Sistema Digital de control de nivel de Agua

Este es un sistema de control automático que con el cual nosotros como usuarios, podremos mantener un control sobre el nivel de llenado de agua ya sea de un tinaco (pozo elevado) o de otro tipo, de tal manera que cuando el pozo este lleno se detenga un hidrobomba o bomba periférica para el llenado de pozos, para así evitar el sobrellenado del mismo sin que se desperdicie el agua, por otro lado, una vez que el agua se agote del pozo, hará que se active la hidrobomba nuevamente para el llenado del pozo, cumpliendo el ciclo de llenado de un pozo elevado, pero en este caso sin la intervención del hombre.

Además de lo antes mencionado se ha implementado un circuito extra censará (detectar) el nivel de agua del aljibe (cisterna) de donde se extraerá el agua para el tinaco.

Realización del Proyecto

Para proceder a diseñar el sistema de control automático es necesario tener en cuenta ciertas condiciones de operación de circuito, en otras palabras como queremos que sea el funcionamiento del circuito.

El sistema de control de nivel tiene que tener sensores de agua de modo que puedan detectar si hay o no agua en el recipiente para que opere; para esto tenemos que colocar terminales en el recipiente que al hacer o no contacto con el agua envíe un voltaje a un circuito al circuito Lógico el cual tendrá la función de recibir las señales enviadas por los sensores y procesarlas para dar una salida y determinar si encenderá o apagará a la bomba.

De esto hemos obtenido los cinco terminales claves para el funcionamiento del hidronivel:

El primer Terminal es el de masa, el cual, es colocado en el fondo del recipiente con el fin de que el líquido haga masa.

El segundo Terminal es el denominado máximo, el cual, se colocara en el lugar determinado por nosotros para que sea el nivel máximo al que nosotros queremos llenar el recipiente.

El tercer Terminal es el denominado medio, el cual, se colocara a mitad del pozo, este solo indicara el nivel medio de llenado del pozo.

El cuarto Terminal es el denominado mínimo, el cual, también será colocado a nuestro gusto para indicar el nivel mínimo de líquido.

El quinto Terminal es el comparador, el cual, será colocado en la cisterna para detectar si hay agua o no en este, si no hubiera este envía un voltaje haciendo que el circuito no funcione, para que el motor no se active este sirve de protección para la hidrobomba.

De otro modo diremos que cuando haya liquido en el recipiente, habrá conducción, al haber conducción circulara voltaje negativo a traves de los terminales antes mencionados, a esto, diremos que es un pulso negativo Cero (0).

Al contrario de esto, cuando no hay liquido, no habrá conducción, al no haber conducción, no habrá voltaje entre los terminales, entonces diremos que es un pulso positivo uno (1).

Dicho esto obtenemos las Condiciones de Operación del Diseño:

  • Queremos que se encienda el motor, cuando el nivel máximo y mínimo sean 1.
  • Queremos que se apague el motor, cuando el nivel máximo y mínimo sean 0.
  • Cuando el motor este encendido y el nivel mínimo sea 0 el motor deberá de apagarse, sólo si el nivel máximo cambia a 0.
  • Cuando el motor este apagado y el nivel máximo es igual a 1, el motor sólo deberá de encenderse cuando la condición nivel mínimo sea igual a 1.Estas condiciones se observan mejor en la siguiente tabla, en al cual se muestran los cambios de estado entre las para las dos posibles condiciones de secuencia.
    Máximo Mínimo Salida

    0

    0

    0

    1

    0

    1

    1

    1

    1

    En esta tabla podemos ver la condición no importa puesto que la condición en la que el nivel mínimo sea 0 y el nivel máximo se considera inexistente por obvias razones, para que nuestro circuito funciones tiene cumplir la condición de “Cuando llegue al nivel máximo se detenga la bomba, pero cuando disminuya siga detenida hasta el momento de que el nivel mínimo, esté el liquido por debajo de este” para que se cumpla esta condición habría que integrarle un circuito que mantenga este estado binario, para ello utilizaremos un FLIP-FLOP.

