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Saludos estimados Colegas, en el presente artículo se describen técnicas para la construcción artesanal de mecanismos medidores del nivel de agua almacenada en tanques, los cuales se fundamentan sobre los principios de transmisión de movimientos lineales y circulares que mediante sistemas de poleas simples se hacen cambiar las direcciones y sentidos de las fuerzas que actúan sobre un hilo de nylon, el cual se acopla en el posicionador de la escala de nivel de una barra vertical que pudiera estar ubicada cerca o distante del taque. Dicho hilo de nylon permite enrollarse en dos (2) poleas de diámetros diferentes o similares (en función de la longitud disponible para la barra indicadora de nivel) y acopladas en un mismo eje con el propósito de hacer gira un potenciómetro multivueltas, o simplemente reducir el recorrido lineal del indicador, respecto al recorrido lineal de la boya o profundidad del tanque.
Además dicho mecanismo hace posible reemplazar los dispositivos sensores electrónicos vulnerables a la humedad, intemperie, vibraciones, ruido eléctrico, ruido de audio en alta frecuencia, radiofrecuencia y demás condiciones adversas. El potenciómetro multivueltas ubicado en el eje, al girar hace variar su valor resistivo para así enviar una señal analógica de altura del nivel útil para sistemas de control electrónico de alta precisión, PLC y de automatización en general, o simplemente de indicación mediante un voltímetro digital. Asimismo conociendo el área de dicho tanque hace posible calcular diversos valores relacionados con el volumen (en litros), caudal (litros/segundo), tiempo de autonomía, tiempo de llenado del tanque, etc., todos éstos para condición de reposición o de consumo de agua. También desde el hilo de nylon mecánicamente hace posible mover levas actuadoras de interruptores de finales de carrera y otros usos similares.
Nota: En caso que desee información exclusivamente relacionada con las imágenes anteriores, sobre los mecanismos Nº 1 y 2 descritos al final del presente artículo (indicadores de reservas de agua en tanques residenciales), en el enlace siguiente es posible descargar el archivo en formato PDF:
TEMAS
·
Principales razones por las cuales se sugieren mecanismos indicadores de
nivel de agua.
·
Mecanismo indicador de nivel mediante polea simple.
·
Mecanismo indicador de nivel, instalado distante del tanque.
·
Electromecanismo indicador de nivel.
Circuito eléctrico de indicación y de accionamientos.
Ejemplo de circuito Arduino para sensor de nivel WiFi, mediante ESP8266
Diagramas y programa para sensor de nivel mediante placa de desarrollo Arduino Uno
Mecanismo de enrolladores y de indicación visual.
·
Mecanismo indicador de nivel, para tanques individuales.
·
Comentarios finales.
HOJA DE CÁLCULOS MICROSOFT EXCEL, ELABORADA PARA ESTIMAR EL TIEMPO DE LLENADO EN TANQUES Y TINACOS
La siguiente hoja de cálculos resulta útil para estimar el tiempo de llenado de tanques de agua y tinacos, en función del caudal de entrada, además realiza las conversiones de unidades de ingeniería.
Los datos fijos a ingresar se relacionan con la geometría del tanque; La altura de llenado (en metros) y área del tanque (en metros cuadrados). Los datos que pudieran variar son; El caudal de entrada (en litros/segundo) y la altura del nivel inicial (en metros. En caso de no ingresarlo, el cálculo asume cero (0) metros:
https://documentcloud.adobe.com/link/track?uri=urn:aaid:scds:US:b38c711d-b95b-4b76-96fd-df38ad82b447
Se muestra una imagen de la hoja de cálculos:
PRINCIPALES RAZONES POR LAS CUALES SE SUGIEREN MECANISMOS INDICADORES DE
NIVEL DE AGUA:
·
Economía de instalación y de mantenimiento.
·
Visualización permanente y sin depender de suministro eléctrico.
·
No depende de personal especializado.
·
Alta resistencia a la intemperie.
· Cuando los aislantes de electrodos y cableado de sistemas electrónicos digitales de indicación o detectores de niveles de agua tienden a humedecer o mojarse, causando constantes errores de funcionamiento.
· Cuando se requiere señal analógica de alta precisión.
· Cuando los dispositivos electrónicos analógicos detectores de nivel son afectados por humedad, campos magnéticos, radiofrecuencia, ruido eléctrico proveniente de variadores de frecuencia y accionamientos similares, además de ruidos de alta frecuencia que afecten señales de ultrasonido, etc.
· Cuando la corriente continua
que se aplica en los electrodos de nivel causan procesos de electrolisis, lo cual afecta el contacto directo con el agua, debido a la obstrucción causada por la
liberación de iones de los compuestos disueltos en el agua, entre otros problemas.
·
Ideal para proyectos comunitarios y estudiantes.
MECANISMO INDICADOR DE NIVEL, MEDIANTE POLEA SIMPLE
Sistema de polea 3: Consiste en un mecanismo de polea simple, donde 2 fuerzas actúan verticalmente y cuyo propósito es invertir la indicación de las escalas de la barra de nivel.
