DISEÑO DE UN BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE …

DISEÑO DE UN BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS

ANALÓGICOS MEDIANTE EL USO DE INFRAESTRUCTURA IOT EN UN

LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN.

CAROL STEPHANIE PERTUZ OROZCO

JUAN MANUEL SALGUERO NOVA

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

2021

2

DISEÑO DE UN BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS

ANALÓGICOS MEDIANTE EL USO DE INFRAESTRUCTURA IOT EN UN

LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN.

CAROL STEPHANIE PERTUZ OROZCO

JUAN MANUEL SALGUERO NOVA

Proyecto integral de grado para optar por el título de

INGENIERO MECÁNICO

Director

WILMAR MARTINEZ URRUTIA

Ingeniero Electrónico

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

2021

3

Nota de aceptación:

________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________

________________________________ Firma del presidente del jurado

________________________________ Miguel Alfonso Morales Granados

________________________________ Jair Leopoldo Loaiza Bernal

Bogotá D.C, Enero del 2021

4

DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD

Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. MARIO POSADA GARCÍA-PEÑA

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. LUIS JAIME POSADA GARCÍA-PEÑA

Vicerrector Académico y de Investigaciones

Dra. MARÍA CLAUDIA APONTE GONZÁLEZ

Vicerrector Administrativo y Financiero

Dr. RICARDO ALFONSO PEÑARANDA CASTRO

Secretario General

Dra. ALEXANDRA MEJÍA GUZMÁN

Decano General Facultad de Ingenierías

Ing. JULIO CESAR FUENTES ARISMENDI

Director del Programa de Ingeniería Mecánica

Ing. CARLOS MAURICIO VELOZA VILLAMIL

5

Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y los docentes

no son responsables por las ideas y conceptos emitidos en el presente documento.

Estos corresponden únicamente al autor.

6

DEDICATORIA

Primero que nada, a Dios y a la Vírgen por bendecirnos en este camino, por bendecir

este proyecto, con sabiduría y con paciencia, por no abandonarnos y permitirnos

culminarlo.

Por ti Cucú, que aunque no estés aquí en vida, siempre te recordaré y yo sé que

desde el cielo me has estado ayudando y guiando. ¡Te amo! Y también por usted,

Avi, han sido tiempos difíciles, pero tanto que usted ha aguantado y esta no va a

ser en la que se va a rendir, lo admiro por ser un hombre tan fuerte y un hombre

que a su edad todavía sigue activo; lo quiero seguir viendo por muchos años más a

nuestro lado y saliendo a caminar como tanto le gusta, procuraré estos años

acompañarlo y ser una buena nieta, ¡lo quiero!

A mi familia, en especial a mi mamá, que durante este camino a ser profesional me

apoyó moralmente y económicamente para que este sueño se hiciera realidad.

Gracias por tu gran esfuerzo y responsabilidad para darnos lo mejor.

Para mi gordo también va esta dedicatoria, gracias por tu apoyo incondicional en

cualquier aspecto, por estar ahí en las verdes y en las maduras, por demostrar el

hombre tan maravilloso que eres y lo que vales. Tú mismo sabes que hombres como

tú, muy pocos, doy gracias a Dios por haberte conocido en esta misma Universidad

y ahora por tenerte a mi lado ya por bastante tiempo. ¡Te amo un montón!

Carol

7

DEDICATORIA

Primero que todo agradecerle a Dios por permitir culminar de la mejor manera esta

etapa de mi vida, por hacer su voluntad con nuestro proyecto y por habernos guiado

de la mejor manera para afrontar las dificultades que se presentaron para el

desarrollo del mismo.

Una especial dedicatoria para mi mamá que sin las enseñanzas ni los esfuerzos

que mutuamente hicimos no se habría podido conseguir este crecimiento

profesional, te digo que eres mi modelo a seguir y la persona que más admiro en

este mundo, te amo muchísimo y estaré eternamente agradecido por brindarme lo

mejor.

Para mi nono que por poco no pudiste ver a tu nieto culminar sus estudios, pero sin

embargo sé que desde donde estés me veras y estarás orgulloso del nieto que

tenías.

Juan Manuel

8

AGRADECIMIENTOS

Un especial agradecimiento a nuestro director, el Ingeniero Wilmar Martínez Urrutia,

quien es un excelente profesional y una persona extraordinaria. Gracias por hacer

éste proyecto, realidad, por esos días y horas que sacó de su tiempo en especial en

esta pandemia, para colaborarnos de la mejor manera y con una buena actitud a

sacar adelante este banco didáctico.

Agradecemos a toda la comunidad de la Universidad de América por comprender la

situación que estamos enfrentando en estos momentos de pandemia, por

extendernos el plazo de entrega y en especial al Ingeniero Carlos Mauricio Veloza

por toda su ayuda y gestión en éste proceso.

Juan Manuel y Carol

9

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 19

OBJETIVOS 20

1. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN, E

INFRAESTRUCTURA IoT 21

1.1 PROCESO ANALÓGICO 21

1.2 PROCESO DIGITAL 24

1.3 MEDICIÓN DE CAUDAL 27

1.3.1 Elementos deprimógenos. 27

1.3.2 Medidor de flujo electromagnético 30

1.3.3 Medidores de flujo tipo turbina 33

1.4. MEDICIÓN DE NIVEL 35

1.4.1 Ultrasonido 35

1.4.2 Radar 37

1.4.3 Conductancia. 37

1.5 MEDICIÓN DE PRESIÓN 39

1.5.1 Presión diferencial 39

1.5.2 Presión hidráulica 43

1.6 INFRAESTRUCTURA IoT 46

1.6.1 Internet de las Cosas (IoT). 46

1.6.2 PLC (programable Logic Controller) 49

1.6.3 LabVIEW 51

1.6.4 Arduino 53

2. DISEÑO CONCEPTUAL Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS PARA

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN, E

INFRAESTRUCTURA IoT 56

2.1 PARÁMETROS DE OPERACIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO 57

2.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN 58

2.3 SELECCIÓN DE LOS MÉTODOS 58

2.3.1 Selección método de caudal 59

10

2.3.2 Selección método de presión 60

2.3.3 Selección método de nivel 61

3. DISEÑO DEL BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL Y MONITOREO

DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN INTEGRANDO INFRAESTRUCTURA IoT 64

3.1 ESTRUCTURA DEL BANCO DIDÁCTICO 64

3.2 DISEÑO DE LOS TANQUES 65

3.2.1 Diseño Tanque Superior 65

3.2.2 Diseño Del Tanque Inferior 69

3.3 SIMULACIÓN DEL ENSAMBLE DE LA ESTRUCTURA 71

3.3.1. Análisis de resultados de la simulación 77

3.4 SOLDADURA DE LA ESTRUCTURA 78

3.5 DISEÑO DEL MÓDULO IOT 93

3.6 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 99

3.7 SELECCIÓN DE BOMBA 101

3.7.1 Pérdidas del sistema 102

3.7.2 Curva de comportamiento bomba ZYW – 680 109

3.8 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES

SELECCIONADOS 111

3.8.1 Sensor de presión MPX5100DP 112

3.8.2 Sensor de flujo YF-S201 114

3.8.3 Sensor de nivel HC-SR04 118

3.9 PROGRAMACIÓN DE LAS SALIDAS ANÁLOGAS 121

3.9.1 Programación de la bomba 121

3.10 PROGRAMACIÓN DEL DAC MCP 4725 123

3.11 ETAPA DE POTENCIA 125

3.12. PROGRAMACIÓN FINAL 126

3.13 CÁLCULO DEL DIÁMETRO PARA EL TUBO DE REBOSADERO 129

4. VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DIDÁCTICO

MEDIANTE LA EJECUCIÓN DE UNA GUÍA DE LABORATORIO 131

11

5. REALIZACIÓN DEL ANÁLISIS DE COSTOS, EL IMPACTO AMBIENTAL

DEL PROYECTO Y LOS MANUALES DE MONTAJE Y MANTENIMIENTO 133

5.1 MANUAL DE MANTENIMIENTO 133

5.2. MANUAL DE MONTAJE 137

5.3 IMPACTO AMBIENTAL 144

5.3.1 Cálculo de Huella de Carbono 144

5.3.1.1 Fuentes de generación 144

5.3.1.2 Actividades 145

5.3.1.3 Factores de conversión 145

5.3.2 Impacto ambiental del proyecto 147

5.4 ANÁLISIS DE COSTOS 147

6. CONCLUSIONES 152

7. RECOMENDACIONES 153

BIBLIOGRAFÍA 155

ANEXOS 159

12

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Medición de temperatura por medio de un proceso análogo. 23

Figura 2. Tacómetro. 23

Figura 3. Anemómetro. 24

Figura 4. Parqueadero en un centro comercial. 26

Figura 5. Biblioteca. 27

Figura 6. Elemento placa orificio. 28

Figura 7. Tubo Venturi. 28

Figura 8. Elemento boquilla y codo. 29

Figura 9. Medidor de flujo electromagnético accionado por baterías Siemens. 31

Figura 10. Medidor tipo turbina. 33

Figura 11. Medidor de flujo tipo turbina. 35

Figura 12. Montajes posicionales método de medición de nivel por ultrasonido. 36

Figura 13. Método de medición de nivel tipo conductancia. 38

Figura 14. Presión diferencial. 39

Figura 16. Monitoreo de filtros. 41

Figura 17. Medidor de presión sanguínea. 42

Figura 18. Principio de funcionamiento de medidores de caudal por presión

diferencial. 43

Figura 19. Aplicación para medición de presión hidráulica. 44

Figura 20. Medidor de nivel por presión hidráulica. 45

Figura 21. Medidor de purga continua. 46

Figura 22. Internet de las Cosas. 47

Figura 23. PLC. 49

Figura 24. Arduino. 54

Figura 25. Esquema del diseño conceptual del proyecto. 56

Figura 26. Diagrama de proceso. 57

Figura 27. Isométrico de la estructura del banco didáctico. 64

Figura 28. Isométrico del ensamble de la estructura con los elementos sometidos a

fuerzas. 65

Figura 29. Tanque superior. 66

Figura 30.Tanque inferior. 70

Figura 31. Enmallado de la estructura. 73

Figura 32. Enmallado de la estructura (continuación). 73

Figura 33. Carga del tanque superior. 74

Figura 34. Carga del tanque inferior. 74

Figura 35. Restricciones de desplazamientos. 75

Figura 36. Deformación en la estructura. 75

Figura 37. Esfuerzos de la estructura. 76

13

Figura 38. Deformaciones en la estructura. 76

Figura 39. Gráfica de esfuerzo vs deformación. 78

Figura 40. Factores geométricos para el análisis de soldadura. 79

Figura 41. Parámetros de soldadura. 80

Figura 42. Fórmula para la fuerza x Pulgada de la soldadura. 81

Figura 43. Diagrama de soldadura para el tanque superior. 83

Figura 44. Diagrama de cuerpo libre de los soportes del tanque superior. 83

Figura 45. Referenciación de nodos para el soporte del tanque superior. 84

Figura 46. Diagrama de soldadura para el tanque inferior. 86

Figura 47. Diagrama de cuerpo libre de los soportes del tanque inferior. 86

Figura 48. Referenciación de nodos para el soporte del tanque inferior. 87

Figura 49. Tipo de electrodo. 91

Figura 50. Tamaños mínimos de cordón de soldadura. 93

Figura 51. Plano de conexionado de componentes del módulo IoT. 94

Figura 52. Plano de conexionado de componentes del módulo IoT (parte

posterior). 95

Figura 53. Arduino Shield Ethernet W5100. 96

Figura 54. Montaje del Arduino con el Shield Ethernet W5100. 97

Figura 55. Caja del módulo IoT. 98

Figura 56. Plano eléctrico y electrónico del módulo IoT. 99

Figura 57.Diagrama del sistema de control gama partida. 100

Figura 58. Diagrama del sistema de control. 101

Figura 59. Puntos 1 y 2 para ecuación de Bernouilli (la medida en milímetros). 103

Figura 60. Díámetro interior de tubería PVC 1/2 in. 104

Figura 61. Curva de comportamiento de la bomba ZYW-680. 110

Figura 62. Montaje para la calibración del sensor de presión. 113

Figura 63. Programación en el programa Arduino del sensor MPX5100DP. 114

Figura 64. Programación de calibración del sensor de flujo YF-S201. 115

Figura 65. Método de calibración del sensor de flujo. 116

Figura 66. Programación del sensor de flujo YF-S201. 118

Figura 67. Pruebas del sensor de nivel HC-SR04 (distancia del sensor al

cuaderno). 119

Figura 68. Programación del sensor HC-SR04. 121

Figura 69. Grafica Voltaje Vs Caudal de la bomba. 122

Figura 70. Programación de la bomba. 123

Figura 71. Componente DAC 4725. 124

Figura 72. Conexión de DAC con el Arduino. 125

Figura 73. Transistor IRF510. 126

Figura 74. Programación completa para el módulo IoT. 127

Figura 75. Programación completa para el módulo IoT (continuación). 127


14



Figura 79. Montaje de la estructura. 137

Figura 80. Montaje de las láminas. 138

Figura 81. Montaje de soporte del tanque superior y su base. 138

Figura 82. Montaje del tanque superior. 139

Figura 83. Montaje del tubo de desagüe del tanque superior. 139

Figura 84. Montaje del tanque inferior. 140

Figura 85. Montaje del sensor de nivel. 140

Figura 86. Montaje del sensor de presión. 141

Figura 87. Montaje sensor de flujo. 141

Figura 88. Montaje de la bomba. 142

Figura 89. Montaje del módulo IoT. 142

Figura 90. Montaje de la válvula solenoide. 143

Figura 91. Montaje de la válvula de bola. 143

Figura 92. Banco didáctico con todos los montajes. 144

Figura 93. Tabla factores de conversión de emisión de CO2. 146

15

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 8. Matriz PUGH para nivel. 62

Tabla 9. Conclusión para Matriz PUGH para nivel. 62

Tabla 15. Resultados momento flector máximo tanque inferior. 89

Tabla 17. Resultados fuerza de flexión del tanque inferior. 90

Tabla 26. Calibración de resultados del sensor de presión. 112

Tabla 28. Tabla de Voltaje vs Caudal de la bomba. 122

Tabla 29. Total kg de CO2. 146

Tabla 30. Costos de los elementos de la estructura. 148

Tabla 32. Costo de los componentes de distribución de agua. 149

Tabla 33. Costo de fabricación. 150

Tabla 35. Costo del proyecto. 151

16

LISTA DE ECUACIONES

pág.

