Diseño y construcción de un sistema automático de muestreo de agua

Diseño y construcción de un sistema automático de
muestreo de agua.
Juan Carlos Pérez, María Guadalupe Morán, Javier Salas.
Universidad Autónoma del Estado de México.
Facultad de Ingeniería.
División de Electrónica.
Dirección: Cerro de Coatepec s/n Ciudad Universitaria, Toluca, Edo. de México.
Teléfono: (01) (722) (2-14-08-55) ext. 111, (2-15-14-53) Fax (2-15-45-12)
Correo electrónico: jcjcjc63@yahoo.com, gordam1@yahoo.com.mx
Resumen. Para el estudio de algunos fenómenos en el campo de la ingeniería sanitaria es
necesario el empleo de técnicas experimentales. Una de estas es el muestreo, cuyo objetivo es
colectar una parte de materia representativa de las características de la fuente para ser
transportada y manipulada con facilidad a fin de estudiar determinados parámetros indicativos de
la calidad del agua muestreada. El Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA),
dependencia de Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México, con
frecuencia requiere recolectar muestras de agua de diferentes fuentes de manera automática y
programable. En el mercado hay una gran cantidad de muestreadores con diferentes
características, desde el manual hasta los que son programables con accionamiento y monitoreo
remoto, esto se refleja en el costo de cada uno de ellos incrementando los gastos de envío desde
el extranjero. De aquí surge la idea de realizar un proyecto propio de diseñar y construir un
sistema de control automático programable capaz de colectar muestras de agua simples y
compuestas para proyectos de investigaciones de monitoreo ambiental en el CIRA.
Palabra clave: Automatización, control con microcontrolador, aplicación del PIC.
1 Introducción
El Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) es una dependencia académica
de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México. Entre
los servicios que proporciona este centro de investigación es formar profesionistas de
alto nivel en ciencias del agua, investigaciones en la cuenca alta del Río Lerma, peritaje
y monitoreo para la aplicación de la ley al ambiente, cursos de capacitación para
técnicos en sistemas de tratamiento de aguas residuales, análisis de contaminación de
aguas residuales, asesoría para la resolución de problemas con los recursos hídricos de
la entidad. Muchas de las veces los proyectos involucran tomar muestras de agua de las
diferentes fuentes de agua para su análisis. Estas mu estras pueden ser simples (puntual
o instantánea, representa la composición de la fuente al momento y lugar de la toma), o
compuestas (representa la composición promedio de la fuente para el intervalo de
tiempo cubierto por la muestra, se forma partir de muchas muestras simples) tiene la
ventaja de reducir mucho el número de análisis. Los muestradores comerciales son

caros y requieren ser importados, tiene muchas funciones y son incluso programables.
El propósito de este trabajo es diseñar y construir un muestreador que sat isfaga las
necesidades del CIRA pero que tenga competitividad con los del mercado en cuestión
de las funciones deseadas de éste, con la tecnología existente en la División de
Electrónica de la Facultad de Ingeniería.
2 Estado del Arte
En el mercado actual los muestradores que se utilizan van desde los manuales hasta los
programables vía remota, con recolección de muestras simples o compuestas, cabe
señalar que la mayoría recolecta muestras complejas y los precios van desde los
$1,500.00 hasta $2,500.00 dólares más los gastos de importación y envío.
3 Metodología
‣ Investigación sobre el funcionamiento y tipos de muestreadores en el mercado.
‣ Solicitud de requisiciones por parte de los investigadores de CIRA sobre el
muestreador a desarrollar.
‣ Propuesta de solución del muestreador.
a) Esquema mecánico.
b) Sistema electrónica.
c) Desarrollo del software.
‣ Diseño, desarrollo y construcción de los sistemas antes mencionados.
‣ Pruebas , comparación y resultados.
‣ Conclusiones.
4 Desarrollo
El muestreador consta de un dispensador de agua el cual contiene recipientes a ser
llenados, este fue distribuido a través de 16 posiciones de 24 recipientes de 1 litro cada
uno como se muestra en la figura 1. El dispensador (o estructura que contiene los
frascos) gira a través de un motor y una transmisión los cuales en su conjunto forman el
sistema mecánico de posición. La flecha que une al dispensador y al motor a través de
la transmisión debe tener una velocidad angular mínima de 22.5 grados por minuto
debido a que es el tiempo de espera entre una muestra y la siguiente. Al aplicar una
alimentación de 12 volts al motor, el dispensador se mueve a una velocidad angular de
71 grados por minuto el cuál es suficiente para nuestro caso así como el par requerido
para mover al dispensador. El llenado de los recipientes se hace a través de mangueras
como ductos y 3 electroválvulas 2 posiciones /2 vías de ½” marca Danfoss.