En el diagrama de cuerpo libre actúan 2 fuerzas verticalmente,
donde en un extremo del hilo de nylon conecta con una boya cuya masa
es de 2 Kg y en el extremo opuesto se conecta un contrapeso con masa
de 1,5 Kg (poco importan estos valores, pero siempre la masa de la boya debe ser mayor que la masa del contrapeso y la diferencia o resta entre ambas masas debe ser suficiente para producir movimiento y vencer fuerzas de roce).
R determina la tensión de equilibrio en el hilo de nylon, pero
cuando aumenta el nivel de agua en el tanque, se produce un fuerza
de empuje hacia arriba en la boya, lo cual causa un movimiento en
sentido hacia el contrapeso. Por el contrario, cuando baja el
nivel de agua, se invierte el movimiento, en sentido hacia la boya.
Ejemplo de boya de masa variable, higiénica y de fácil construcción artesanal. Con este tipo de envase de vidrio para 500 gramos de productos alimenticios, permite hasta un máximo de 30 canicas:
Imagen virtual del contrapeso:
La polea puede ser de cualquier tipo y diámetro, preferiblemente de
material resistente a la intemperie y no mayor de 5 pulgadas de
diámetro.
El hilo de nylon puede ser monofilamento o multifilamento de cualquier tipo, preferiblemente de 1 ó 2 milímetros espesor. Según los cálculos anteriores, usando una boya de 2 Kg, más el contrapeso de 1,5 Kg, dicho hilo de nylon estará sometido a una fuerza máxima de 34,335 Newton, lo cual equivale a suspender 3,5 Kg (en equilibrio baja hasta 3 Kg).
MECANISMO INDICADOR DE NIVEL, INSTALADO DISTANTE DEL TANQUE
Consiste en un sistema similar al anterior, al cual se le adicionan
2 sistemas de poleas simples, con el propósito de realizar el
cambio de dirección del movimiento vertical de la boya, para ser
transmitido horizontalmente a distancia mediante el hilo de
nylon.
Ejemplo de sistema de poleas de construcción artesanal:
.
El equilibrio o sentido del movimiento del sistema depende de la
fuerza que ejerce el agua sobre la boya (Fy1). Se
muestra el diagrama de cuerpo libre:
Según los cálculos siguientes, la Polea 1 está sometida a
una fuerza máxima de 24,525 Newton con ángulo de inclinación de 45
grados. Para su elección se pueden usar cualquier polea,
preferiblemente construida de material resistente a la intemperie,
con diámetro de 3 a 5 pulgadas, las cuales suelen soportar más de 50
libras (equivale a 222,48 Newton).
Sistema de polea 2:
el propósito de este sistema de polea, es cambiar la dirección del
movimiento lineal horizontal, en movimiento vertical, el cual debe
cumplir con los mismos requerimientos del sistema de polea 1, con
diferencias en el sentido de las fuerzas. En la imagen se muestra en
asterisco (*) para fuerzas con la boya suspendida y sin asterisco
para fuerzas en equilibrio (boya flotando).
El sistema de polea 3 consiste en un mecanismo de polea simple, donde las 2 fuerzas actúan verticalmente y cuyo propósito es invertir la indicación de las escalas de la barra de nivel.
Las escalas lineales de la barra
se diseñar en función de la capacidad de almacenamiento útil (ejemplo: 300.000 litros de agua), considerando que en este caso el
tanque tiene una superficie de 75 m2 y una altura de 4,5
metros.
·
Cálculo de la altura
necesaria para almacenar 300.000 litros de agua:
300.000 litros = 300 m3
300 m3 / 75 m2 =
4 m (desplazamiento lineal, vertical, del indicador).
· Cálculo de
progresiones o apreciaciones para
las escalas verticales. Según los requerimientos, la escala se debe apreciar
aproximadamente entre 50 y 250 metros de distancia, por tal motivo se
sugiere pintar bandas de colores contrastantes (pueden ser
blancas y rojas).
· Altura en metros = 4 m – 0 m / 8 =
0,5 metros de longitud por cada banda de color.
Litros = 300.000 L – 0 L / 8 =
37.500 Litros.
Metros cúbicos = 300 m3 – 0 m3 / 8 =
37,5 m3
·
Se muestran las equivalencias entre escalas.
ELECTROMECANISMO INDICADOR DE NIVEL
El presente sistema mecánico eléctrico consiste en un equipo medidor
de longitud, en el cual intervienen movimientos alternativos
que cambian de sentido en función de fuerzas lineales que
actúan sobre los extremos de 2 hilos de nylon que se enrollan en 2
rodillos acoplados en un mismo eje de transmisión, que a su vez hace girar un potenciómetro multi-vueltas. La tensión de
equilibrio del sistema es producida por un contrapeso conectado en el
extremo más distante de uno de los hilos y en el extremo más distante
del hilo opuesto se conecta una boya flotante, cuya masa ejerce la
mayor fuerza del sistema y determina el sentido de los movimientos.