Ecuación 1. Relación entre radio interno y espesor. 67

Ecuación 2. Presión mediante la altura de un fluido. 67

Ecuación 3. Esfuerzo tangencial promedio. 68

Ecuación 4. Esfuerzo tangencial máximo. 68

Ecuación 5. Esfuerzo longitudinal. 69

Ecuación 6. Presión en términos de fuerza y el área. 72

Ecuación 7. Factor de seguridad. 77

Ecuación 8. Área efectiva de la soldadura. 80

Ecuación 9. Momento resistente elástico de la soldadura. 80

Ecuación 10. Fuerza cortante. 81

Ecuación 11. Carga distribuida superior. 82

Ecuación 12. Carga puntual superior. 82

Ecuación 13. Carga distribuida inferior. 85

Ecuación 14. Carga puntual inferior. 85

Ecuación 15. Ecuación del momento flector máximo. 89

Ecuación 16. Ecuación de fuerza de flexión por pulgada. 89

Ecuación 17. Fuerza resultante en soldadura. 90

Ecuación 18. Ancho del cordón de soldadura. 92

Ecuación 19. Bernouilli para sistemas de tuberías. 102

Ecuación 20. Ec. 10 adaptada al proyecto. 103

Ecuación 21. Número de Reynolds. 104

Ecuación 22. Pérdidas primarias. 105

Ecuación 23. Factor de fricción para régimen turbulento. 105

Ecuación 24. Pérdida con longitud equivalente. 106

Ecuación 25. Pérdidas con factor K. 107

Ecuación 26. Potencia requerida de la bomba. 108

Ecuación 27. Constante de calibración del sensor de flujo. 116

Ecuación 28. Velocidad por medio de la distancia y tiempo. 119

Ecuación 29. Distancia recorrida del sensor de nivel HC-SR04. 120

Ecuación 30. Distancia teniendo en cuenta velocidad del sonido. 120

Ecuación 31. Distancia despejada de la Ecuación 23. 120

Ecuación 32. Consumo eléctrico. 145

Ecuación 33. kg de CO2. 146

17

LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1. Ventajas y desventajas del proceso analógico. 22

Cuadro 2. Ventajas y desventajas del proceso digital. 25

Cuadro 3. Ventajas y desventajas de los elementos deprimógenos. 29

Cuadro 4. Ventajas y desventajas del medidor de flujo electromagnético. 32

Cuadro 5. Ventajas y desventajas del medidor de flujo por turbina. 34

Cuadro 6. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por ultrasonido. 36

Cuadro 7. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por radar. 37

Cuadro 8. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por conductancia. 38

Cuadro 9. Ventajas y desventajas de la medición de presión diferencial. 40

Cuadro 10. Ventajas y desventajas de la medición de presión hidráulica. 44

Cuadro 11. Ventajas y desventajas de la infraestructura IoT. 48

Cuadro 12. Ventajas y desventajas del PLC. 50

Cuadro 13. Ventajas y desventajas del software LABVIEW. 52

Cuadro 14. Ventajas y desventajas del microcontrolador Arduino. 55

Cuadro 15.Criterios de selección del método. 58

Cuadro 16. Manual de inspección de mantenimiento para el banco didáctico. 133

Cuadro 16. (Continuación). 134



Cuadro 17. Consumo de energía en actividades de fuentes de generación de GEI.

145

Cuadro 18. Impacto ambiental. 147

18

RESUMEN

Este proyecto nace de la necesidad de realizar un laboratorio remoto para las

asignaturas de Instrumentación Virtual e Instrumentación, en donde los estudiantes

pudieran aplicar los conocimientos vistos en estas materias y replicarlos tanto en

las tarjetas de National Instruments con el programa LabView o también realizarlo

por medio de los PLC que están en la Universidad de América. Teniendo tres

variables que pueden monitorear a través de un programa como lo es TemViewer o

si están dentro de la cobertura de la red LAN del módulo.

Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los diferentes parámetros y

requerimientos para el desarrollo del banco didáctico, siendo de utilidad algunos

componentes ya existentes en el laboratorio de Instrumentación y control de

procesos de la Universidad.

Luego, se realizó la evaluación de las alternativas para la medición de las variables

físicas manejadas en el banco (caudal, nivel y presión), lo cual da paso a la

validación de la estructura, por el método de los elementos finitos, y la selección de

los sensores adecuados para la medición de las variables. Una vez realizado lo

anterior, se realizó el programa donde se pudiera incluir el control, tanto remoto

como presencial, por medio de LabView y los PLC y el monitoreo por medio de WiFi

con cobertura LAN o desde los mencionados anteriormente.

Finalmente, se realizó una guía de laboratorio que tiene como función validar el

banco didáctico y su funcionamiento, también se realizó el manual de montaje, de

mantenimiento y por último, el análisis de costos del proyecto.

Palabras clave: Módulo didáctico, nivel, presión, caudal, PLC, LabView, WiFi,

monitoreo remoto, control.

19

INTRODUCCIÓN

Para la ingeniería de hoy en día es cada vez más relevante y determinante las

tecnologías de información, por el hecho de la inclusión de componentes más

modernos y versátiles logrando así que la industria este en crecimiento

progresivamente. Además de la contribución industrial, la inclusión de la industria

4.0 permite la adquisición de competencias que los futuros profesionales que van a

laborar en una industria, en un futuro les permitan desenvolverse en un entorno

donde a diario el surgimiento de nuevas tecnologías es pan del día a día,

permitiendo así la formación de ingenieros de primer nivel con mentalidad

innovadora y enfocados hacia un desarrollo tecnológico, lo cual es un valor

agregado para las industrias.

Este documento quiere dar a entender que los avances con respecto a las

tecnologías de la información (TIC), en las cuales necesitan de habilidades técnicas,

analíticas y de liderazgo que son interdisciplinarias para la Ingeniería Mecánica,

para ello se elaborará un dispositivo IOT que permitirá la implementación de

estrategias de control para procesos analógicos, en las cuales se presentará

conocimientos para su elaboración en las áreas de electrónica, neumática,

instrumentación, automatización e instrumentación virtual, las cuales son un gran

porcentaje de materias que involucra una de las líneas de investigación de la

Ingeniería Mecánica en la Universidad de América como lo es la automatización,

además habrá un pequeño aporte del diseño mecánico y selección de materiales

para el diseño del soporte.

El poder contar con un banco de prácticas para el control de variables analógicas

en el laboratorio de Automatización industrial de la Fundación Universidad de

América, permitirá interactuar con variables de proceso, no solo a través de

estrategias ON-OFF, sino que además se podrán diseñar y aplicar estrategias de

control sobre procesos industriales de manera analógica. Esto como posible

solución a la falta de procesos de este tipo dentro de la institución académica.

Adicionalmente se aprovecharían los recursos actuales de la universidad, al integrar

las salidas y entradas analógicas de los módulos disponibles, que hoy en día no se

están empleando en las asignaturas del programa de Ingeniería Mecánica, por falta

justamente de procesos continuos para controlar o monitorear.

Finalmente, teniendo en cuenta la necesidad de la Fundación Universidad de

América de incursionar en la Industria 4.0, se decidió incorporar al banco de control

propuesto, una infraestructura IoT que asegure la transición tecnológica, a la par del

monitoreo y control de variables analógicas remotamente.

20

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un banco didáctico para el control de procesos analógicos mediante el uso

de infraestructura IoT en un laboratorio de automatización.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Caracterizar los métodos de medición de caudal, nivel y presión, e

infraestructura IoT.

2. Realizar el diseño conceptual y la evaluación de alternativas para el control de

procesos analógicos mediante el uso de infraestructura IoT.

3. Diseñar un banco didáctico que permita el control y monitoreo analógico, para

las variables de nivel, caudal y presión integrando tecnología IoT.

4. Validar el funcionamiento del banco didáctico mediante la ejecución de una guía

de laboratorio, que permita el control y monitoreo de variables de procesos.

5. Realizar el análisis de costos, el impacto ambiental del proyecto y los manuales

de montaje y mantenimiento.

21

1. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN, E INFRAESTRUCTURA IoT

Antes de caracterizar los métodos de medición de éstas tres variables y de

infraestructura IoT, se deben caracterizar los procesos digitales y los analógicos, ya

que éste último es el proceso que se va a utilizar en éste proyecto para controlar las

variables del banco didáctico.

A continuación se hará la respectiva caracterización:

1.1 PROCESO ANALÓGICO

Se le conoce a un proceso análogo a aquel proceso que varía en magnitudes o

valores con el paso de tiempo de forma continua, éstas magnitudes vienen

determinadas por un rango de operación que se establece según las condiciones

en las que el proceso es evaluado, en donde se encuentran unos ejemplos de

procesos análogos como lo son la distancia, la temperatura y la velocidad, que

varían dependiendo de un factor llamado tiempo, ya que las condiciones van

cambiando a medida que este va fluyendo1.

En la tabla que estará a continuación, se mostrará el resumen de las principales

ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en TODO INGENIERÍA

INDUSTRIAL2:

1 UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DE VALENCIA [sitio web]. Señal Analógica. Disponible en: https://www.universidadviu.com/diferencias-senal-analogica-digital/ 2 TODO INGENIERIA INDUSTRIAL [sitio web]. DIFERENCIA, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE

INSTRUMENTOS ANALÓGICOS Y DIGITALES. Disponible en:

https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/metrologia-y-normalizacion/2-4-diferencia-ventajas-

y-desventajas-de-instrumentos-analogicos-y-digitales/

https://www.universidadviu.com/diferencias-senal-analogica-digital/

https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/metrologia-y-normalizacion/2-4-diferencia-ventajas-y-desventajas-de-instrumentos-analogicos-y-digitales/


22

Cuadro 1. Ventajas y desventajas del proceso analógico.

Ventajas Desventajas

Los instrumentos de medición suelen tener bajo costo.

No suelen dar cifras muy exactas porque presentan poca resolución y normalmente dan datos con tres cifras.

Varios elementos de medición no necesitan un medio de alimentación.

En algunos casos es difícil de calibrar.

No son rudimentarios y no necesitan una gran tecnología.

En las lecturas se presentan errores graves cuando el instrumento tiene varias escalas.

Presentan con facilidad las variaciones cualitativas de los parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o disminuye.

La rapidez de lectura es baja.

Es de fácil adaptación en los diferentes tipos de escalas no lineales.

No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos de tipo digital.

Fuente: elaboración propia.

Algunas aplicaciones de éste proceso se mencionarán a continuación:

APLICACIONES

Medición de temperatura

La medición de temperatura es considerada una de las operaciones análogas más

comunes, desde medir la temperatura de un ambiente hasta medir la temperatura

de un objeto, ¿por qué se le dice que es un proceso análogo?, por el hecho que

puede tomar una infinidad de valores, que puede tomar cualquier valor en un rango

establecido, y para llevar a cabo esta medición se debe tener un instrumento que

permita la lectura de estos datos y el más común es el termómetro, pero también se

encuentra el termopar y pirómetro.