El sistema de control electrónico se basa principalmente en un microcontrolador
PIC16F877 de Microchip con tecnología RISC que dispone de 33 pines de salida,
conversor analógico-digital y 8 kilobytes de memoria flash, el cual controla alarmas,
sensores, giros de motor, apertura y cierre de electroválvulas, selección de modo de
trabajo, control del teclado y visualización, calibración del sistema, detección de la
posición del dispensador, así como el monitoreo de la fuente de alimentación eléctrica.
Todo el sistema electrónico fue montado en 2 tarjetas de circuito impreso a doble cara
para eliminación de ruidos debido a los relevadores que se incluyeron en esta última
para el control de la bomba y motores del dispensador, como se muestra en la figura 2.
Todo el sistema muestreador tiene alimentación propia a través de 2 baterías de 12
volts recargables.
El desarrollo del software del sistema fue hecho en ensamblador del PIC con más de
2000 líneas de programación, constituido el programa principal integrado por 34
funciones o pequeños programas para controlar llenado de recipientes, ubicación de
posiciones, intervalos de tiempos para avanzar, apertura y cierre de válvulas,
visualización y comunicación con el usuario, detección de alarmas, restricción de
parámetros, control manual-automático, mensaje de advertencias, alarmas y ajustes de
calibración.
Los parámetros que se tomaron en cuenta para el diseño del prototipo fueron:
Que el sistema sea modular.
Que el sistema sea automático.
Que tenga comunicación con el usuario.
Que permita ser controlada por más de una técnica y sea transportable.
Que el costo sea económico y competitivo con sistemas comerciales.
5 Pruebas y resultados
Las pruebas realizadas fueron hechas por bloque del muestreador para determinar que
cumpliera con el objetivo que se diseñó, como la interfaz del usuario, sistema de
muestras, monitoreo y detección de errores y el algoritmo para simulación. Existe un
modo manual y automático, en el primero se probó paso a paso mediante la
introducción de parámetros. El sistema muestreador se construyó para cumplir las
necesidades específicas del CIRA para colectar muestras de agua simples y
compuestas, sin embargo, puede ser utilizado a una amplia gama de proyectos de
investigación o de programas de monitoreo donde se necesite muestrear aguas.
Algunas de las características más importantes son:
El tiempo de muestreo es de 39.6 horas.
El intervalo mínimo de muestreo es de 1 minuto.
Tiene autocalibración del sistema en cada ciclo.
Tiene opción de operación automático o manual.
Se puede añadir la opción de grabar algunos programas de muestreo sin modificar el
hardware.

Tiene aislamiento de etapa de control y de potencia, permitiendo manejar otro motor de
manera digital.
Para lo cuál se tomó un video para visualizar la funcionalidad del sistema.
Todo esto compitiendo con algunos muestreadores comerciales que sólo contenían
parte de estas características. En la figura 3 se muestran las partes que conforman al
muestreador completo, la interfaz del usuario, dispensador y la charola de las botellas.
6 Conclusiones
Se realizó el prototipo del muestreador de agua.
Se hizo el sistema de control automático y la interfaz con el usuario a través del cual se
introducen los datos deseados.
Se realizó un software de simulación del muestreador.
El tipo de control aplicado fue on-off con variación de tiempo para el llenado de
diferentes recipientes
El muestreador es transportable y controlado.
El trabajo fue parte de un proyecto de investigación del CIRA y una tesis de
Licenciatura .
El muestreador presenta alta resistencia mecánica y está siendo utilizado ya en el
CIRA.
Bibliografía.
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[2].- Katsuhiko Ogata. Ingeniería de control moderna, 4ª Edición, Prentice Hall, 1998.
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[5].- Microchip Technology Inc. PIC16F877X. Data Sheet 28/40-Pin 8-bit CMOS FLASH
Microcontrollers, Microchip Technology Inc., 2001.
[6].- Metcalf & Eddy. Ingeniería sanitaria. Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas
residuales, 2ª Edición, Labor, S.A., 1994.

Fig. 1. Posiciones del dispensador de agua.

Fig.2. Tarjetas de control y de potencia.
Fig. 3. Interfaz de usuario, ductos de llenado y muestreador completo.