Cuando se produce un incremento del nivel de agua almacenada en el
tanque, se ejerce una fuerza de empuje hacia arriba en la boya,
determinando movimientos del sistema en sentido hacia el contrapeso,
pero cuando baja dicho nivel de agua, se invierten las fuerzas y
movimientos en sentido hacia dicha boya flotante.
La relación entre diámetros de ambos rodillos enrolladores (son significativamente diferentes), multiplica o divide los
recorridos lineales y fuerzas del sistema, debido al cambio en la
relación distancia x fuerza.
Relación entre ambos diámetros: d1 / d2
Distancia1 x fuerza1 = distancia2 x
fuerza2 (sin considerar roce)
El recorrido lineal de la boya, en cada giro del rodillo enrollador1 lo determina el diámetro de dicho rodillo
enrollador1 (de mayor tamaño, que en este caso es un
anillo PVC de 12 pulgadas):
Recorrido lineal1 en cada giro = π x diámetro1
El recorrido lineal del contrapeso y escalas visuales, en cada
giro del rodillo enrollador2, lo determina el diámetro de dicho
enrollador2 (de menor tamaño, que en este caso es un
anillo PVC de 3 pulgadas).
Recorrido lineal2 en cada giro = π x diámetro2
El
número de vueltas del eje de transmisión
(N) depende del recorrido total a medir (recorrido total1
= altura del tanque = 4 metros), dividido entre el recorrido
lineal1 en cada giro del rodillo1 :
N = recorrido total1 / recorrido lineal1 en
cada giro
El eje de transmisión es acoplado con el eje de un potenciómetro multi-vueltas, con el propósito de producir variación de su resistencia, en función del ángulo de giro (típicamente son de 10 giros), lo cual mediante un circuito eléctrico se hace posible producir una variación de voltaje que es visualizada mediante un voltímetro cuya escala indicará el volumen de agua almacenada en el tanque.
El interruptor de final de carrera (limit-switch) y su
leva actuadora se pueden instalar en cualquier punto del
recorrido de uno de los hilos de nylon, con el propósito de accionar
una alarma por bajo nivel de agua u otro evento que amerite aviso (la
leva puede actuar varios limit-switchs).
Las escalas visuales se muestran de forma invertida, es decir, indicando mínimo nivel de agua en el extremo superior de
la escala y viceversa, lo cual pudiera causar confusiones entre los
pobladores, por tal motivo
se requiere adicionar otra polea para invertir el sentido lineal del posicionador de la barra de nivel. En esta modificación el tubo PVC cumple las funciones de mostrar las
escalas y de protección del contrapeso:
DISEÑO ELÉCTRICO
El sistema eléctrico puede estar compuesto de 2 circuitos; el
principal es el de indicación analógica, el cual realiza una variación de voltaje DC, en función de la altura
del nivel de agua almacenada en el tanque, para ser visualizado
mediante un voltímetro digital o analógico. El circuito opcional
acciona una alarma luminosa por bajo nivel de agua o cualquier otro
evento relacionado.
Como fuente de poder de corriente continua (CC o DC), se sugiere
usar un cargador para celulares modernos (PS1 en el diagrama), los
cuales suministran 5 VDC, con buena estabilidad de voltaje y corriente
suficiente para posteriores modificaciones futuras.
Para variar el voltaje se debe usar un potenciómetro multi-vueltas (P2), el cual se ubica en eje del mecanismo de enrolladores, se debe proteger contra la intemperie y forma parte de un circuito divisor de tensión,
conjuntamente con una resistencia de 47 Ω (R2), más otro
potenciómetro convencional (P1). P1 y P2 preferiblemente deben
ser de igual valor, en este caso se sugieren de 500 Ω, aunque pudieran
ser de 1 KΩ, 5 KΩ, ó 10 KΩ.
Dicho circuito divisor de tensión recibe los 5 VDC desde la fuente de
poder y al girar P2, la variación de resistencia produce la caída de
voltaje necesaria para la indicación en el voltímetro (V1). En P1 se
ajusta la escala de V1, ejemplo; si P1 se ajusta en 78 Ω, según
los cálculos, el voltaje en V1 tendría un máximo de 4 VDC cuando P2 se
ubique en la vuelta # 10 (resistencia máxima), es decir, si el
enrollador gira máximo 4 vueltas, entonces en V1 hay un máximo de 1,6
Voltios en la indicación.
A pesar que el circuito no representa riesgos para el personal
operador del sistema, por medida de seguridad se conecta a tierra en
un punto negativo del circuito.
El circuito de alarma luminosa de bajo nivel de agua, aprovecha los
+5 VDC de la fuente de poder para que mediante un interruptor de fin
de carrera (limit-switch, debe estar protegido contra la intemperie), cuya leva se actuará mecánicamente desde
cualquier punto de los recorridos lineales del mecanismo, para así
activar un relé de estado sólido, que a su vez energizará una luz
indicadora de alarma u otro dispositivo indicador de avería.