    Antes de empezar a diseñar nuestro esquema del circuito lógico tenemos que analizar el funcionamiento de los terminales de entrada, los detectores.

    Analizaremos el funcionamiento del sensor de nivel mínimo. Como podemos ver, una de las condiciones que no se podrán llevar a cabo es el que el nivel máximo este conduciendo y el nivel mínimo no, puesto que dicha situación resulta imposible, así que partiendo de eso, diremos que el sensor de nivel mínimo será el que encienda la bomba sólo si este deja de conducir, es decir cuando el agua deje de hacer contacto con él, situación que es la señal para llenar de nuevo nuestro tinaco.

    Ahora veamos que sucede con nuestro nivel máximo, como ya habíamos hecho mención anterior, este sensor podrá o no podrá estar en ON, sin ningún problema con la lógica del sistema, para cualquier combinación posible excepto una que es la que se puede apreciar en la siguiente tabla de verdad.

    Máximo Mínimo Salida

    0

    0

    0

    1

    0

    1

    1

    1

    1

     

    La función del nivel máximo es contraría a la del nivel mínimo, es decir el nivel máximo apagará el motor de la bomba para evitar un posible desbordamiento de líquido, el nivel máximo esta por debajo del borde el tinaco, por lo que en el momento en el que el agua haga contacto con el este conducirá e indicara al sistema lógico la orden de reset, es decir apaga la bomba.

    El circuito lógico tiene la misión de recibir las señales enviadas por los sensores y procesarlas para dar una salida y determinar si encenderá o apagará a la bomba, este circuito tendrá la necesidad de ser un circuito secuencial es decir cuando el nivel del agua este por arriba del mínimo al ir subiendo o por arriba del nivel del mínimo cuando venga bajando. Para estas condiciones de funcionabilidad crearemos un circuito a partir de compuertas lógicas, puesto que el hacerlo con un jk implicaría tal vez de una lógica un poco más compleja y lo que se desea es que sea económico y que funcione bien.

    Así que mas adelante se simulará la acción de dicho arreglo lógico.

    Circuito Electrónico del Sistema.

    Diagrama esquemático.

    'Sistema Digital de Control del Nivel de Agua'

    Funcionamiento.

    En primer lugar partiendo del sensor, del pozo y la cisterna sin líquido, luego en segundo lugar la cisterna llena (pozo aun vacío), en tercer lugar pozo y cisterna llenos y en cuarto lugar cuando el nivel de agua descienda en el pozo, tenemos que:

