3 indica que llevan a cabo un tipo de fotosntesisque es muy eficiente en los rangos de temperatura entre 20 C y 32 C, mientras que lastemperaturas nocturnas ptimas para los procesos metablicos que ocurren durante la noche(que definen el rea foliar, la formacin de los rganos florales, el amarre del fruto y la

acumulacin de materia seca) se ubican entre los 17 C y 22 C. La situacin ideal para unaplanta C3 es cuando la temperatura diurna se mantiene en 255 C y la nocturna en 223 C.

La fotosntesis de las plantas C3 igualmente es poco eficiente con alta radiacin, normalmentefunciona muy bien con solo la mitad de que recibe el territorio mexicano en un medioda tpicode los meses de marzo a octubre, que alcanza valores hasta de 1,800-2,000 mol de fotones

por m2

por segundo. Todo el exceso debe eliminarse en forma de calor y como reaccionesfotoqumicas disipativas, las cuales consumen agua y energa. La manera econmica de volverms eficiente la fotosntesis en niveles altos de radiacin es elevar la concentracin deCO

2alrededor de las hojas activas de la planta.

De lo anteriormente mencionado podemos concluir que para la explotacin intensiva de cultivos(cultivos cubiertos), es necesario llevar a cabo una meticulosa medicin y control de lasvariables que presentan ingerencia sobre las propiedades filolgicas de las plantas, ya que deello depender la cantidad y calidad de la produccin como producto final, justificando con estola implementacin de sistemas de instrumentacin en esta rea.


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El sensor

Para el sensado de temperatura, pese a las diversas alternativas de sensores primarios yelementos sensores con acondicionadores de seal presentes en el mercado, se ha optado por

elegir el CI LM35A, de Nacional Semiconductor, esto en base a la sensibilidad, facilidad deimplementacin y bajo costo. Es importante mencionar tambin que aunque existen alternativascon mayor sensibilidad como los termistores tipo N y P, se descartaron debido a que estos nopresentan una salida lineal de voltaje en funcin de la temperatura, y requeran unalinealizacin previa a la implementacin por lo que complicaban el diseo innecesariamente.

Caractersticas principales

El circuito integrado LM35A es un sensor de temperatura cuya tensin de salida es linealmente

proporcional con la temperatura en la escala Celsius (centgrada) . Posee una precisinaceptable para la aplicacin requerida, no necesita calibracin externa, posee slo tresterminales, permite el sensado remoto y es de bajo costo.

Factor de escala : 10mV/C( garantizado entre 9,8 y 10,2mV/C)

Rango de utilizacin : -55C < T < 150C

Precisin de : ~1,5C (peor caso) No linealidad : ~0,5C (peor caso)

El CI LM35A es un sensor de temperatura que tiene una salida de tensin que posee unarelacin linealmente proporcional con la temperatura registrada en grados centgrados (C).Posee una precisin y sensibilidad aceptable para la aplicacin requerida, posee solo tresterminales, lo que simplifica su implementacin, adems de que permite sensado remoto. Acontinuacin se muestran algunas de las caractersticas principales de este dispositivo.

Calibrado directamente en grados centgrados.

Factor lineal de escala de +10mV/C

Exactitud garantizada de 0.5V

Rango completo de medicin -55C a +150C.

Voltaje de alimentacin de 4 a 30V.

No linealidad, tpica C41 .


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Diseo

Para la implementacin del circuito sensor se utilizo la configuracin sugerida en la hoja de

datos, cuyo diagrama se muestra a continuacin:

Donde la ecuacin que describe el voltaje de salida del circuito es la siguiente:

CTCmVV AMBIENTEOUT 10+10=

Para el rango de CaC 505

Y tomando los datos siguientes

Rango de Temperatura Tensin a la salida delsensor

Salida del acondicionador

-5C 50mV 1V

50C 600mV 5V

Ahora aplicando la ecuacin de la recta para acondicionar el voltaje de salida del sensor yconvertirlo a un voltaje de 1Va 5V.tenemos:

01

01=

ii

OO

VV

VVm

0mV500mV6

15=

VVm


26/34



50mV5

4=

Vm

Ahora

bVmV

VV iO +550

4=

( ) bmVmV

V+50

550

4=1

bV. +36360=1

V.b 63630=

V.VmV

VV iO 63630+550

4=

Implementado la ecuacin anterior obtenemos finalmente el circuito acondicionador.