23

Figura 1. Medición de temperatura por medio de un proceso análogo.

Fuente: FÍSICA DE FLUIDOS Y

TERMODINÁMICA [sitio web]. TERMÓMETRO.

[Consulta: 10 de diciembre 2019]. Disponible

en:

https://mauriciomedinasierra.wordpress.com/s

egundo-corte/conceptos/termometro/

Medición de velocidad

Otra medición común en un proceso analógico es el de la velocidad, donde este se

le realiza a un objeto que lleva energía cinética ya sea por cuenta de la gravedad o

por un sistema que permita el movimiento del objeto, entre los elementos más

comunes para medir la velocidad se encuentra el velocímetro, el anemómetro y el

tacómetro.

Figura 2. Tacómetro.

Fuente: Instrumentos de medición.

[sitio web]. Instrumentos para medir

Velocidad. [Consulta: 10 de

diciembre 2019]. Disponible en:

https://instrumentosdemedicion.org/

velocidad/

https://mauriciomedinasierra.wordpress.com/segundo-corte/conceptos/termometro/

https://mauriciomedinasierra.wordpress.com/segundo-corte/conceptos/termometro/

https://instrumentosdemedicion.org/velocidad/


24

Figura 3. Anemómetro.

Fuente: Instrumentos de

medición. [sitio web].

Instrumentos para medir

Velocidad. [Consulta: 10 de


https://instrumentosdemedicion

.org/velocidad/

1.2 PROCESO DIGITAL

Se habla de un proceso digital cuando el valor a buscar es discreto, en la cual solo

puede ser de forma numérica y está determinada por un rango que se establece

según las condiciones en las que el proceso es evaluado, donde se encuentran

ejemplos de procesos digitales como cantidad de libros en una biblioteca, carros en

un estacionamiento, todos los datos van a ser discretos3.


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en VELOSO, Cristian4:

3 UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DE VALENCIA. [sitio web]. Señal Digital. Disponible en:

https://www.universidadviu.com/diferencias-senal-analogica-digital/ 4 VELOSO, Cristian. ETools [sitio web]. Señales Analógicas y Digitales.2017. Disponible en:

https://www.electrontools.com/Home/WP/2017/05/30/senales-analogicas-y-digitales/





25

Cuadro 2. Ventajas y desventajas del proceso digital.


Su resolución es alta, puede dar nueve cifras en los datos.

Sus elementos de medición suelen ser costosos.

Pueden eliminar posibles errores por confusión de escalas.

Su construcción es compleja.

Lectura rápida.

Las escalas no lineales son difíciles de introducir.

Puede entregar información digital para procesamiento inmediato en computadora.

En todos los casos requieren de fuente de alimentación.


Algunas aplicaciones de éste proceso se mencionarán a continuación:

APLICACIONES

Conteo de automóviles en un parqueadero

Un ejemplo de un proceso digital se le da al conteo de carros en un parqueadero ya

sea de un centro comercial, un estadio o un sitio común de parqueo, este funciona

de manera en la que los conductores saben en qué sitios hay cupo para

estacionarse y cuantos cupos queda en dicho piso en dicha zona y en la fila. Donde

su medición es discreta, por el hecho de que siempre va a dar un número entero,

es decir, el sistema va a proporcionar datos como: 30 cupos disponibles y no 30.5

cupos disponibles.

26

Figura 4. Parqueadero en un centro comercial.

Fuente: CARACOL RADIO [sitio web]. Listo decreto para aumentar

tarifas de parqueaderos en Bogotá. [Consulta: 10 de diciembre 2019].

Disponible en:

https://caracol.com.co/emisora/2019/03/28/bogota/1553787583_86411

6.html

Conteo de libros en una biblioteca

Otro ejemplo para el proceso digital se le da al conteo de libros en una biblioteca,

desde cuantos hay por cada uno, cuales están disponibles hasta el tiempo en el

cual regresan de su préstamo, todos estos datos son discretos, todos estos datos

se deben a un programa el cual se encarga del monitoreo del mismo gracias a una

base de datos de la misma biblioteca.

https://caracol.com.co/emisora/2019/03/28/bogota/1553787583_864116.html

https://caracol.com.co/emisora/2019/03/28/bogota/1553787583_864116.html

27

Figura 5. Biblioteca.

Fuente: Republica [sitio web]. Qué es

Arduino, cómo funciona y qué

puedes hacer con uno. [Consulta: 10

de diciembre 2019].

http://arealibros.republica.com/libros/

esta-familia-dono-mas-de-300-libros-

a-la-biblioteca.html

1.3 MEDICIÓN DE CAUDAL

Para medir caudal existen varios métodos:

1.3.1 Elementos deprimógenos. Deprimógeno significa: elemento primario cuya

instalación produce una diferencia de presiones (pérdida de carga), que se vincula

con el caudal que circula, en una relación determinable5.

Éstos elementos funcionan cuando una corriente de flujo se restringe, su presión

disminuye por una cantidad que depende de la velocidad de flujo a través de la

restricción, por lo tanto la diferencia de presión entre los puntos antes y después

dela restricción puede indicar la velocidad de flujo6. Este medidor maneja un rango

de medida de acuerdo a la norma ISO 5167-4.

Los elementos más utilizados en las plantas de proceso son:

Placa orificio: Consiste en una placa perforada que está instalada en la tubería

por donde circula el fluido.

5 UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES. Medición de caudal. Disponible en: http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionCaudal1.pdf 6 PÉREZ, Amilear y CIFUENTES, Jorge. MEDIDORES DE FLUJO. Universidad de San Carlos de Guatemala.

http://arealibros.republica.com/libros/esta-familia-dono-mas-de-300-libros-a-la-biblioteca.html



http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionCaudal1.pdf

28

Figura 6. Elemento placa orificio.

Fuente: UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES. Medición de

caudal. Disponible en:

http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionCauda

l1.pdf

Tubo Venturi.

Figura 7. Tubo Venturi.

Fuente: UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES. Medición

de caudal. Disponible en:

http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionC

audal1.pdf

29

Boquilla y codo.

Figura 8. Elemento boquilla y codo.

Fuente: UNIVERSIDAD DE

BUENOS AIRES. Medición de

caudal. Disponible en:

http://materias.fi.uba.ar/7609/mate

rial/S0305MedicionCaudal1.pdf


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en Automatización y

control7:

Cuadro 3. Ventajas y desventajas de los elementos deprimógenos.


Sencillez de construcción, no hay partes móviles.

No válidos para condiciones de proceso (presión, temperatura, densidad, etc.) cambiantes.

Tecnología sencilla.

Producen caídas de presión no recuperables.

Baratos para grandes dimensiones de tuberías.

Señal de salida no es lineal (hay que extraer su raíz cuadrada).

Válidos para casi todas las aplicaciones.

Se necesita un flujo laminar, es decir, tramos rectos de tuberías antes y después del elemento.

Menos precisión que otras tecnologías.


7 AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL [sitio web]. Medidores deprimógenos. Disponible en: https://sites.google.com/site/automatizacionycontrol4/medidas-de-caudal/medidores-deprimogenos

https://sites.google.com/site/automatizacionycontrol4/medidas-de-caudal/medidores-deprimogenos

30

APLICACIONES

Sistemas de acueducto.

Sistemas de ventilación.

Tuberías en sistemas industriales.

Control en flujo de tubería.

Perlizadores (dispositivos que disminuyen el consumo de agua).

Anemómetros.

Medición de velocidad en un automóvil.

1.3.2 Medidor de flujo electromagnético. Su principio de funcionamiento está

basado en la Ley de Faraday, él descubrió que cuando un conductor corta las líneas

de flujo magnético, se produce una fuerza electromotriz (FEM) entre los extremos

conductores8, es decir, que en el caso de los medidores de flujo bajo éste principio

de funcionamiento, al pasar un fluido conductivo por un campo magnético se

produce una FEM, directamente proporcional a la velocidad del fluido, y es

precisamente con ésta proporcionalidad que los medidores pueden calcular el

caudal9. Este medidor maneja un rango de medida de hasta máximo 0,1 GPM

(Galones por minuto).

8 TIPPENS, Paul. Física II Conceptos y Aplicaciones. Mc Graw Hill. p. 265. ISBN 978-958-41-0392-5. 9 INSTRUMENTACIÓN: EQUIPOS Y PRINCIPIOS [sitio web]. Disponible en: http://instrumentaciondinamica2013.blogspot.com/2013/12/medidor-de-flujo-electromagnetico.html

http://instrumentaciondinamica2013.blogspot.com/2013/12/medidor-de-flujo-electromagnetico.html

31

Figura 9. Medidor de flujo electromagnético accionado por baterías Siemens.

Fuente: BELL FLOW SYSTEMS

[sitio web]. MAG 8000-DN80:

MEDIDOR DE FLUJO

ELECTROMAGNÉTICO

ACCIONADO POR BATERÍA

SIEMENS. [Consulta: 12 de

diciembre de 2019]. Disponible en: https://www.bellflowsystems.co.uk

/es/mag-8000-dn80-siemens-

battery-powered-electromagnetic-

flow-meter.html


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en

INSTRUMENTACIÓN: EQUIPOS Y PRINCIPIOS10:

10 Ibíd

32

Cuadro 4. Ventajas y desventajas del medidor de flujo electromagnético.


La señal de salida es habitualmente lineal. El líquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable conductividad eléctrica. Para fines industriales el límite práctico es del orden de 10 & mho cm. Esto significa que los líquidos acuosos pueden manejarse adecuadamente, lo que no ocurre con líquidos orgánicos.

No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida de todo tipo de suspensiones, barros, melazas, etc.

La energía disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del medidor.

El costo de mantenimiento es realmente muy bajo.

No dan lugar a pérdidas de carga, por lo que son adecuados para su instalación en grandes tuberías de suministro de agua, donde es esencial que la pérdida de carga sea pequeña.

Se fabrican en una gama de tamaños superior a la de cualquier otro tipo de medidor.

Son de fácil limpieza, lo cual es muy importante en industrias como la alimentaria.

No son prácticamente afectados por variaciones en la densidad, viscosidad, presión temperatura y dentro de ciertos límites, conductividad eléctrica.

No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del medidor.

Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones.


33

APLICACIONES

Agua de chiller.

Aplicaciones con agua caliente.

Flujo en torre de enfriamiento.

Medición de agua doméstica.

Flujo de condensado.

Alimentación de calderas.

Aplicaciones de irrigación.

Agua de pozo.

Aguas grises o lluvia.

Aplicaciones industriales.

1.3.3 Medidores de flujo tipo turbina. El fluido provoca que el rotor de la turbina

gire a una velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas del rotor pasa por

una bobina magnética generando un pulso que puede convertirse en velocidad de

flujo11. Este medidor maneja un rango de medida de 0,6 – 400 GPM (Galones por

minuto).

Figura 10. Medidor tipo turbina.

Fuente: DULHOSTE, Jean. Medición de Nivel.

Universidad de Los Andes, Venezuela.


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en SILVER

AUTOMATION INSTRUMENTS12:

11 PÉREZ, Amilear y CIFUENTES, Jorge. MEDIDORES DE FLUJO. Universidad de San Carlos de Guatemala. Disponible en: https://www.academia.edu/25075085/MEDIDORES_DE_FLUJO 12 SILVER AUTOMATION INSTRUMENTS [sitio web]. Disponible en: https://es.silverinstruments.com/blog/Turbine-flowmeter-advantages-and-disadvantages.html

https://www.academia.edu/25075085/MEDIDORES_DE_FLUJO

https://es.silverinstruments.com/blog/Turbine-flowmeter-advantages-and-disadvantages.html

34

Cuadro 5. Ventajas y desventajas del medidor de flujo por turbina.


Alta precisión (para líquidos ± 0.25% - ± 0.5%).

Tiempo de duración de la calibración.

Buena repetibilidad (0.05% - 0.2%).

No se puede utilizar en flujos de mayor viscosidad.

Amplio rango de medición.

En caso de grandes fluctuaciones de temperatura y presión en el campo, se deben tomar medidas de compensación para mantener la alta precisión, ya que el rendimiento de éste medidor se ve afectado por los cambios de densidad y de viscosidad del fluido.

Adecuado para la medición total y la conexión a la computadora (señal de frecuencia de pulso de salida).

Solo mide fluidos limpios, es decir que se necesita colocar un filtro.

Adecuado para medición con alta presión.

Diferentes tipos de estructura de adaptación, como lo puede ser el tipo de rosca o brida.


35

Figura 11. Medidor de flujo tipo turbina.

Fuente: SILVER Automation

Instruments.