    •  
      • Cuando las entradas (terminales del pozo), no estén en conducción, no habrá circulación de voltaje entre estos (Voltaje negativo), lo cual tenemos: A la entrada existe siempre un Pulso Positivo -nivel alto o estado lógico 1-, lo cual en la primera compuerta AND (nivel de agua alto y bajo) tendremos (entradas), en los pines 1 y 2 los estados 1 1 respectivamente, a la salida de la compuerta AND obtendremos (según la tabla de verdad) el estado 1. Además del pin 2 de la compuerta AND o del punto o Terminal “alto” va conectado una compuerta inversora, teniendo en su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel 0, este nivel es entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5. en este caso las compuertas OR están conectadas de manera tal que forman un FLIP-PLOP RS, y según la tabla de verdad de este, teniendo en cuenta que la primera entrada del Filp-Flop (pin 3) el cual es el estado 1 y la segunda entrada (pin5) es 0, obtenemos a su salida (pin 4) el estado 1, esta salida va conectada al pin 4 de la segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la cisterna sin conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá el estado 1 y a su salida (pin4) el estado 0, esta va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 0, con lo cual no habrá tensión en este punto, al no haber tensión, no le llegara voltaje al resistor conectado a la salida de la segunda compuerta AND, este no le enviara la tensión necesaria al transistor con lo cual no cerrara el circuito que activa el motor, en este caso formado por el transistor Q1 la R1, R2, D1, D2 y el Relay, ya que no le llegara el voltaje necesario para que entre en funcionamiento el Relay y así activar la bomba de agua.
      • Por otro lado tenemos los visualisadores de nivel de agua, que como su mismo nombre lo indica, sirven o cumplen la función de que nosotros podamos visualizar el nivel de agua en el pozo y la cisterna. Como se podrá observar en el diagrama, en el Terminal de nivel de agua “Bajo” hemos conectado a una compuerta inversora (pin 5) teniendo presente que no hay liquido, habrá el estado 1 y a su salida (pin 6) el estado 0, este va conectado a un resistor (R3) que forma parte de un pequeño amplificador conformado por Q2, D3, R4, como no hay tensión en el resistor, no enviara voltaje a la base del transistor con lo cual no cerrara el circuito y por ende no encenderá el Diodo LED. Lo mismo sucede con el resto de visualizadores conectados en los terminales de nivel de agua (Medio, Alto y el de la cisterna) cada uno de los cuales están conectado también una compuerta inversora en la entrada de estos.
      • Cuando el nivel de agua de la cisterna este por encima del Terminal, este ya habrá entrado en conducción, indicando pues que existe tención negativa o estado 0 en este punto, el Terminal de la cisterna en conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá el estado 0 y a su salida (pin4) el estado 1, esta va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 1, con lo cual habrá tension en este punto, al haber tensión, le llegara voltaje al resistor conectado a la salida de la segunda compuerta AND, este limitara la tensión necesaria a la base del transistor con lo cual amplificara la corriente de entrada cerrara el circuito que activa el motor, enviando tensión a los diodos (Led y Diodo Switch) y al Terminal del relay al llegarle el voltaje necesario hará que funcione el Relay y así activar la bomba de agua. El diodo LED cumple la función de visualizar el nivel de agua de la cisterna, la R2 limita la tensión para el Led y polariza al Transistor Q1.
      • En el momento en que el primer Terminal (nivel bajo) del pozo entra en conducción con el agua, tendremos en la entrada de la primera compuerta AND (Pines 1 y 2) estado 0, el nivel alto aun se encuentra el estado 1, obteniendo en la salida el estado 0, como no ha habido cambios en el Terminal de nivel alto tenemos entonces a la salida de las compuertas OR (Flip-flop) el estado lógico N, quiere decir que no habrá cambios (si estaba e nivel 0 seguirá en ese nivel, si estaba en nivel 1 igual seguirá) con esto tenemos que seguirá en funcionamiento el motor.
      • Cuando el nivel de agua sobrepase el Terminal de nivel Alto, en los pines 1 y 2 de la primera compuerta AND habrán los estados 0 0 respectivamente, a la salida de la esta obtendremos el estado 0. Teniendo en cuanta el primer inversor su entrada (Pin 1) el nivel 0 y a su salida (Pin2) el nivel 1, este nivel es entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5, teniendo en cuenta que la primera entrada del Flip-Flop (pin 3) el cual es el estado 0 y la segunda entrada (pin5) es 1, obtenemos a su salida (pin 4) el estado 0, esta salida va conectada al pin 4 de la segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la cisterna en conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá el estado 0 y a su salida (pin4) el estado 1, esta va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 0, con lo cual no habrá tensión en este punto, entonces no entra en funcionamiento el Relay y así desactivar la bomba de agua.
      • Pero cuando el nivel de agua desciende en los pines 1 y 2 de la primera compuerta AND habrán los estados 0 y 1 respectivamente, a la salida de la esta obtendremos el estado 0. Teniendo en cuanta el primer inversor su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel 0, este nivel es entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5, teniendo en cuenta que la primera entrada del Filp-Flop (pin 3) el cual es el estado 0 y la segunda entrada (pin5) es 0, obtenemos a su salida (pin 4) el estado N (o sea 1), esta salida va conectada al pin 4 de la segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la cisterna en conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá el estado 0 y su salida (pin4) seguirá manteniendo el ultimo estado (0) por lo que ya se explico de que el FLIP-FLOP Tiene la peculiaridad de mantener el ultimo estado aunque se varíe uno de los terminales, esta salida va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 0, continuando la bomba apagada.
      • Para culminar, cuando desciende por completo el agua, debajo del nivel mínimo, en los pines 1 y 2 tendrán los estados 1 y 1 respectivamente, a la salida de la compuerta AND obtendremos) el estado 1. Además del pin 2 de la compuerta AND que va conectado una compuerta inversora, teniendo en su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel 0, este nivel es entregado a la entrada de las compuertas OR, al pin 5, teniendo en cuenta que la primera entrada del Filp-Flop (pin 3) el cual es el estado 1 y la segunda entrada (pin5) es 0, obtenemos a su salida (pin 4) el estado 1, esta salida va conectada al pin 4 de la segunda compuerta AND. el pin 3 de la primera inversora habrá el estado 0 y a su salida (pin4) el estado 1, esta va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 1, reseteando el Flip-Flop con lo cual habrá tensión en este punto y el motor entra nuevamente en funcionamiento.