El diagrama siguiente se sugiere por cada dispositivo que se desee
activar:
La mayoría relés de estado sólido tienen 4 terminales, se
activan desde los 3 & 4 con voltaje DC desde 3 hasta 30
Voltios y los terminales 1 & 2 realizan la conducción de corriente
para energizar la carga y depende del tipo de relé, ejemplo, la serie
MP incluye un código cuya numeración determina el voltaje y corriente
máxima: El MP120D4 funciona para cargas de 120 Voltios y 4
Amperios, el MP240D25 funciona para cargas de 240 Voltios y 25
Amperios, el MP380D10 funciona para 380 Voltios y 10 Amperios, etc.,
en el enlace siguiente se describen las características de la serie
MP: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/546360/ETC2/MP120D4.html .
Se muestra el circuito definitivo, sugerido:
Lista de componentes:
·
SR: relé de estado sólido MP120D4 ó similar.
·
PS1: cargador para celulares modernos, o cualquier fuente de poder de
5 VDC.
·
R2: resistencia de 47 Ω, 1/4 ó 1/2 Watt.
·
P1: potenciómetro lineal de 500 Ω, o cualquiera hasta 5 KΩ.
·
P2: potenciómetro multi-vueltas (10 giros), de 500 Ω, o cualquiera
hasta 5 KΩ.
·
L1: lámpara para indicación luminosa de alarmas, con bombillo de 120
V.
·
SW1: interruptor sencillo de una fase, para panel.
·
F1: porta-fusible y fusible de 1 Amperio.
·
V1: voltímetro con escala apta para 5 Voltios DC (analógico o
digital).
·
L-SW1: interruptor de final de carrera (limit-switch).
En caso de preferir indicación de nivel mediante un voltímetro (V1)
digital, se sugiere ajustar P1 para que dicha indicación muestre una
proporción de 0,1 Voltio por cada metro lineal, es decir, si el tanque
tiene 4 metros de altura, V1 debe indicar desde 0 hasta 0,4 Voltios,
pero si se prefiere igualdad de proporción de 1 Voltio por cada metro
de lineal, se debe reemplazar la fuente de poder por otra con mayor
voltaje, de por lo menos 12 Voltios.
A continuación se muestra un típico circuito de fuente de poder
estabilizada mediante diodo zener (DZ1). Los materiales
pudieran ser de cualquier valor, entre los rangos indicados:
Lista de componentes de la fuente de poder:
· TR1: cualquier transformador reductor de voltaje. Primario = 120 V ó
220 V. Secundario = cualquiera, desde 10 V hasta 24 V. De baja
corriente (basta con 20 mA).
· D1: diodo rectificador 1N4007 (puede ser 1N4001 al 1N4007, o
cualquiera para más de 1/4 de Amperio).
· C2: capacitor electrolítico de 220 microfaradios (cualquiera hasta
1000 μF) y 50 Voltios DC (cualquiera que sea 1,41 veces mayor que el
voltaje secundario del transformador).
·
F1: porta-fusible, con fusible de 1 Amperio.
· RZ: resistencia de 1/2 Watt. El valor resistivo depende del
voltaje secundario del transformador, siendo 390 Ω para 12 V y 1 KΩ
para 24 V.
EJEMPLOS DE CIRCUITO ARDUINO Y DISPOSITIVOS PARA SENSOR DE NIVEL WIFI, CON ESP8266 O ESP32
A continuación se presenta un ejemplo de circuito con tarjeta de desarrollo Arduino ESP8266, ideal para el detector de nivel basado en potenciómetro multivueltas y sus debidos ejemplos de presentaciones gráficas de la altura del nivel en metros, tiempo de autonomía en horas (mediante una página WEB en HTML, usando la librería webSocket.h), además de una aplicación celular donde se muestra el estatus de un sistema administrador de servicio de agua
DIAGRAMA Y PROGRAMA PARA SENSOR DE NIVEL MEDIANTE PLACA DE DESARROLLO ARDUINO UNO
El diagrama a continuación se sugiere debido a su sencillez tanto en circuito como en programa. La tarjeta electrónica principal es la tradicional y económica placa de desarrollo Arduino Uno. El archivo de programa Arduino se suministra conjuntamente con imágenes de diagramas dentro de la carpeta del enlace siguiente y para el caso del primer enlace en formato Word, basta con copiar, luego pegar en Arduino ID, guardar con el nombre de su preferencia y finalmente transferir a la placa mediante cable USB (se sugiere visitar tutoriales en la Web, referente a la instalación del software, configuración del cable y puerto USB, transferir programas, etc. Es extremadamente sencillo y sugerido para principiantes debido a que raramente falla)
Los potenciómetros VR1 al VR5 no son necesarios cuando el pin digital 2 está flotante (no conectado), para este caso los ajustes de niveles están definidos desde el programa y cuyos valores por defecto son posible reemplazar y volver a enviar a la placa Arduino Uno.
Es posible instalar un voltímetro en paralelo a la entrada analógica A0 con el propósito de monitoriar visualmente el nivel actual. El voltaje ronda entre 0 a +5V desde la primera hasta la última vuelta del potenciómetro, razón por la cual se sugiere el cálculo adecuado en la relación de poleas (procurar que la profundidad total del tanque haga que el eje del mecanismo gire casi las 10 vueltas), aunque los ajustes de niveles desde potenciómetros o por defecto adaptan correcto funcionamiento según los materiales disponibe para la instalación.
