Medición continua y monitoreo del nivel de agua en tanques de almacenamiento con sensor capacitivo construido a base de tubos de PE-Al-PE

Abstract

Este trabajo de grado presenta el desarrollo de un sensor de principio capacitivo de medición continúa construido a base de tubos de PE-Al-PE, así como su proceso de caracterización. Ubicando los tubos de manera concéntrica, con el objetivo de usar las capas de aluminio como electrodos y sus respectivos recubrimientos de polietileno como aislante del capacitor. También se diseñó un soporte mecánico para evitar fluctuaciones en la medición por contacto con el agua y facilitar el flujo del agua hacía el interior del sensor.

Posteriormente, se generó una onda de 1,55 v AC a una frecuencia de 8k Hz; la cual ingresa al circuito de acondicionamiento diseñado a base de amplificadores operacionales CMOS LF 353 con sus configuraciones como variador de fase, diferenciador, rectificador de precisión y seguidor de tensión. Adicionalmente, la señal generada también es rectificada para operar su diferencia con respecto a la señal obtenida del sensor por la variación de la capacitancia del sensor.

Para la visualización de los datos, se implementó un microcontrolador PIC 18F4550 con su configuración ADC de 10 bits, para la recepción de la señal DC obtenida en el circuito de acondicionamiento; además, el PIC transmite el dato de voltaje convertido a nivel de agua mediante un módulo USB RS 232; el cual, envía el dato de nivel de agua a la interfaz gráfica diseñada en LabView.

Finalmente, se tomaron datos obtenidos del sistema de medición para el cálculo de las características del sensor, en donde se determinó un rango de 2 cm a 80 cm, alcance de 78 cm, precisión de 0,26 pF y exactitud de 16% por parte de la sonda capacitiva, -65% de exactitud y precisión de 0,012 mV por parte del circuito de acondicionamiento. También se realizó una tabla comparativa de las características obtenidas y las de investigaciones similares, en donde se concluyó que el sensor cuenta, en su mayoría, con características aceptables.

This degree work presents the development of a capacitive principle sensor of continuous measurement built based on PE-Al-PE tubes, as well as its characterization process. Placing the tubes concentrically, with the objective of using the aluminum layers as electrodes and their respective polyethylene coatings as capacitor insulator. A mechanical support was also designed to avoid fluctuations in the measurement due to contact with water and to facilitate the flow of water into the sensor.

Subsequently, a wave of 1.55 v AC at a frequency of 8k Hz was generated, which enters the conditioning circuit designed based on CMOS LF 353 operational amplifiers with their configurations such as phase shifter, differentiator, precision rectifier and voltage follower. Additionally, the generated signal is also rectified to operate its difference with respect to the signal obtained from the sensor by varying the capacitance of the sensor.

For data visualization, a PIC 18F4550 microcontroller with its 10-bit ADC configuration was implemented to receive the DC signal obtained in the conditioning circuit; in addition, the PIC transmits the voltage data converted to water level through a USB RS 232 module, which sends the water level data to the graphical interface designed in LabView.

Finally, data obtained from the measurement system were taken to calculate the characteristics of the sensor, where a range of 2 to 80 cm, a reach of 78 cm, a precision of 0.26 pF and an accuracy of 16% were determined for the capacitive probe, -65% accuracy and 0.012 mV precision for the conditioning circuit. A comparative table of the characteristics obtained and those of similar investigations was also made, where it was concluded that the sensor has, for the most part, acceptable characteristics.