    Más claro gráficamente:

     

    En la imagen anterior se muestra el funcionamiento del circuito sin agua en la cisterna y el pozo.

    En la imagen se muestra el funcionamiento del circuito con agua en la cisterna y sin agua en el pozo.

     

    En la figura anterior, el agua va aumentando, sobrepasa el nivel bajo, y continua activado el motor, visualizador bajo encendido.

     

    En la Fig. anterior el nivel de agua ya sobrepaso el nivel medio, aquí no ocurren cambios solo en el visualizador del mismo nivel (se enciende)

     

    En la fig. anterior el nivel de agua esta por encima del detector, el motor se desactiva, el visualizador de este nivel se activa.

     

    En la fig. anterior el agua empieza a descender debajo del nivel Alto pero no ocurren cambios, el motor continua apagado, el visualizador se apaga.

    Así se repite el ciclo de funcionamiento del sistema.

    Valores Para los componentes:

    •  
      • G-AND (1 Y 2) CIRCUITO INTEGRADO 7408
      • G-OR (1 Y 2) “ “ 7402
      • G-NOT (1, 2 , 3, Y 4) “ “ 7404
      • Transistores Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 – BC548
      • Resistores R2, R4, R6, R8, R10 – 1K
      • Resistores R3, R5, R7, R9, R11 – 220
      • Diodos D1 ,D2, D3, D4 – 1N4004
      • Diodos D6, D7 ,D8, D9, D10, D11 – LED’S
      • Diodo D5 – 1N4148
      • Condensador C1 – 2200F
      • Relay

    Presupuesto:

    - 3 Circuitos Integrados (7402, 7408 y 7404) 09.00

    - 5 Resistores – 1 k 00.50

    - 5 Resistores – 220  00.50

    - 1 Resistor – 1.2 K 00.10

    - 1 Condensador 2200F 02.00

    - 6 LED 01.80

    - 1 Diodo – 1N4148 00.50

    - 4 Diodos – 1N4004 01.00

    - 5 Transistores – BC548 02.50

    - 1 Transformador – 220/3-0-3 12.00

    - 1 Relay 05.00

    - Placa impreso 02.00

    - Acido ferrico 03.00

    - Otros 05.00

    Total 44.90

    Aplicaciones.

    •  
      • Básicamente el uso que se le da es domestico, para llenado de pozos en el hogar.

    Ventajas

    1.- Comodidad para estar revisando el aljibe al momento de arrancar el motor de la bomba.
    2.- Hacer que el llenado del tinaco sea de manera automática sin la necesidad de nosotros conectar dicha bomba.
    3.- Un precio bastante bajo.


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