Programa para transferir a la placa Arduino Uno, en formato Word:
https://mega.nz/file/mnhHBZ7A#7njo3lCsLTE16q9UgxUqX4HAt26WMbxJkx9-ruUU49A
A continuación se muestra el código de programa Arduino:
/* Código de programa Arduino de libre
uso para control de nivel de líquido en tanques.
Instrucciones usando valores por defecto:
1.
Instalar sensor (potenciómetro multivueltas)
Alimentar un extremo del potenciómetro desde cualquier pin +5V de la
placa Arduino Uno
El extremo opuesto del potenciómetro se conecta en cualquier pin GND de
la placa Arduino Uno
Conectar el terminal central del potenciómetro en A0 de la placa Arduino
Uno
2.
Instalar módulo de relés (M_R) de 5V x 4 canales
Mediante una fuente de poder de 5 VDC alimentar el módulo de relés (M_R)
desde sus pines VCC y GND
Conectar IN1 del M_R en pin digital 3 de placa Arduino Uno (RELE_MAXIMO)
Conectar IN2 del M_R en pin digital 4 de placa Arduino Uno (RELE_SERVIC)
Conectar IN3 del M_R en pin digital 5 de placa Arduino Uno (RELE_SEGURI)
Opcional = Conectar IN4 del M_R en pin digital 13 de placa Arduino Uno
(LED)
3.
Entre las lineas 89 al 93 es posible reemplazar los valores por defecto.
Instrucciones usando ajustes desde
potenciómetros:
1.
Repetir los pasos Nº 1 y 2 anteriores
2.
Instalar 5 potenciómetros, alimentando en sus extremos desde cualquier pin +5V
de la placa Arduino Uno
3.
Los extremos opuestos de potenciómetros se conectan en cualquier pin GND de la
placa Arduino Uno
4.
Conectar los terminales centrales de potenciómetros en pines analógicos A1, A2,
A3, A4 y A5 de la placa Arduino Uno
5.
Conectar el pin digital 2 en cualquier GND de la placa Arduino Uno
Para ambos casos anteriores se muestran los
ajustes en el puesto serie del ID Arduino.
Elaborado por el Ing. Ramón Miranda (siglas y
pseudónimo Web = YY5RM).
Fecha: 30-08-2026.
*/
//Declarar entradas y salidas
const int LEER_NIV_TANQ = A0; //Entrada analógica para leer el sensor del
nivel de líquido en el tanque
const int AJ_NIV_MAXIMO = A1; //Entrada analógica para el potenciómetro de
ajuste del nivel máximo (tanque full)
const int AJ_NIV_RECONE = A2; //Entrada analógica para el potenciómetro de
ajuste del nivel de reconexión del servicio
const int AJ_NIV_CORTE1 = A3; //Entrada analógica para el potenciómetro de
ajuste del nivel de corte del servicio
const int AJ_NIV_SEGURI = A4; //Entrada analógica para el potenciómetro de
ajuste del nivel de seguridad en el tanque (alarma)
const int AJ_HISTERISIS = A5; //Entrada analógica para el potenciómetro de
ajuste del diferencial de nivel en la comparación (histerisis)
const int POTENC_DEFECT = 2; //Entrada digital de selección de ajaustes
por potenciometros (LOW) o por defecto (HIGH)
const int RELE_MAXIMO = 3; //Salida digital para relé de nivel
máximo (tanque full)
const int RELE_SERVIC = 4; //Salida digital para relé de servicio
ON/OFF
const int RELE_SEGURI = 5; //Salida digital para relé de alarma por
nivel de seguridad
const int LED = 13; //Salida digital del Led de la
placa Arduino Uno
//Declarar las variables globales
unsigned long CLOCK; //Variable para
generar ciclos de 1000 milisegundos
int CONT_LED; //Contador para titilar Led de la placa
Arduino Uno
int NIV_TANQ; //Nivel actual del tanque
int NIV_MAXIMO; //Nivel máximo (tanque full)
int NIV_RECONE; //Nivel de reconexión del servicio
int NIV_CORTE1; //Nivel de corte del servicio
int NIV_SEGURI; //Nivel mínimo en el tanque
int HISTERISIS; //Diferencial de nivel en la comparación
(histerisis)
int SEL_POTENC; //Selección de valores de control por potenciómetros.