APLICACIONES

Aeroespacial. Automotriz. Detección de fugas. Medición de flujo de gas y aire en hornos. Monitoreo de redes. Perfiles de velocidad en sistemas de distribución de agua. Petróleo, gas y vapor. Petroquímica. Potencia. Procesos generales. Tratamiento de aguas.

1.4. MEDICIÓN DE NIVEL

Para medir nivel existen varios métodos electro - electrónicos:

1.4.1 Ultrasonido. Su funcionamiento se basa en la emisión de un impulso

ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un

receptor, lo que muestra el nivel del tanque es el retardo en la captación de dicho

eco13. Este medidor maneja un rango de medida de 0.02m – 60m.

13 CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. ISBN 970-15-1150-2. ALFAOMEGA. 7ª Edición.

36

Figura 12. Montajes posicionales método de medición de nivel por ultrasonido.



[Consulta: 12 de diciembre de 2019]. Disponible

en: https://es.slideshare.net/quimica3016/i4-

medicion-denivel


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en CHIRINOS, Luisa14.

Cuadro 6. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por ultrasonido.


Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos.

Un poco costosos.

Muy exactos. La medición es afectada por las propiedades del medidor como porosidad de la superficie, espesor del material y rigidez.

Más sofisticados que los medidores convencionales.

Sensibles a la densidad.

No poseen partes móviles. Dan señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como en el caso de un líquido que forme espuma.

No requieren mantenimiento. La velocidad del sonido cambia con la temperatura, al aumentar la temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta mientras que en el agua disminuye.

No es intrusivo.

14 CHIRINOS, Luisa. ACADEMIA [sitio web]. Medición de nivel. Disponible en: https://www.academia.edu/21430218/medicion_de_nivel


https://www.academia.edu/21430218/medicion_de_nivel

37

APLICACIONES

Monitores de desagües y cloacas a control remoto.

Monitoreo a control remoto de depósitos y conductos de agua.

Monitoreo a control remoto de tanque diésel.

Caudal en canal abierto.

Silos.

1.4.2 Radar. Se basa en la emisión continua de una onda electromagnética, ésta

onda es continua y es modulada en una alta frecuencia, es decir que se detecta la

diferencia entre la onda electromagnética emitida y la recibida15. Este medidor

maneja un rango de medida de 500mm – 30m.


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en VAN DE KAMP,

Win16.

Cuadro 7. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por radar.


Su baja potencia de radiación, permite una instalación segura en recipientes metálicos y no metálicos.

El fluido debe tener una mínima constante dieléctrica determinada.

No tiene riesgos para los seres humanos o para el entorno.

No le afecta la temperatura, las condiciones de alta presión o de vacío, tampoco tiene problema con la interferencia con polvo o espumas.


1.4.3 Conductancia. Se compone de uno o varios electrodos y de un relé eléctrico

o electrónico que es excitado cuando el líquido hace contacto con los electrodos,

claro está que dicho líquido debe ser conductor, ya que éste método discrimina la

separación entre el líquido y su vapor17 para que el relé sea capaz de detectar el

paso de corriente.

Este medidor maneja un rango de medida de 0,1m - 4m.

15 CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. ISBN 970-15-1150-2. ALFAOMEGA. 7ª Edición. 16 VAN DE KAMP, Win. Teoría y práctica de medición de niveles. 17ª edición. Endress+Hauser S.A.. 2001. 17 Ibíd, p.

38

Figura 13. Método de medición de nivel tipo conductancia.



[Consulta: 12 de diciembre de 2019].

Disponible en:

https://es.slideshare.net/quimica3016/i4-

medicion-denivel


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en SOISSON, Harold18

y DULHOSTE, Jean19:

Cuadro 8. Ventajas y desventajas del medidor de nivel por conductancia.


Versátiles. Se utiliza generalmente como alarma.

Seguros.

Su uso es para control de alto y bajo (los electrodos se encuentran en el punto mínimo y máximo), igualmente se pueden colocar otros puntos de electrodos.

Mantenimiento mínimo.

Fáciles de instalar.

Adaptables a depósitos grandes y pequeños.

No requieren ajustes.


18 SOISSON, Harold. Instrumentación Industrial. ISBN 968-18-1738-9. LIMUSA NORIEGA EDITORES 19 DULHOSTE, Jean. Medición de Nivel. Universidad de Los Andes, Venezuela. Disponible en: https://es.slideshare.net/quimica3016/i4-medicion-denivel

39

APLICACIÓN

El instrumento se emplea generalmente como alarma o sensor para control alto y bajo y los electrodos se encuentran en puntos de máximo y mínimo nivel. Sin embargo se puede tener un número mayor de puntos de medición colocando un mayor número de electrodos, cada electrodo representará en este caso un punto de medición.

1.5 MEDICIÓN DE PRESIÓN

Para medir presión se utilizan los siguientes métodos:

1.5.1 Presión diferencial. Para la medición por medio de la presión diferencial se

pueden hacer mediante instrumentos mecánicos y electrónicos, donde su

funcionamiento consiste en la diferencia de presiones entre dos puntos, un punto

determinado, donde éste punto es un valor x que es medido por un instrumento, y

un punto de referencia, el cual viene determinado ya sea por un instrumento de

medida que el operario se encarga de establecer como la medida de referencia o

por una medida establecida teóricamente por un operario20. Este medidor maneja

un rango de medida de 0.1 Pa – 200KPa.

Figura 14. Presión diferencial.

Fuente: WIKA [sitio web]. Aplicación con

manómetros en presión diferencial.

[Consulta: 10 de diciembre 2019]. Disponible

en:https://www.bloginstrumentacion.com/apl

icaciones/aplicaciones-con-manometros-de-

presion-diferencial/

20 WIKA [sitio web]. Como se mide la Presión. Disponible en: https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/como-se-mide-la-presion-diferencial/

https://www.bloginstrumentacion.com/aplicaciones/aplicaciones-con-manometros-de-presion-diferencial/



40


ventajas y desventajas de éste proceso:

Cuadro 9. Ventajas y desventajas de la medición de presión diferencial.


Es versátil en los diferentes usos que requiere la industria.

La amplitud en cuanto a la medición es reducida en comparación a los demás.

Tiene una gama alta de uso con diferente tipo de fluidos.

Pueden producir perdidas de cargas significativas

Su funcionamiento es fácil de entender. La señal de salida no es lineal con el caudal.

Es sencillo de aplicar. Suelen acumular depósitos y erosión.

Hay documentación sobre sus diferentes usos.


Las aplicaciones para éste tipo de medición de presión son:

Monitoreo de filtros

Uno de los usos que se pueden encontrar en la medición de presión por forma

diferenciada es la de monitoreo en los filtros, por el hecho que el proceso de filtración

requiere estar siempre en buenas condiciones de funcionamiento, donde no puede

haber ningún tipo de contaminante ni obstrucción en el filtro, para ello se usa un

dispositivo que permita la medición diferencial entre las presiones que se generan

después y antes del filtro, así cuando se presente alguna de estas dos anomalías el

medidor que se encuentra antes del filtro aumentará su valor generando una presión

mayor a la de su funcionamiento, de tal manera que este tipo de medida, podrá

evidenciar cuando el proceso está muy contaminado o por otro lado cuando el

proceso necesita un cambio de filtros21.

21 WIKA. [sitio web]. TERMOMETRO Disponible en: https://www.bloginstrumentacion.com/aplicaciones/aplicaciones-con-manmetros-de-presion-diferencial/

41

Figura 15. Monitoreo de filtros.

Fuente: WIKA [sitio web]. Aplicación con

manómetros en presión diferencial.

[Consulta: 10 de diciembre 2019].

Disponible en:

https://www.bloginstrumentacion.com/aplic

aciones/aplicaciones-con-manmetros-de-

presion-diferencial/

Enfermedad cardiovascular

Otra aplicación que se le da a la presión diferencial es la de la contribución en la

mortalidad por enfermedad cardiovascular, donde su función principal es medir la

diferencia entre la presión arterial sistólica y la presión arterial diastólica, es decir,

medir la porción entre el volumen sistólico del ventrículo izquierdo y la pérdida de la

capacidad de distensión de la aorta y de los grandes vasos, donde a esta se le

denomina presión del pulso22.

22 Aoiz Linares, J. I., Bonet Simón, J. M., Solé Sancho, (2005). La presión diferencial como factor independiente de riesgo cardiovascular. Atención Primaria, 36(1), 19–24.

https://www.bloginstrumentacion.com/aplicaciones/aplicaciones-con-manmetros-de-presion-diferencial/



42

Figura 16. Medidor de presión sanguínea.

Fuente: MAYO CLINIC [sitio web]. Presión

Arterial Alta. [Consulta: 10 de diciembre 2019].

Disponible en: https://www.mayoclinic.org/es-

es/diseases-conditions/high-blood-

pressure/diagnosis-treatment/drc-20373417

Medición de caudal

La presión diferencial también es usada para la medición de caudal en una tubería,

donde su funcionamiento consta en la disminución de diámetro interior de una

tubería, ya sea mediante el método de placa orificio, tubo Venturi o una tobera, a

éste sistema se le agrega un dispositivo de presión diferencial el cual va a ser el

encargado de evidenciar las medidas anteriores y posteriores a los instrumentos de

reducción. Esta caída de presión provocada por la obstrucción en la tubería, permite

la indicación de caudal que circula en la tubería.

https://www.mayoclinic.org/es-es/diseases-conditions/high-blood-pressure/diagnosis-treatment/drc-20373417



43

Figura 17. Principio de funcionamiento de medidores de caudal por presión diferencial.

Fuente: WIKA [sitio web]. Aplicación con manómetros en

presión diferencial. [Consulta: 10 de diciembre 2019].

Disponible en:

https://www.bloginstrumentacion.com/aplicaciones/aplic

aciones-con-manmetros-de-presion-diferencial/

1.5.2 Presión hidráulica. La presión hidráulica hace referencia a la presión que

ejerce un fluido sobre una superficie, donde intervienen variables que afectan al

valor de dicha presión, como lo puede ser la densidad del fluido, ésta es

dependiendo del fluido que se encuentre en el recipiente, otra variable es la altura

a la que el líquido se encuentra en la base del recipiente, por el hecho que la

altura es directamente proporcional a la presión que se ejercida por el fluido hacia

el fondo del recipiente y las paredes, y por última variable, se tiene el área

superficial a la que reposa el fluido, ya que esta es inversamente proporcional a la

presión ejercida por el fluido, con dichas variables, la presión hidráulica se calcula

variando las mismas23. Este medidor maneja un rango de medida de 100 Pa – 700

GPa.

23 SMAR TECHNOLOGY COMPANY [sitio web]. MEDICIÓN DE PRESIÓN: Características, Tecnologías y Tendencias. Disponible en: http://www.smar.com/espanol/articulos-tecnicos/medicion-de-presion-caracteristicas-tecnologias-y-tendencias



http://www.smar.com/espanol/articulos-tecnicos/medicion-de-presion-caracteristicas-tecnologias-y-tendencias


44

Figura 18. Aplicación para medición de presión hidráulica.

Fuente: EHU [sitio web]. La prensa

hidráulica. [Consulta: 10 de diciembre

2019]. Disponible en:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/e

statica/prensa/prensa.htm


ventajas y desventajas de éste proceso, la tabla está basada en HIDROBO,

Roberto; LÓPEZ, Eliana; VARELA, Israel24:

Cuadro 10. Ventajas y desventajas de la medición de presión hidráulica.


Amplio uso en aplicaciones de la industria de alimentos.

Relativamente costoso para mediciones de presión diferencial.

Fácil calibración. Dependiente de la densidad relativa.

Su precisión es considerable por los procesos que suelen ser usados.

Se limita por la altura a la que se encuentre el líquido.

Su montaje es sencillo.

No contempla contaminación en el sistema.

Fuente: Elaboración propia.

Las aplicaciones para éste tipo de medición de presión son:

24 HIDROBO, Roberto; LÓPEZ, Eliana; VARELA, Israel. INSTRUMENTACION, Medidores de nivel, Universidad del Norte. 2016. Barranquilla, Colombia.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.htm

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.htm

45

Medidor de nivel

Este medidor hidrostático consiste en un manómetro que se instala en la parte

inferior del recipiente o tanque en el que el fluido reposa, donde el manómetro mide

la presión por medio de la altura a la cual se encuentra el líquido en el recipiente y

el eje del instrumento25.

Figura 19. Medidor de nivel por presión hidráulica.

Fuente: Prezi. [sitio web]. Medidores de

presión Hidrostática para nivel

[Consulta: 10 de diciembre 2019].