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VELOCIDAD DEL VIENTO

Medicin de la velocidad del viento.

Aunque en los invernaderos es importante el censado y control de las variables de su interior,tambin es necesaria la medicin de algunos parmetros en el exterior como son la velocidad yla direccin del viento, la lluvia y la radiacin solar. Aqu nicamente se mencionara la medicinde la velocidad del viento. Para la medicin de esta variable es indispensable contar con elsensor adecuado, la tarea de seleccin del elemento sensor es fundamental ya que de elladepender la confiabilidad de los datos obtenidos, para esta tarea se deben comparar yseleccionar las caractersticas mas adecuadas para nuestra aplicacin, tomando en cuentaprincipalmente los rangos de operacin, exactitud y resolucin del elemento seleccionado. :

El anemmetro

Un anemmetro es un aparato destinado a medir la velocidad relativa del viento que incide

sobre l. Si el anemmetro est fijo colocado en tierra, entonces medir la velocidad del vientoreinante, pero si est colocado en un objeto en movimiento, puede servir para apreciar lavelocidad de movimiento relativo del objeto con respecto el viento en calma.

Principio de funcionamiento

Para medir la velocidad relativa del viento es necesario utilizar algn proceso fsico cuyamagnitud vare segn una regla fija con respecto a la variacin de esa velocidad. En la prcticaentre otros se usan:

1. La variacin de velocidad de rotacin de una hlice sometida al viento.2. La fuerza que se obtiene al enfrentar una superficie al viento.3. La diferencia de temperatura entre dos filamentos calentados por igual, uno sometido al

viento y otro en calma.4. Aprovechando la presin aerodinmica producida en una superficie enfrentada al viento.5. Otros mtodos ultrasnicos o de lser.

Tipos de anemmetros:

1) Anemmetro de empuje: estn formados por una esfera hueca y ligera (Daloz) o unapala (Wild), cuya posicin respecto a un punto de suspensin vara con la fuerza del viento, locual se mide en un cuadrante.

2)Anemmetro de rotacin o de copelas: est dotado de cazoletas (Robinson) o hlices

unidas a un eje central cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registradoconvenientemente, en los anemmetros magnticos, dicho giro activa un diminuto generadorelctrico que facilita una medida precisa.

3)Anemmetro de compresin: se basa en el tubo de Pitot y est formado por dospequeos tubos, uno de ellos con orificio frontal ( que mide la presin dinmica) y lateral (quemide la presin esttica,) y el otro slo con un orifico lateral .La diferencia entre las presionesmedidas permite determinar la velocidad del viento.


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4)Anemmetro de hilo caliente: Un anemmetro trmico normal mide la velocidad delfluido detectando los cambios en la transferencia de calor mediante un pequeo sensorcalefactado elctricamente( un hilo o una pelcula delgada) expuesto al fluido bajo estudio, Elsensor calefactado es mantenido a una temperatura constante usando u circuito de controlelectrnico. El efecto de enfriamiento resultante del paso del fluido a travs del sensor secompensa aumentado el voltaje del sensor.

la magnitud del aumento de voltaje necesario para mantener la temperatura constante estdirectamente relacionada con la transferencia del calor y, por tanto, con la velocidad del fluido.la anemometra por hico caliente( hot wire anemometry) es ideal para la medida de velocidadesen fluidos puros( gases, y lquidos) de temperatura uniforme.

Su alto rango dinmico permite la medicin de fenmenos turbulentos con una alta precisinhasta frecuencias muy altas. La tcnica de hilo caliente es una medicin invasiva, aunque sloimplique el emplazamiento de una pequea sonda en el fluido de inters.