int M_RELE_MAXIMO; //Marca paralela al relé de nivel máximo
int M_RELE_SERVIC; //Marca paralela al relé de servicio ON/OFF
int M_RELE_SEGURI; //Marca paralela al relé de alarma por nivel
de seguridad
void setup() {
//Iniciar puerto serial (USB del PC, o similar), a 9600 baudios
Serial.begin(9600);
//Set de modos de entradas y salidas digitales
pinMode(POTENC_DEFECT, INPUT_PULLUP);
//Entrada de selección de valores de control desde potenciómetros o por
defecto
pinMode(RELE_MAXIMO, OUTPUT);
//Relé de nivel máximo (tanque full)
pinMode(RELE_SERVIC, OUTPUT);
//Relé de nivel de servicio ON/OFF
pinMode(RELE_SEGURI, OUTPUT);
//Relé de alarma por nivel de seguridad
pinMode(LED, OUTPUT);
//Led de placa Arduino Uno
//Asignar estados lógicos iniciales para las salidas digitales (los
relés de desactivan con HIGH)
digitalWrite(RELE_MAXIMO, HIGH);
digitalWrite(RELE_SERVIC, HIGH);
digitalWrite(RELE_SEGURI, HIGH);
}
void loop() {
//Leer nivel del líquido y asignar valores de control desde
potenciómetros o por defecto
NIV_TANQ = analogRead(LEER_NIV_TANQ); //Leer el sensor de nivel del
líquido y cargar valor en la variable NIV_TANQ
SEL_POTENC = digitalRead(POTENC_DEFECT); //Leer entrada de selección de control
if (SEL_POTENC == 0) { //Ejecutar cuando
esté seleccionado el control desde potenciómetros
NIV_MAXIMO = analogRead(AJ_NIV_MAXIMO); //Leer A1 (potenciómetro de ajuste del
nivel máximo) y cargar valor en la variable NIV_MAXIMO
NIV_RECONE = analogRead(AJ_NIV_RECONE); //Leer A2 (potenciómetro de ajuste del
nivel de reconexión del servicio) y cargar valor en la variable NIV_RECONE
NIV_RECONE = map(NIV_RECONE, 1, 1024, 0, 950); //Mapear rango de valores
del nivel de reconexión del servicio desde cero hasta 950
NIV_CORTE1 = analogRead(AJ_NIV_CORTE1); //Leer A3 (potenciómetro de ajuste del
nivel de corte del servicio) y cargar valor en la variable NIV_CORTE1
NIV_CORTE1 = map(NIV_CORTE1, 1, 1024, 0, 600); //Mapear rango de valores
del nivel de corte del servicio desde cero hasta 600
NIV_SEGURI = analogRead(AJ_NIV_SEGURI); //Leer A4 (potenciómetro de ajuste del
nivel de seguridad) y cargar valor en la variable NIV_SEGURI
NIV_SEGURI = map(NIV_SEGURI, 1, 1024, 0, 200); //Mapear rango de valores
del nivel de seguridad desde cero hasta 200
HISTERISIS = analogRead(AJ_HISTERISIS); //Leer A5 (potenciómetro de ajuste de
histerisis) y cargar valor en la variable HISTERISIS
HISTERISIS = map(HISTERISIS, 1, 1024, 0, 20); //Mapear rango de valores del la histérisis
desde cero hasta 20
}
else {
//Ejecutar cuando esté seleccionado el control por defecto
NIV_MAXIMO = 1000; //Cargar valor
1000 en la variable NIV_MAXIMO (máximo valor permitido = 1023)
NIV_RECONE = 700; //Cargar valor
800 en la variable NIV_RECONE
NIV_CORTE1 = 300; //Cargar valor
300 en la variable NIV_CORTE1
NIV_SEGURI = 100; //Cargar valor
100 en la variable NIV_SEGURI
HISTERISIS = 5; //Cargar valor
5 en la variable HISTERISIS
}
//Funcionamiento y comparaciones
if (NIV_TANQ >= NIV_MAXIMO) { //Accionar relé de máximo
nivel
digitalWrite(RELE_MAXIMO, LOW);
M_RELE_MAXIMO = 0;
}
if (NIV_TANQ <= (NIV_MAXIMO - HISTERISIS)) { //Apagar relé de máximo nivel
digitalWrite(RELE_MAXIMO, HIGH);
M_RELE_MAXIMO = 1;
}
if (NIV_TANQ >= NIV_RECONE) { //Accionar relé de servicio
ON/OFF
digitalWrite(RELE_SERVIC, LOW);
M_RELE_SERVIC = 0;
}
if (NIV_TANQ <= NIV_CORTE1) { //Apagar relé de servicio
ON/OFF
digitalWrite(RELE_SERVIC, HIGH);
M_RELE_SERVIC = 1;
}
if (NIV_TANQ <= NIV_SEGURI) { //Accionar relé de nivel de
seguridad
digitalWrite(RELE_SEGURI, LOW);
M_RELE_SEGURI = 0;
}
if (NIV_TANQ >= (NIV_SEGURI + HISTERISIS)) { //Apagar relé de nivel de seguridad
digitalWrite(RELE_SEGURI, HIGH);
M_RELE_SEGURI = 1;
}
//Oscilador maestro (8 segundos) e imprimir valores en el puerto serie
if (millis() - CLOCK
>= 8000) {
CONT_LED++; //Incrementar contador para
titilar Led
Serial.print("Sensor
de nivel = ");
Serial.println(NIV_TANQ);
Serial.print("***Selección de ajustes = ");
if (SEL_POTENC == 0) {
Serial.println("desde
potenciómetros***");
} else {
Serial.println(" por defecto***");
}
Serial.print("* Nivel máximo = ");