Disponible en:

https://prezi.com/9cb2cvdrprto/medidor

es-de-nivel-por-presion-hidrostatica/

Medidor de purga continua

Éste dispositivo realiza su medición mediante el flujo constante de aire el cual

intenta vencer la presión ejercida por el fluido, entonces al salir el aire genera una

especie de burbujeo, que es también como se le conoce a dicho medidor. Éste

medidor se coloca en un tubo que se encuentra sumergido en el líquido que reposa

en el recipiente y a este se hace el burbujeo de aire mediante otro dispositivo

llamado rotámetro con regulador de caudal incorporado26.

25 SMAR TECHNOLOGY COMPANY [sitio web]. Medidores de presión Hidrostática para nivel. Disponible en: http://www.smar.com/espanol/articulos-tecnicos/medicion-de-presion-caracteristicas-tecnologias-y-tendencias 26 Op. cit. SMAR TECHNOLOGY COMPANY.

https://prezi.com/9cb2cvdrprto/medidores-de-nivel-por-presion-hidrostatica/




46

Figura 20. Medidor de purga continua.

Fuente: Prezi [sitio web].

Medidores de presión

Hidrostática para nivel

[Consulta: 10 de

diciembre 2019].

Disponible en:

https://prezi.com/9cb2cv

drprto/medidores-de-

nivel-por-presion-

hidrostatica/

1.6 INFRAESTRUCTURA IoT

1.6.1 Internet de las Cosas (IoT). Para la realización del proyecto hay un término

que necesita ser explicado, porque con éste se transmitirán los datos. Éste término

es IoT, que en sus siglas en inglés significa Internet of Things, que al traducirlo se

entiende como el internet de las cosas, éste se refiere a la interacción que puede

tener una persona por medio de la interconexión digital con los objetos cotidianos

por medio del internet, dicha tecnología se conforma por un conjunto de elementos

que permite su funcionamiento, como lo son sensores que permiten la conexión del

mundo físico con el digital, plataformas WEB que es donde se procesan y

almacenan los datos y computadores que son los encargados de procesar la

información en forma de datos que ésta maneja27.

27 LEE, I. The Internet of Things for enterprises: An ecosystem, architecture, and IoT service business model. Internet of Things, vol. 7. 2019. Disponible en: https://ezproxy.uamerica.edu.co:2052/science/article/pii/S2542660519301386





https://ezproxy.uamerica.edu.co:2052/science/article/pii/S2542660519301386

47

Esta infraestructura permite obtener una perspectiva valiosa de datos para optimizar la automatización, ésto implica productos conectados y procesos de fabricación conectados, aumentando la seguridad, protección y productividad de cualquier proceso que se lleve a cabo, todo esto con el objetivo de lograr beneficio - costo y rendimiento del mismo. Internet ha evolucionado rápidamente y esto ha permitido que IOT sea ya una realidad y no solo una visión de futuro. La fama de esta tecnología radica principalmente en todas las aplicaciones y posibilidades que nos proporciona tanto para mejorar tanto la vida cotidiana de las personas como los entornos empresariales, donde ya se está implantando desde hace algún tiempo28.

Figura 21. Internet de las Cosas.

Fuente: Byte [sitio web]. El IoT ya resuena en las

cabezas de los españoles. [Consulta: 19 de


https://revistabyte.es/actualidad-byte/iot-3/


ventajas y desventajas de ésta infraestructura, la tabla está basada en

UNIVERSIDAD DE ALCALÁ29:

28 GRACÍA, María. REINO UNIDO. IoT - Internet Of Things. [sitio web]. Disponible en: https://www2.deloitte.com/es/es/pages/technology/articles/IoT-internet-of-things.html 29 UNIVERSIDAD DE ALCALÁ. Ventajas y Desventajas del IoT. 2019. Disponible en: https://www.master-internet-of-things.com/ventajas-desventajas-del-uso-iot/

https://revistabyte.es/actualidad-byte/iot-3/

https://www2.deloitte.com/es/es/pages/technology/articles/IoT-internet-of-things.html

https://www.master-internet-of-things.com/ventajas-desventajas-del-uso-iot/

48

Cuadro 11. Ventajas y desventajas de la infraestructura IoT.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Mejora la comunicación y cooperación entre hombre y máquina.

Muchos de los componentes para hacer la transición tecnológica todavía no están estandarizados.

La velocidad de adquisición de datos aumenta.

Se presenta un riesgo tecnológico al ser un sistema un poco complejo de instalar.

Es más fácil adquirir trazabilidad y seguimiento de los procesos.

Tras la comunicación de los datos, la privacidad en esta comunicación se ve afectada por la forma fácil de descifrar los códigos.

Reducción en los riesgos económicos y mecánicos.

Es fácil de hackear el sistema.

Ahorro en el tiempo de obtener información.


Se podría decir que las aplicaciones del IoT son muy diversas, debido a que se trata

de tomar el control y monitoreo de algún objeto. Se darán algunos ejemplos en

distintos aspectos cotidianos para mostrar su versatilidad, basado en GRACÍA,

María30:

Se supondrá, el frigorífico de una casa, donde se conservan los alimentos, que

a su vez, tienen una fecha de vencimiento. En éste escenario, se podría conectar

el frigorífico a internet para que avisara al usuario a través de su teléfono móvil,

por ejemplo, de cuando vencen los alimentos, si hay una disminución de

temperatura por alguna avería, si algún alimento se está acabando o

simplemente el consumo de electricidad en base al número de veces que se

abre la puerta de la nevera.

Si se piensa en aplicaciones industriales, IoT es usado ya en muchas plantas de

producción, donde los dispositivos y sensores conectados a la red, permiten

analizar los datos y generar alarmas y mensajes que son enviados a los distintos

usuarios para que tomen las acciones necesarias o incluso iniciar protocolos de

actuación de forma automática, sin interacción humana, para corregir o tratar

dichas alarmas.

30 Op. cit. GRACÍA, María.

49

Otro ejemplo de aplicación sería en el sector ganadero, donde la monitorización

biométrica y la geolocalización es un factor que ayuda a los ganaderos a que

sus animales estén siempre controlados.

1.6.2 PLC (programable Logic Controller). El controlador lógico programable

también conocido como PLC, es un sistema de control que permite la

automatización en una industria, cuyas funciones principales son: detectar

diferentes tipos de señales por medio de su memoria programable, elaborar y enviar

acciones de acuerda a la programación establecida en su memoria de datos, recibe

configuraciones de los operadores y reportes de los mismos y admite sus debidas

modificaciones cuando sean requeridas31.

Figura 22. PLC.

Fuente: 123RF [sitio web]. Alta tecnología Control industrial de

la máquina por PLC que programa el control lógico para la

fabricación, la computadora del PLC, controlador lógico

programable del PLC. [Consulta: 19 de diciembre 2019].

https://es.123rf.com/photo_80059676_alta-tecnolog%C3%ADa-

control-industrial-de-la-m%C3%A1quina-por-plc-que-programa-

el-control-l%C3%B3gico-para-la-fabricaci%C3%B3n-la.html

31 ALDAKIN [sitio web]. Aplicaciones del PLC en la Industria Moderna. Disponible en: http://www.aldakin.com/aplicaciones-plc-industria-moderna/

http://www.aldakin.com/aplicaciones-plc-industria-moderna/

50


ventajas y desventajas de éste controlador, la tabla está basada en MAQUICLICK32:

Cuadro 12. Ventajas y desventajas del PLC.


Su instalación es sencilla. Requiere de personal calificado para su manipulación.

Ocupa poco espacio Centraliza el proceso.

Se conecta a varios dispositivos logrando la automatización de un proceso.

Condiciones apropiadas.

El costo de mano de obra disminuye.

No se recomienda en tareas cortas o sencillas.

Mejor monitoreo en los procesos.

Disminución en costos de operación, mantenimiento y energía.


APLICACIONES

Maniobras de maquinaria

o Máquinas de procesado de gravas, cementos y arenas.

o Máquinas industriales para la madera y los muebles.

o Maquinaria industrial del plástico.

o Máquinas y herramientas complejas.

o Máquinas de ensamblaje.

o Maquinaria de transferencia.

Maniobra de instalaciones

o Instalaciones de seguridad.

o Instalaciones de calefacción y aire acondicionado.

o Instalaciones de plantas para el embotellado.

o Instalaciones de transporte y almacenaje.

o Instalaciones para tratamientos térmicos.

o Instalaciones de la industria de la automoción.

o Instalaciones industriales azucareras.

32 MAQUICLICK [sitio web]. Ventajas y Desventajas de los PLC (Controlador Lógico Programable). Disponible en: https://www.fabricantes-maquinaria-industrial.es/ventajas-y-desventajas-de-los-plc-controlador-logico-programable/

https://www.fabricantes-maquinaria-industrial.es/ventajas-y-desventajas-de-los-plc-controlador-logico-programable/


51

Industria del automóvil

o Aplicaciones en cadenas de montaje para soldaduras, cabinas de pintura,

ensamblaje, etc.

o Uso en máquinas de herramientas como fresadoras, taladradoras, tornos, etc.

Fabricación de neumáticos: Control de maquinaria para la extrusión de gomas,

el armado de cubierta, control de sistemas de refrigeración, calderas, prensas

de vulcanizado.

Plantas petroquímicas y químicas

o Aplicación en oleoductos, refinados, baños electrolíticos, tratamientos de aguas

residuales y fecales, etc.

o Control de procesos como el pesaje, la dosificación, la mezcla, etc.

Otros sectores industriales

o Metalurgia: Control de hornos, fundiciones, laminado, grúas, forjas, soldadura,

etc.

o Alimentación: Empaquetado, envasado, almacenaje, llenado de botellas,

embotellado, etc.

o Madereras y papeleras: Serradoras, control de procesos, laminados,

producción de conglomerados.

o Producción de energía: Turbinas, transporte de combustibles, centrales

eléctricas, energía solar.

o Tráfico: Ferrocarriles, control y regulación del tráfico.

o Domótica: Temperatura ambiente, sistemas anti robo, iluminación, etc.

1.6.3 LabVIEW. LabVIEW es un software que proporciona “un entorno de

programación gráfica que permite diseñar y analizar un sistema de procesamiento

de señal digital (DSP)”33, para aplicarlo al diseño en la adquisición y presentación

de datos, y para el análisis de medidas34.

Los programas gráficos de LabVIEW se denominan comúnmente instrumentos

virtuales (VI) por sus siglas en inglés (virtual instruments). Los VI constan de dos

componentes:

Pánel frontal (FP), que proporciona la interfaz de usuario.

Diagrama de bloques (BD), que incluye su propio código gráfico35.

33 KEHTARNAVAZ, Nasser; KIM, Namjin. Digital Signal Processing System-Level Design Using LabVIEW. 2005. 304 p. ISBN 978-0-7506-7914-5 34 UNIVERSIDAD DE CANTABRIA [sitio web]. España. [Consulta: 12 noviembre 2019]. Disponible en: https://sdei.unican.es/Paginas/servicios/software/Labview.aspx 35 Op. cit. KEHTARNAVAZ, Nasser; KIM, Namjin.

https://sdei.unican.es/Paginas/servicios/software/Labview.aspx

52

Las áreas de aplicación de éste programa son en Automatización, para realizar test

de fabricación, de validación, estructurales y mecánicos, en bancos de pruebas, etc.

Se utiliza para realizar el monitoreo de las condiciones de operación de máquinas y

la automatización de las mismas. También se emplea para el diseño de control y el

diseño mecánico, ya que tiene la capacidad de interactuar con otros lenguajes de

programación y aplicaciones, como lo son: Matlab/Simulink, AutoCAD, SolidWorks,

entre otros36.


ventajas y desventajas de éste software:

Cuadro 13. Ventajas y desventajas del software LABVIEW.


Mejora en la documentación y exportación de datos, que en otros lenguajes de gráficos de programación.

LabVIEW no dispone de pines de secuencia.

Interacción con otros lenguajes de programación como Matlab/Simulink, AutoCAD, SolidWorks, entre otros.

Necesita de elementos específicos para la utilización de los datos que maneja.

Interface más intuitiva en el módulo de Motion para el control de motores.

El código de programación es complicado de entender para una persona ajena al proyecto.

Mejora en la administración del código de desarrollo.

Para cambiar el tamaño de los objetos es necesario agregar entradas y salidas al mismo.

De fácil manipulación por parte del operario.

Es un sistema de fácil entendimiento.


APLICACIONES

Análisis automatizado y plataformas de medida

o Test de fabricación.

o Test de validación/medioambiental.

o Test mecánico/estructural.

o Test de fiabilidad en tiempo real.

o Adquisición de datos.

o Test de campo portátil.

36 Op. cit. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA. p.

53

o Test de RF y comunicaciones.

o Test en bancos de prueba.

o Adquisición de imagen.

Medidas industriales y plataformas de control

o Test y control integrado.

o Automatización de máquinas.

o Visión artificial.

o Monitorización de condiciones de máquina.

o Monitorización distribuida y control.

o Monitorización de potencia.