5)Anemmetro snico: Este tipo de anemmetros se basa en que la velocidad depropagacin del sonido depende de la velocidad del viento. Lo que se mide en este caso es eltiempo que demora una seal de sonido en atravesar una distancia conocida( normalmenteunos 20 cm). Este intervalo es tiempo est relacionado con la velocidad del viento en ladireccin entre el emisor y el receptor. Mediante una medicin similar, realizada en unadireccin perpendicular a la anterior, se puede calcular la velocidad total del viento y sudireccin. Este instrumento es considerablemente ms caro que el anemmetro de copela, perotiene una mayor precisin y no requiere mantenimiento mecnico( no hay piezas enmovimiento). Sin embargo tiene problemas para medir el viento cuando se registraprecipitacin( lluvia o nieve).


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Principales opciones

De la variedad de sensores de viento existentes en el mercado se consideraron principalmentelos siguientes modelos, para la aplicacin deseada.


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En tabla siguiente se muestran las caractersticas de las 2 principales opciones a considerar.


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En base a las caractersticas de los dispositivos anteriores se opto por seleccionar el WA15, yaque este elemento posee mejores prestaciones en comparacin con el resto. El WA15 es unanemmetro mecnico al igual que el WA25 y el WM30, pero a diferencia de estos nos ofrece laflexibilidad de alimentar con voltajes desde 9.5 15.5V CD, sin sacrificar el resto de lascaractersticas. Una clara desventaja en comparacin con los sensores ultrasnicos como elWMT52, WS425 y el WS425F/Ga es el rango de medicin que en el caso de los ultrasnicos loscuales presenta mayor rango que va desde los 0 m/s a los 85 m/s, y una mayor exactitud en lamedicin de la direccin del viento ( 2 ), otra notable diferencia que podra considerarse comodesventaja son el tipo de salidas, que para el caso de los ultrasnicos son digitales y disponiblespara los distintos protocolos conocidos; sin embargo para nuestra aplicacin no son tannecesarias dichas caractersticas debido al nivel de tecnificacin a implementar. En cuanto a ladiferencia con el rango de medicin, tampoco resulta relevante, ya que la aplicacin no ameritaun rango de medicin mayor.

Acondicionador de seal (Diseo)

Debido que el WA 15 posee una salida analgica estndar de corriente, solo resta implementarun acondicionador de seal a un voltaje de 1V-5V. Para dicha labor se utiliza el siguiente circuito.

Bsicamente el circuito consta de 3 etapas, la primera convierte la corriente a un voltaje que vade 0.4V a 2V, la segunda etapa acondiciona el voltaje de -1V a -5V, y la tercera etapanicamente invierte el voltaje para tener una salida de 1V a 5V


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Lo anterior se describe en forma de ecuacin a continuacin.

( ) ( )

21

21

21

22

21

1

++=+ RR

RV

RR

RV

RR

RV

O

( ) ( ) +++

=1

21

21

21

21

22

R

RR

RR

RV

RR

RVV

O

( )( )( )

( )( )( )

211

2121

211

2122

+

+

+

+=

RRR

RRRV

RRR

RRRVV

O

Si

RRR

,RR

211

21

==

10=

( ) 111

1

112

102

10+=

R

RV

R

RRVV

O

1020+

2=

122 VVVVO

20

211=

12 VVVO

Ahora se usa un inversor para convertir el voltaje de .4V 2V a 1V 5V.

01

01=

ii

OO

VV

VVm

4VV2

15=

.

VVm

.6V1

4=

Vm

Ahora

( ) bV.V iO +52=

( ) bV..V +452=1

bVV +1=1

Vb 0=

VV.V iO 0+52=

Aqu se completara la segunda etapa, la tercera etapa nicamente servira para cambiar elsigno y tener una salida positiva.


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Anexos


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Trabajo Final - Sensores de Invernadero

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