Serial.print(NIV_MAXIMO);
Serial.print(", salida del relé = ");
Serial.println(M_RELE_MAXIMO);
Serial.print("* Reconexión = ");
Serial.print(NIV_RECONE);
Serial.print(", corte = ");
Serial.print(NIV_CORTE1);
Serial.print(", salida del relé de servicio ON/OFF = ");
Serial.println(M_RELE_SERVIC);
Serial.print("* Nivel de seguridad = ");
Serial.print(NIV_SEGURI);
Serial.print(", salida del relé = ");
Serial.println(M_RELE_SEGURI);
Serial.print("*
Histérisis = ");
Serial.println(HISTERISIS);
Serial.println(
);
CLOCK = millis(); //Fin de ciclo del
oscilador maestro (igualar CLOCK con el valor actual de millis)
}
//Titilar Led
if (CONT_LED == 0) { digitalWrite(LED,
HIGH);}
if (CONT_LED >= 1) { digitalWrite(LED,
LOW);}
if (CONT_LED >= 2) { CONT_LED = 0; }
}
DISEÑO DEL MECANISMO
El mecanismo inicia desde un sistema de polea simple que realiza el
cambio de dirección de un movimiento de vertical a horizontal, que
mediante un hilo de nylon se transmitirse hasta el sistema de
enrolladores situado a distancia. La fuerza ejercida por la boya
flotante es similar que en los mecanismos anteriores, pero los
cálculos respecto al contrapeso, son afectados por la relación entre
los diámetros de enrolladores.
Diagrama de cuerpo libre:
Según los cálculos, con la masa de la boya flotante (2 Kg) más el
resultante de la conversión del contrapeso (9,5 Newton), el hilo de
nylon está sometido a una fuerza máxima de 21,79 Newton, lo cual
equivale a tensionar el hilo de nylon1 mediante 2,22 Kg de
masa, aunque dicha tensión baja hasta 1,78 Kg cuando flota la boya.
Para el presente proyecto se sugieren aproximadamente 18 metros de
hilo de nylon de 1 ó 2 milímetros espesor, lo cual supera con creces
las expectativas.
Igualmente la polea está sometida a una carga de 21,79 Newton con
ángulo de inclinación de 45 grados, así que es posible elegir
cualquiera de aproximadamente 3 ó 4 pulgadas de diámetro, las cuales
suelen soportar más de 50 libras (equivale a 222,48 Newton).
El sistema de enrolladores
está compuesto básicamente por 2 anillos de material PVC (pueden ser poleas de canales anchos, rines plásticos o de aluminio para bicicletas de niños, poleas de lavadoras, etc.), de diámetros
significativamente diferentes y acoplados mediante un eje de
transmisión preferiblemente construido con un tubo de aluminio
conduit, para instalaciones eléctricas, el cual se apoya mediante 2
cojinetes tipo chumaceras, construidos de teflón, bakelita, plástico,
o cualquier material resistente a la intemperie:
Para el enrollador1 (de mayor diámetro) se sugiere un fragmento de tubería PVC de 12 pulgadas de diámetro. Algunas tuberías son de superficie externa lisa o corrugadas, como la de la imagen siguiente, dicho corrugado tiene forma de espiral, lo cual facilita el enrollado del hilo de nylon1, pero se debe considerar para elegir la longitud de dicho anillo PVC, que según los cálculos, el hilo de nylon 1 requiere enrollar 4,04 vueltas.
Las tapas laterales se pueden construir de acetato.
Cálculos del recorrido lineal del hilo de nylon1
y número de vueltas del eje, en función del diámetro del
enrollador1 :
·
di1: diámetro interno = 12” (304,8 mm = 0,3048 m).
·
de1: diámetro externo aproximado = 315 mm (0,315 m).
·
Recorrido máximo del hilo de nylon1 (valor tomado del
cálculo de la altura del nivel útil del tanque, al final del presente
artículo) = 4 metros.
·
Recorrido por cada giro: de x π (perímetro de la
circunferencia externa del tubo).
Por cada giro, el hilo de nylon1 recorre: 0,315 m x 3,1416
= 0,989 metros.
Para 4 metros de altura, el enrollador1 debe girar: 4 m /
0,989 m = 4,04 vueltas.
Para el enrollador2 (de menor diámetro) se
sugiere un fragmento de tubería PVC de 3 pulgadas de diámetro.
Cálculos:
·
Se sabe que el eje gira 4,04 vueltas.
·
d2 : diámetro aproximado = 3” (0,0762 metros).
Por cada giro, el nylon2 recorre: 0,0762 m x 3,1416 =
0,239 metros.
Para 4,04 vueltas del eje, el nylon2 recorre: 0,239 m x
4,04 = 0,967 metros.
Cálculos de la relación entre diámetros de enrolladores
1 & 2, tensión entre hilos 1 & 2, y
masas de boya & contrapesos:
·
d1 = 0,315 metros.