Diseño embebido y plataformas de prototipaje

o Diseño y análisis de sistemas empotrados.

o Diseño de control.

o Diseño de filtros digitales.

o Diseño de circuitos electrónicos.

o Diseño mecánico.

o Diseño de algoritmos37.

1.6.4 Arduino. Arduino es un microcontrolador, que su función principal es la de

grabar instrucciones mediante un lenguaje de programación, estas instrucciones te

permiten interactuar con cualquier circuito que esté conectado con la placa que este

software ofrece. Arduino tiene distintas formas de operar por el hecho que se ajusta

a las condiciones que el proyecto necesita, desde sus colores hasta las aplicaciones

que se le pueden agregar a la placa como lo son funciones de Wi-Fi, Bluetooth, y

más38.

37 Op. cit. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA. p. 38 ARDUINO. [sitio web]. Getting Started with Arduino products. Disponible en: https://www.arduino.cc/en/Guide/HomePage

https://www.arduino.cc/en/Guide/HomePage

54

Figura 23. Arduino.

Fuente: XATACA [sitio web]. Esta

familia donó más de 300 libros a la

biblioteca. [Consulta: 10 de diciembre

2019].

https://www.xataka.com/basics/que-

arduino-como-funciona-que-puedes-

hacer-uno


ventajas y desventajas de éste microcontrolador, la tabla está basada en

EDUCATIVE TECHNOLOGY39:

39 EDUCATIVE TECHNOLOGY [sitio web]. Acamica: Ventajas y desventajas de Arduino. Disponible en: https://edgardosilvi.wordpress.com/2016/02/29/acamica-ventajas-y-desventajas-de-arduino/

https://www.xataka.com/basics/que-arduino-como-funciona-que-puedes-hacer-uno



https://edgardosilvi.wordpress.com/2016/02/29/acamica-ventajas-y-desventajas-de-arduino/


55

Cuadro 14. Ventajas y desventajas del microcontrolador Arduino.


Se ajusta a las necesidades del proyecto.

La programación no se realiza en ensamble, el precio a pagar por el uso de algunas librerías es un retraso en la ejecución de las instrucciones, significativos a la hora de hacer adquisición de datos.

Simplifica la operación con microcontroladores.

El hecho de que la plataforma venga ya ensamblada le quita flexibilidad a los proyectos.

Las placas de Arduino son de bajo costo y sueles ser de fácil acceso para cualquier persona.

Funciona con distintas plataformas como: Windows, Macintosh OSX y Linux.

Entorno de programación simple y directo.


APLICACIONES

Tecnología

o Robótica.

o IoT.

o Impresoras 3D.

o Drones.

Otros

o Arte

o Productos comerciales40.

40 APRENDIENDO ARDUINO [sitio web]. Entornos de aplicación de Arduino. Disponible en:

https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/06/26/entornos-de-aplicacion-arduino/


56

2. DISEÑO CONCEPTUAL Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS PARA MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN, E

INFRAESTRUCTURA IoT

El diseño conceptual de éste proyecto consiste de una estructura, una bomba, un

tanque, una válvula y de un dispositivo IoT, a continuación, se ilustrará el esquema

del diseño y posteriormente se realizará la explicación del mismo.

Figura 24. Esquema del diseño conceptual del proyecto.


El funcionamiento del este diseño conceptual trata básicamente de recirculación de

agua donde el agua va a estar en reposo en el tanque inferior, esta agua va a

empezar a circular gracias a la bomba que se encuentra enseguida de este tanque,

para así llegar al tanque superior donde se realizara las medidas de presión y nivel,

la medida del caudal se llevara a cabo en la tubería que une la bomba con el tanque

superior, y evitando que el agua rebase el tanque se tendrá una válvula que permite

el desagüe hacia el tanque inferior, eso en cuanto al funcionamiento general del

módulo, pero como además se añadió un dispositivo IoT, que su función principal

es la de comunicar los datos que se encuentran en el módulo al instante y el sistema

de control que para este proyecto va a ser el PLC y LabView, entonces cuando el

usuario decida tener una presión específica, el Arduino va a comparar primero en

que presión se está operando el banco cuando tenga este dato el Arduino se lo

enviara al sistema de control, el cual va a ser el encargado de verificar si debe subir

la presión o la debe disminuir, esto se puede gracias a que el sistema de control va

a manipular la bomba y la válvula.

57

Figura 25. Diagrama de proceso.


2.1 PARÁMETROS DE OPERACIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO

Luego de hacer los respectivos cálculos, se resumirán a continuación los

parámetros máximos de operación del banco didáctico, teniendo en cuenta que

estos valores pueden variar, dependiendo del montaje de los mismos o prácticas

que se realicen en el banco. Cabe aclarar que el sensor de presión mide

dependiendo de la posición en la que se ubique y el valor que se dará a continuación

es solamente la presión manométrica.

58

Tabla 1. Parámetros de operación del banco didáctico.

Variable Valor

Nivel 28 cm

Caudal 13,33 L/min

Presión 2746.8 Pa


2.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN

Para el diseño conceptual de éste proyecto, se escogieron los siguientes criterios

para realizar la selección del método a utilizar de caudal, nivel y presión. En la tabla

que se presentará a continuación se recopila lo ya mencionado anteriormente.

Cuadro 15.Criterios de selección del método.

CRITERIOS DESCRIPCIÓN

Compatibilidad Compatible con infraestructura

IOT.

Adaptabilidad Amoldable a los instrumentos del

laboratorio y del banco didáctico.

Existencia Compra sin necesidad de

importación.

Precio Asequible para un estudiante.


2.3 SELECCIÓN DE LOS MÉTODOS

Ésta selección se realizará a partir de la Matriz PUGH, que consiste en hacer una

ponderación de puntos positivos y negativos para cada alternativa, donde 1 es total

cumplimiento del parámetro, 0 es neutro, es decir, no se descarta su cumplimiento,

pero no es del todo satisfactorio, y -1 que es el no cumplimiento.

59

2.3.1 Selección método de caudal. En la tabla que se mostrará a continuación se

presenta la Matriz PUGH para el método de caudal.

Tabla 2. Matriz PUGH para caudal.

Criterios /

Alternativas

Elem.

Deprimógenos

Electromagnético Tipo turbina

Compatibilidad -1 1 1

Adaptabilidad 1 1 1

Existencia 1 1 1

Precio 0 -1 0


Posteriormente, se muestra la tabla recopilada de puntos positivos y negativos para

dar por seleccionado dicho método.

Tabla 3. Conclusión para Matriz PUGH para caudal.

Puntos /

Alternativas

Elem.

Deprimógenos

Electromagnético Tipo turbina

Positivos 2 3 3

Negativos 1 1 0

TOTAL 1 2 3


Luego de haber seleccionado la medición de flujo tipo turbina, se buscó una

compatible con el diseño conceptual y con los parámetros básicos de operación del

banco. La turbina seleccionada fue el Sensor de flujo de agua 1/2" YF-S201, a

continuación se presentarán los parámetros de funcionamiento de dicho sensor.

60

Tabla 4. Parámetros de funcionamiento del sensor tipo turbina YF-S201.

Parámetros Valores

Voltaje de Operación 5-18 V DC

Consumo de corriente 15 mA (5V)

Capacidad de carga 10 mA (5V DC)

Salida Onda cuadrada pulsante

Rango de flujo 1-30 L/min

Volumen promedio por

pulso

2,25 mL

Pulsos por litro 450

Factor de conversión 7,5

Rosca externa ½” NPS

Presión de trabajo Máx. 1,75 MPa (17 bar)

Temperatura de

funcionamiento

-25°C - 80 °C

Material Plástico color blanco


2.3.2 Selección método de presión. En la tabla que se mostrará a continuación

se presenta la Matriz PUGH para el método de presión.

Tabla 5. Matriz PUGH para presión.

Criterios / Alternativas P. Diferencial P. hidráulica

Compatibilidad 1 1

Adaptabilidad 1 1

Existencia 1 1

Precio 1 -1


61



Tabla 6. Conclusión para Matriz PUGH para presión.

Puntos /

Alternativas

P. Diferencial P. hidráulica

Positivos 4 3

Negativos 0 1

TOTAL 4 2


Luego de haber seleccionado la medición de presión tipo diferencial, se buscó una


banco. El sensor seleccionado fue el Sensor de Presión Diferencial Freescale

Mpx5100DP, a continuación se presentarán los parámetros de funcionamiento de

dicho sensor.

Tabla 7. Parámetros de funcionamiento del sensor de Presión Diferencial Freescale Mpx5100DP.

Parámetros Valores

Voltaje 4,75-5,25 V DC


Tipo de presión Diferencial

Tamaño de puerto Tubo de 0,19”(4,93mm)

Rango de presión diferencial 0 a 100 kPa (0 a 14,5 psi)

Temperatura de

funcionamiento

-40 a +125 ° C

Exactitud +/- 2,5 %


2.3.3 Selección método de nivel. En la tabla que se mostrará a continuación se

presenta la Matriz PUGH para el método de nivel.

62

Tabla 81. Matriz PUGH para nivel.

Criterios /

Alternativas

Ultrasónico Radar Conductancia

Compatibilidad 1 1 -1

Adaptabilidad 1 1 0

Existencia 1 1 1

Precio 0 -1 1




Tabla 92. Conclusión para Matriz PUGH para nivel.

Puntos /

Alternativas

Ultrasónico Radar Conductancia

Positivos 3 3 2

Negativos 0 1 1

TOTAL 3 2 1


Luego de haber seleccionado la medición de nivel tipo ultrasónico, se buscó una


banco. El sensor seleccionado fue el Sensor ultrasónico HC-SR04, a continuación,

se presentarán los parámetros de funcionamiento de dicho sensor.

63

Tabla 10. Parámetros de funcionamiento del sensor de nivel ultrasónico HC-SR04.

Parámetros Valores

Voltaje 5V DC


Rango de medición 2 cm a 450 cm

Precisión +/- 3 mm

Ángulo de apertura 15º

Frecuencia de ultrasonido 40 KHz

Dimensiones 45mm x 20mm x 15mm

Duración mínima del pulso de disparo TRIG

10 μS

Duración del pulso ECO de salida

100-25000 μS

Tiempo mínimo de espera entre una medida y el inicio de otra

recomendable 50ms


64

3. DISEÑO DEL BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL Y MONITOREO DE CAUDAL, NIVEL Y PRESIÓN INTEGRANDO INFRAESTRUCTURA IoT

3.1 ESTRUCTURA DEL BANCO DIDÁCTICO

En los Anexos se encuentra el listado de los planos con sus respectivas

dimensiones de la estructura y cada uno de sus componentes del banco didáctico

propuesto, pero a continuación se mostrará el isométrico de la estructura.

Figura 26. Isométrico de la estructura del banco

didáctico.


Ahora se mostrará el ensamble de la estructura con los elementos que estarán

sometidos a cargas.

65

Figura 27. Isométrico del ensamble de la estructura con los elementos sometidos a fuerzas.


3.2 DISEÑO DE LOS TANQUES

3.2.1 Diseño Tanque Superior. Para el diseño del tanque superior se va a

contar con el tanque que se encuentra en el laboratorio de Automatización de la

Universidad de América el cual tiene dimensiones que se muestran en la Figura

29, para ello se evaluará si el tanque es adecuado para el proyecto, y el desarrollo

de los cálculos se mostraran a continuación.

66

Figura 28. Tanque superior.


Datos a tener en cuenta:

Diámetro tanque = 11 cm = 0.11 m

Altura del tanque = 30 cm = 0,3 m

Espesor de pared del tanque = 3 mm = 3𝑥10−3𝑚

Diámetro tubería de vaciado de emergencia = 1 in = 2,54 cm = 0,0254 m

Altura tubería vaciado de emergencia = 24 cm = 0,24 m

Lo primero a realizar es establecer la relación entre el radio interior del tanque con

el espesor del mismo, mediante la siguiente ecuación:

67

Ecuación 1. Relación entre radio interno y espesor.

𝑡

𝑟𝑖

Fuente: BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J. Keith. Diseño en ingeniería mecánica

de Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. p.108. ISBN10: 9701064046

Donde:

𝑡: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑.

𝑟𝑖: 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟.

𝒕

𝒓𝒊=

3𝑥10−3𝑚

0.104𝑚=

3

104

Después de haber obtenido el resultado, este se compara con el valor de 1

20, donde

si el resultado obtenido es menor a dicho valor se procederá a calcular mediante la

teoría de recipientes de pared delgada, como primera instancia se procederá a

calcular la presión máxima a la que puede estar expuesto el tanque, mediante la

siguiente fórmula:

Ecuación 2. Presión mediante la altura de un fluido.

𝑃 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ

Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education,

2006. p.55. ISBN 0130618853

Donde:

P: Presión del fluido

: Densidad del fluido

g: Valor de la gravedad

h: Altura del fluido

Para este caso el fluido que se tomara para las debidas prácticas es el agua, así

que procederemos a desarrollar las ecuaciones con sus características.

𝑃 = 1000𝑘𝑔

𝑚3∗ 9.81

𝑚

𝑠2∗ 0.3𝑚

𝑃 = 2943𝑃𝑎

Después de haber hallado la presión máxima a la que puede estar sometido el

tanque, se desarrollará lo que son los esfuerzos tangenciales y longitudinales.

68

Primero se desarrollará el cálculo del esfuerzo tangencial promedio para después

desarrollar el esfuerzo tangencial máximo.

Ecuación 3. Esfuerzo tangencial promedio.

𝜎𝑡 𝑝𝑟𝑜𝑚 =𝑃 ∗ 𝑑𝑖

2𝑡

Fuente: BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J. Keith. Diseño en ingeniería

mecánica de Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. p.108. ISBN10:

9701064046

Donde:

P = Presión del tanque

di = Diámetro interno del tanque

t = Espesor de la pared del tanque

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 =𝑃 ∗ 𝑑𝑖

2𝑡

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 =2943 𝑃𝑎 ∗ 0.104 𝑚

2(0.003 𝑚)

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 = 51012 𝑃𝑎

Ecuación 4. Esfuerzo tangencial máximo.

𝜎𝑡 𝑚á𝑥 =𝑃(𝑑𝑖 + 𝑡)

2𝑡

Fuente: BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J. Keith. Diseño en ingeniería mecánica

de Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. p.108. ISBN10: 9701064046

Donde:




𝜎𝑡𝑚á𝑥 =𝑃(𝑑𝑖 + 𝑡)

2𝑡

𝜎𝑡𝑚á𝑥 =2943 𝑃𝑎(0.104 𝑚 + 0.003 𝑚)

2(0.003 𝑚)

𝜎𝑡𝑚á𝑥 = 52483.5 𝑃𝑎

Después de haber hallado los esfuerzos tangenciales, se halla el esfuerzo

longitudinal.

69

Ecuación 5. Esfuerzo longitudinal.

𝜎𝑙 =𝑃 ∗ 𝑑𝑖

4𝑡

Fuente: BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J. Keith. Diseño en ingeniería

mecánica de Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. p.109. ISBN10:

9701064046

Donde:




𝜎𝑙 =2943 𝑃𝑎 𝑥 0.104 𝑚

4(0.003 𝑚)

𝜎𝑙 = 25506 𝑃𝑎

Una vez obtenidos todos los esfuerzos tangenciales y el longitudinal se comparará

dichos esfuerzos con el esfuerzo de fluencia del material en el que está hecho el

acrílico mediante la norma ASTM D790.

𝜎𝑦 = 48.539 𝑀𝑃𝑎 41

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 = 51012 𝑃𝑎 𝜎𝑡𝑚𝑎𝑥 = 52483.5𝑃𝑎 𝜎𝑙 = 25506𝑃𝑎

Se observa que ninguno de los esfuerzos hallados anteriormente supera el esfuerzo

de fluencia del material, por lo que se evidencia que el tanque tiene las dimensiones

y material adecuado para el funcionamiento al que va a estar sometido.

3.2.2 Diseño Del Tanque Inferior. Para el diseño del tanque inferior se presenta

la misma situación que para el tanque superior, la cual es de que dicho tanque está

en el laboratorio de la Universidad de América, entonces se evaluará si es adecuada

para el proyecto, las dimensiones se encuentran en la Figura 30.

41 PROSPECTOR. [sitio web]. Acrílico (acrílico) Propiedades típicas Generic Acrylic (PMMA). [Consulta: 26 abril 2020]. Disponible en: https://plastics.ulprospector.com/es/generics/3/c/t/acrilico-acrilico-properties-processing

70

Figura 29.Tanque inferior.


Datos a tener en cuenta:

Diámetro tanque = 25.4 cm = 0.254 m

Altura del tanque = 33 cm = 0,33 m

Espesor de pared del tanque = 3 mm = 3𝑥10−3𝑚

Los pasos a seguir son los mismos que se siguieron en el tanque superior, por lo

que el primer paso es hallar la relación entre el radio interior y el espesor con la

Ecuación 1.

𝒕

𝒓𝒊=

3𝑥10−3𝑚

0.124𝑚=

3

124

71

Como en el primer tanque este toma un valor menor a 1

20, entonces se aplicará el

mismo concepto de recipientes de pared delgada, para ello se hallará la presión que

ejerce el agua sobre la superficie del tanque teniendo en cuenta que el tanque está

lleno en su totalidad, teniendo en cuenta la Ecuación 2.

𝑃 = 1000 𝑘𝑔

𝑚3∗ 9.81

𝑚

𝑠2∗ 0.33 𝑚

𝑃 = 3237.3 𝑃𝑎

Lo siguiente a desarrollar es el esfuerzo tangencial promedio, teniendo en cuenta la

Ecuación 3.

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 =3237.3 𝑃𝑎 ∗ 0.248 𝑚

2(0.003 𝑚)

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 = 133808.4 𝑃𝑎

Ahora se hallará el esfuerzo tangencial máximo, mediante la Ecuación 4.

𝜎𝑡𝑚á𝑥 =3237.3 𝑃𝑎 (0.248 𝑚 + 0.003 𝑚)

2(0.003 𝑚)

𝜎𝑡𝑚á𝑥 = 135427.05 𝑃𝑎

Después se hallará el esfuerzo longitudinal, mediante la Ecuación 5.

𝜎𝑙 =3237.3 𝑃𝑎 ∗ 0.248 𝑚

4(0.003 𝑚)

𝜎𝑙 = 66904.2 𝑃𝑎

Ahora se compara los resultados anteriores con el esfuerzo de fluencia del

acrílico.

𝜎𝑦 = 48.539 𝑀𝑃𝑎

𝜎𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚 = 133808.4 𝑃𝑎 𝜎𝑡𝑚á𝑥 = 135427.05 𝑃𝑎 𝜎𝑙 = 66904.2 𝑃𝑎

Como se evidencia, ninguno de los tres esfuerzos supera el esfuerzo de fluencia

del material, esto quiere decir que el tanque tiene las medidas y material adecuado

para el funcionamiento del tanque.

3.3 SIMULACIÓN DEL ENSAMBLE DE LA ESTRUCTURA Como primera instancia se pondrán las cargas de acuerdo a las fuerzas que ejerce los tanques sobre cada una de las superficies, para ello se tendrá en cuenta los

72

resultados de las presiones obtenidas en la Ecuación 2, tanto del tanque superior como del inferior, y se utilizará la Ecuación 6 para determinar dichas fuerzas.

Ecuación 6. Presión en términos de fuerza y el área.

𝑃 =𝐹

𝐴

Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education,

2006. p.9. ISBN 0130618853

Donde:

P: Presión

F: Fuerza

A: Área

Ahora se despejará la fuerza de la Ecuación 6, quedando de la siguiente forma.

𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴

En este paso se hallarán las fuerzas del tanque superior 𝐹𝑡𝑠 y las fuerzas el tanque

inferior 𝐹𝑡𝑖.

𝐹𝑡𝑠 = 𝑃𝑡𝑠 ∗ 𝐴𝑡𝑠 𝐹𝑡𝑖 = 𝑃𝑡𝑖 ∗ 𝐴𝑡𝑖

𝐹𝑡𝑠 = 2943 𝑃𝑎 ∗𝜋(0.104𝑚)2

4 𝐹𝑡𝑖 = 3237.3 𝑃𝑎 ∗

𝜋(0.248 𝑚)2

4

𝐹𝑡𝑠 = 25 𝑁 𝐹𝑡𝑖 = 156.37 𝑁

Se realizó un refinamiento de malla, comenzando con un tamaño de malla de 14,5

mm y logrando al final un tamaño de malla de 10 mm, logrando con este tamaño,

un error de 0,321%. A continuación se presentará la tabla de los refinamientos

realizados:

Tabla 11. Datos de los refinamientos de malla.

Tamaño de la malla (mm)

Núm. nodos

Esfuerzo Von Misses promedio (MPa) Error (%)

14,5 46567 2,761

13 55872 3,2348 14,6469643

11,5 62367 3,25 0,46769231

10 73259 3,2396 0,32102729


Luego de hacer un refinamiento de malla en el programa ANSYS con las siguientes

especificaciones:

73

Tabla 12. Especificaciones arrojadas por la simulación.

Número de nodos 73.259

Número de elementos 24.206

Tamaño de malla 10 mm


A continuación se mostrarán imágenes del enmallado realizado para la estructura

del banco didáctico en el programa de simulación.

Figura 30. Enmallado de la estructura.


Figura 31. Enmallado de la estructura (continuación).


74

Los datos de la solución de la Ecuación 6 fueron los seleccionados para ejercer

fuerza sobre el banco como se mostrará a continuación:

Figura 32. Carga del tanque superior.


En la Figura 33 se muestra la posición y dirección en la cual se ejerce la fuerza del

tanque superior sobre la plataforma para la simulación.

Figura 33. Carga del tanque inferior.


En la Figura 34 se muestra la posición y dirección en la cual se ejerce la fuerza del

tanque inferior sobre la lámina del mismo nombre.

75

Figura 34. Restricciones de desplazamientos.


En la Figura 35 se muestra las restricciones de desplazamiento que se le asigna a

cada uno de los apoyos de la estructura.

Ahora se mostrarán los resultados obtenidos en las simulaciones:

Figura 35. Deformación en la estructura.


En la Figura 36 se muestra el resultado de la deformación producida por las fuerzas

establecidas anteriormente, y como se evidencia los mayores desplazamientos se

evidencian en el soporte inferior del tanque.

76

Figura 36. Esfuerzos de la estructura.


En la Figura 37 se muestran los esfuerzos de la estructura al ser sometida a las

cargas halladas con anterioridad, donde se muestran que donde se evidencian los

mayores esfuerzos son en el soporte inferior del tanque y los soportes en L de la

estructura.

Figura 37. Deformaciones en la estructura.


En la Figura 38 se muestran las deformaciones de la estructura al ser sometida a

las cargas halladas con anterioridad, donde se muestran que donde se evidencian

las mayores deformaciones son en el soporte inferior del tanque y los soportes en

L de la estructura.

77

3.3.1. Análisis de resultados de la simulación. En la Tabla 12 se muestran los

resultados producto del proceso de refinamiento de malla y se evidencia la convergencia de los datos a medida que se realiza el proceso de refinamiento, reduciéndose la diferencia entre los datos a medida que se aumentan los elementos utilizados producto de la disminución del tamaño de malla; se decide detener el proceso de refinamiento de malla en el tamaño de la misma igual a 10 mm debido a que el dato ya se había acercado lo suficiente. Luego se comparará el esfuerzo máximo obtenido en la simulación con el límite de

fluencia del material, y se presentarán a continuación:

2,2186 MPa < 304 MPa

Como se observa, el límite de fluencia propio del material es mucho mayor al

máximo esfuerzo al cual se encontrará sometido durante su operación, esto permite

asegurar que el material resistirá a los esfuerzos que se ejercerán sobre el mismo.

Finalmente, se procede a calcular el factor de seguridad (F.S) de la estructura con

la fórmula que se presentará en este documento, teniendo en cuenta los datos

obtenidos en la simulación que se mostró anteriormente.

Ecuación 7. Factor de seguridad.

𝐹. 𝑆 =𝜎𝑦

𝜎𝑉𝑀


Donde:

𝜎𝑦: 𝐿í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙.

𝜎𝑉𝑀: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑠𝑒𝑠.

𝐹. 𝑆 =304 𝑀𝑃𝑎

2,2186 𝑀𝑃𝑎= 137,02

De acuerdo a lo anterior, el valor obtenido para el factor de seguridad

correspondiente a la estructura es elevado, de este modo, se confirma una vez más

que esta soportará adecuadamente las cargas impuestas por el diseño planteado

para el módulo didáctico.

Para completar el proceso de simulación se decide con los datos obtenidos elaborar

la gráfica de esfuerzo vs deformación de la estructura:

78

Figura 38. Gráfica de esfuerzo vs deformación.


Donde en esta gráfica se evidencia que la estructura no supera la fluencia del

material AISI 1020 que es con la que está construida, esto concuerda con los

resultados obtenidos durante la simulación.

3.4 SOLDADURA DE LA ESTRUCTURA

Para la unión de los diferentes elementos que componen la estructura, como lo son:

Las columnas, los arriostramientos, la placa inferior y la placa superior, se realizan

mediante el uso de soldadura, a continuación se desarrollará el cálculo para el uso

de la soldadura. Antes de empezar con los cálculos es importante conocer qué tipo

de soldadura es la que se presenta en la estructura, para ello se apoyará ésta

decisión con la siguiente imagen:

79

Figura 39. Factores geométricos para el análisis de soldadura.