·
d2 = 0,0762 metros
Relación entre ambos diámetros: d1 / d2 = 0,315
m / 0,0762 m = 4,13
Fuerza ejercida por la boya
de 2 Kg (F1) o el contrapeso de 4 Kg, en ambos
enrolladores [(F = m x g) multiplicado o dividido por 4,13 según el
caso]:
·
F2 = 4 Kg x 9,81 m/seg2 = 39,24 Newton.
Conversión para el enrollador1 : 39,24 N / 4,13 =
9,5 Newton (equivale a tensionar el nylon1 ,
mediante un contrapeso con masa de 0.968 Kg).
·
F1 = 2 Kg x 9,81 m/seg2 = 19,62 Newton.
Conversión para el enrollador2 : 19,62 N x 4,13 =
81,83 Newton (equivale a tensionar el nylon2 ,
mediante una boya con masa de 8.26 Kg).
La condición que multiplica la fuerza F1
y que incide sobre el enrollador2 e hilo de nylon2
, ocurre exclusivamente cuando la boya se suspenda en vacío, pero
debido a que el material utilizado para construir dichos enrolladores
es plástico PVC reforzado, es conveniente distribuir dicha fuerza (81,83 Newton),
duplicando el sistema de enrollado de contrapesos, con el
propósito que cada uno reciba una carga de 40,915 newton, lo que
equivale a tensionar cada hilo de nylon mediante una masa de 4,17 Kg.
También es posible incrementar del diámetro del enrollador2
, pero esta modificación aumentaría el recorrido lineal del hilo de
nylon2 , del contrapeso y la longitud de las escalas.
En las imágenes siguientes se aprecian los detalles del doble
enrollador2 .
El eje que acopla al potenciómetro mult-vueltas se fija en una de las
tapas PVC de los extremos de dicho eje de transmisión.
También es conveniente adicionar cojinetes axiales.
Las escalas lineales
de la barra indicadora de nivel se deben calcular para 1 metro de
longitud, considerando que la capacidad de almacenamiento útil es de
300.000 litros de agua, que el tanque tiene una superficie de 75 m2
y una altura de 4,5 metros.
·
Cálculo de la altura
necesaria para almacenar 300.000 litros de agua:
300.000 litros = 300 m3
300 m3 / 75 m2 =
4 m (desplazamiento lineal vertical del flotador).
·
Cálculo de progresiones
o apreciaciones para las escalas verticales, sugeridas de acuerdo a la
distancia a la cual se ubicará la barra
Altura en metros = 4 m – 0 m / 4 = 1 metros de longitud.
Litros = 300.000 L – 0 L / 4 = 75.000 Litros.
Metros cúbicos = 300 m3 – 0 m3 / 4 =
75 m3
Se muestran las equivalencias entre escalas.
Para minimizar costos,
se sugiere fijar el mecanismo mediante 2 pie de amigos, o
ángulos situados en algunas de las paredes laterales del tanque. En
este caso se sugiere fijar en una de las paredes externas de la
casilla del pozo profundo de la urbanización.
En la imagen siguiente no se muestra la fijación del potenciómetro
multi-vueltas y los orificios adicionales que se observan, sirven para
fijar el tubo PVC que muestra la escala, invierte el sentido del
posicionador indicador de nivel y protege al
contrapeso.
MECANISMO INDICADOR DE NIVEL (RESERVA DE AGUA), PARA TANQUES RESIDENCIALES
El mecanismo Nº 1 consta de un sistema que
cumple con los mismos principios del sistema de polea simple, en el
cual se aprovecha la superficie lisa del borde superior de un tanque
de agua, para deslizar un hilo de nylon que suspende un contrapeso en
el externo fuera del tanque y en el extremo opuesto suspende la
boya.
·
Marcar
una barra en 3 y 4 partes de iguales longitudes.
·
Colgar
la boya y el contrapeso en ambos extremos de la barra.
·
Fijar
la barra en un apoyo para verificar que el punto de equilibrio se ubique en aproximadamente 1/4 de su longitud total, pero nunca menor de 1/3 de dicha longitud.
En este ejemplo se usó una barra de madera de 34 cm de longitud (de un gancho de ropa) dividida en 4 partes iguales (8.5 cm C/U), un borne de plomo para baterías como contrapeso (de 140 a 200 gramos) y para la boya se usó un frasco de vidrio al cual se agregaron 21 canicas para lograr el equilibrio. Matemáticamente este procedimiento asegura que la masa de la boya sea 3 veces mayor que la masa del contrapeso, pero en el caso que la barra se divida en 3 partes iguales (11.33 cm C/U), la masa de la boya será 2 veces mayor que la masa del contrapeso.
Para evitar que la tapa del tanque cause atascamiento del hilo de nylon, se debe adicionar un espaciador construido con alambre inoxidable, cuya forma también sirva de guía de dicho hilo. El espesor del alambre inoxidable debe ser mayor que el espesor del hilo de nylon.
Por: Ing. Ramón Miranda
09/06/2020