Fuente: MOTT, Robert. Diseño de elementos

de máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson

Education, 2006. p.786. ISBN 0130618853.

Gracias a ésta información se puede definir que la situación más acorde al proyecto,

es la opción número siete y gracias a ésta información se tienen dos factores que

se deben tener en cuenta, el área y el tipo de esfuerzo al que va a estar sometida

la estructura, para este caso, se evalúa que la estructura estará sometida a

esfuerzos flectores, y siguiendo los parámetros de la Figura 40 en la opción 7 se

tienen las siguientes fórmulas:

80

Figura 40. Parámetros de soldadura.

Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de

máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson education,

2006. p.786. ISBN 0130618853.

Ecuación 8. Área efectiva de la soldadura.

𝐴𝑤 = 2𝑏 + 2𝑑


Donde:

𝐴𝑤 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎.

𝑏 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙.

𝑑 = 𝐴𝑙𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙.

Ecuación 9. Momento resistente elástico de la soldadura.

𝑆𝑤 = 𝑏𝑑 +𝑑2

3


Donde:

𝑆𝑤 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎.

𝑏 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙.

𝑑 = 𝐴𝑙𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙.

Sabiendo qué es cada una de las variables, se pasa a desarrollar las ecuaciones

que se evidencian en la Figura 41, además se tendrá en cuenta la sugerencia del

texto guía de hacer las operaciones en sistema inglés.

Primero, se hará la solución del área efectiva de la soldadura:

81

𝐴𝑤 = 2𝑏 + 2𝑑

𝐴𝑤 = 2(1 𝑖𝑛) + 2(1 𝑖𝑛)

𝐴𝑤 = 2 𝑖𝑛 + 2 𝑖𝑛

𝐴𝑤 = 4 𝑖𝑛

𝐴𝑤 = 0.1016𝑚

Segundo, se hará la solución del momento resistente elástico de la soldadura:

𝑆𝑤 = 𝑏𝑑 +𝑑2

3

𝑆𝑤 = (1)(1) +12

3{𝑖𝑛2}

𝑆𝑤 = 43⁄ 𝑖𝑛2

𝑆𝑤 = 0.0338667𝑚2

Después de haber encontrado los valores de área efectiva (𝐴𝑤) y el momento

resistente elástico (𝑆𝑤), se hallará el valor de la fuerza por pulgada de la soldadura

para ello se tendrá en cuenta que el tipo de carga, para el proyecto es cortante, para

ello se tomará la ecuación dependiendo de la siguiente imagen.

Figura 41. Fórmula para la fuerza x Pulgada de la soldadura.

Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos

de máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson

education, 2006. p.785. ISBN 0130618853.

Para calcular la fuerza cortante se usará la fórmula:

Ecuación 10. Fuerza cortante.

𝑓𝑣 =𝑉

𝐴𝑤

Donde:

82

Fuerza cortante es 𝑓𝑣

La carga aplicada es 𝑉

El área efectiva es 𝐴𝑤

Para dar valor a la carga aplicada se hará el respectivo análisis, para así hallar el

valor de la carga aplicada en las soldaduras a la que se les va a hacer el estudio,

para ello se analizan los diagramas de cuerpo libre para hallar las reacciones en

cada uno de los puntos de soldadura.

Primero se halla la carga distribuida que va a sostener la estructura superior, donde

se hará uso de la siguiente fórmula:

Ecuación 11. Carga distribuida superior.

𝑊𝑠 = 𝑃𝑠 ∗ 𝐿𝑠

Donde:

Carga distribuida del tanque superior es Ws

Presión que ejerce el tanque superior es Ps

Longitud del costado de la estructura Ls

𝑊𝑠 = 2943 𝑁

𝑚2∗ 0.298 𝑚

𝑊𝑠 = 877.014 𝑁

𝑚

Como siguiente paso se halla la carga puntual a partir de la carga distribuida, con

la siguiente fórmula:

Ecuación 12. Carga puntual superior.

𝐹𝑠 = 𝑊𝑠 ∗ 𝐷𝑖𝑠

Donde:

Fuerza puntual del tanque superior es Fs

Carga distribuida del tanque superior es Ws

Diámetro interior del tanque superior es Dis

𝐹𝑠 = 877.014 𝑁

𝑚∗ 0.104 𝑚

𝐹𝑠 = 91.21 𝑁

83

Figura 42. Diagrama de soldadura para el tanque superior.


Figura 43. Diagrama de cuerpo libre de los soportes del tanque superior.


84

Figura 44. Referenciación de nodos para el soporte del tanque superior.


Teniendo en cuenta las figuras anteriores se procede a realizar los cálculos de las

ecuaciones de equilibrio:

Para la sumatoria de fuerzas en X se evidencia que no se produce ninguna reacción:

∑ 𝐹𝑥 = 0

𝐹𝐷𝑥 = 0

𝐹𝐸𝑥 = 0

Para la sumatoria de fuerzas en Y se hallan las reacciones correspondientes a los

nodos D y E:

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝐹𝐷𝑦 – 91.21𝑁 + 𝐹𝐸𝑦=0

Después de la suma de fuerzas, se procede a realizar la sumatoria de momentos y

en este caso se realiza tomando como punto de referencia el D:

∑𝑀𝐷 = 0

(−91.21 𝑁) (0.149 𝑚) + (𝐹𝐸𝑦)(0.298 𝑚) = 0

Según los datos obtenidos anteriormente, se procede a hallar los valores de las

reacciones en los nodos B y A:

𝐹𝐸𝑦 = (91.21 𝑁) (0.149 𝑚)

0.298 𝑚

𝐹𝐸𝑦 = 45.605 𝑁

85

𝐹𝐷𝑦 = 91.21 𝑁 − (45.605 𝑁)

𝐹𝐷𝑦 = 45.605 𝑁

Igual que el análisis de la estructura superior, se halla la carga distribuida y la carga

puntual, entonces:

Primero, se halla la carga distribuida que va a sostener la estructura inferior, donde

se hará uso de la siguiente fórmula:

Ecuación 13. Carga distribuida inferior.

𝑊𝑖 = 𝑃𝑖 ∗ 𝐿𝑖

Donde:

Carga distribuida del tanque inferior es Wi

Presión que ejerce el tanque inferior es Pi

Longitud del costado de la estructura inferior Li

𝑊𝑖 = 3237.3 𝑁

𝑚2∗ 0.298 𝑚

𝑊𝑖 = 964.7154 𝑁

𝑚

Como siguiente paso, se halla la carga puntual a partir de la carga distribuida, con

la siguiente fórmula:

Ecuación 14. Carga puntual inferior.

𝐹𝑖 = 𝑊𝑖 𝑥 𝐷𝑖𝑖

Donde:

Fuerza puntual del tanque inferior es Fi

Carga distribuida del tanque inferior es Wi

Diámetro interior del tanque inferior es Dii

𝐹𝑖 = 964.7254 𝑁

𝑚∗ 0.248 𝑚

𝐹𝑖 = 239.25 𝑁

86

Figura 45. Diagrama de soldadura para el tanque inferior.


Figura 46. Diagrama de cuerpo libre de los soportes del tanque inferior.


87

Figura 47. Referenciación de nodos para el soporte del tanque inferior.


Teniendo en cuenta las figuras anteriores, se procede a realizar los cálculos de las

ecuaciones de equilibrio.

Cabe aclarar que en C al no haber ningún tipo de fuerza, no se presenta ninguna

reacción ni en X ni tampoco en Y.

Para la sumatoria de fuerzas en X, se evidencia que no se produce ninguna

reacción:

∑ 𝐹𝑥 = 0

𝐹𝐴𝑥 = 0

𝐹𝐵𝑥 = 0

Para la sumatoria de fuerzas en Y se hallan las reacciones correspondientes a los

nodos B y A debido a que en el nodo C no presenta ninguna reacción:

∑ 𝐹𝑦 = 0

-RE-RD+𝐹𝐴𝑦 – 239.35𝑁 + 𝐹𝐵𝑦=0

−45.605N−45.605N+𝐹𝐴𝑦 – 239.35𝑁 + 𝐹𝐵𝑦=0

Después de la suma de fuerzas, se procede a realizar la sumatoria de momentos y

en este caso se realiza tomando como punto de referencia el A:

∑ 𝑀𝐴 = 0

88

(−239.35𝑁) (0.131𝑚) +

(𝐹𝐵𝑦)(0.298𝑚)+(−45.605𝑁)(0.298 𝑚) = 0

Según los datos obtenidos anteriormente se procede a hallar los valores de las

reacciones en los nodos B y A:

𝐹𝐵𝑦 =(239.35N) (0.131m)+ (45.605N) (0.298 m)

0.298𝑚

𝐹𝐵𝑦 = 150.77𝑁

𝐹𝐴𝑦 = 45.605 N+45.605 N+239.35 𝑁 – 150.77 N

𝐹𝐴𝑦 = 179.68 𝑁

Y así se reemplaza la fuerza en la Ecuación 10:

Tabla 13. Resultados fuerzas cortantes tanque inferior.

Punto de soldadura Fuerza cortante

A1 10.098 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

A2 10.098 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B1 8.47 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B2 8.47 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Tabla 14. Resultados fuerzas cortantes tanque superior.

Punto de soldadura Fuerza cortante

D1 2.5631 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

D2 2.5631 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E1 2.5631 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E2 2.5631 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Ahora hay que tener en cuenta el momento flector que se puede producir en la

soldadura, para ello, se tomará la distancia máxima que puede tomar el mismo, que

es igual a la altura que dispone del segundo piso del banco al tercer piso del mismo

y es igual a 50 cm.

89

Ecuación 15. Ecuación del momento flector máximo.

𝑀𝑚á𝑥 = 𝑉 ∗ 𝐷

Donde:

Momento flector máximo es 𝑀𝑚á𝑥

La carga aplicada es 𝑉

Altura es D

Tabla 153. Resultados momento flector máximo tanque inferior.

Punto de soldadura Momento flector

A1 795.155 𝐿𝑏𝑓 x 𝑖𝑛

A2 795.155 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛

B1 667.252 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛

B2 667.252 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛


Tabla 16. Resultados momento flector máximo tanque superior.

Punto de soldadura Momento flector

D1 201.82 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛

D2 201.82 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛

E1 201.82 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛

E2 201.82 𝐿𝑏𝑓 𝑥 𝑖𝑛


Luego se realiza la operación para dar valor a la fuerza de flexión por pulgada

tomando la ecuación que aparece a continuación.

Ecuación 16. Ecuación de fuerza de flexión por pulgada.

𝑓𝑓 =𝑀𝑚á𝑥

𝑆𝑤

Donde:

La fuerza de flexión por pulgada es 𝑓𝑓

Momento flector es 𝑀

90

El momento resistente elástico es 𝑆𝑤

Tabla 47. Resultados fuerza de flexión del tanque inferior.

Punto de soldadura Fuerza de flexión

A1 596.366 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

A2 596.366 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B1 500.439 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B2 500.439 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Tabla 18. Resultados fuerza de flexión del tanque superior.

Punto de soldadura Fuerza de flexión

D1 151.365 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

D2 151.365 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E1 151.365 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E2 151.365 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Como ahora se tienen los dos componentes de fuerzas como lo son 𝑓𝑣 y 𝑓𝑓, se

hallará la fuerza resultante, que resulta de la suma de dichos componentes, todo

esto con la siguiente fórmula:

Ecuación 17. Fuerza resultante en soldadura.

𝑓𝑟 = √𝑓𝑣2 + 𝑓𝑓

2

Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.:

Pearson education, 2006. p.791. ISBN 0130618853.

91

Tabla 19. Resultados de fuerza resultante del tanque inferior.

Punto de soldadura Fuerza resultante

A1 596.4514𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

A2 596.4514 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B1 500.51 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

B2 500.51 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Tabla 20. Resultados de fuerza resultante del tanque superior.

Punto de soldadura Fuerza resultante

D1 151.386 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

D2 151.386 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E1 151.386 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛

E2 151.386 𝐿𝑏𝑓

𝑖𝑛


Después de hallar los valores anteriores se establecerá el tipo de electrodo que va

acorde a las siguientes especificaciones. Como la estructura se encuentra a cargas

estáticas se puede tomar como una estructura tipo edificio y la fuerza por pulgada

que soporte el electrodo tiene que ser mayor a la fuerza resultante del procedimiento

anterior, para ello se escogerá dicho electrodo en la siguiente imagen.

Figura 48. Tipo de electrodo.



92

Según la anterior imagen, el electrodo sugerido para las uniones de la estructura es

el E60 con una fuerza admisible por pulgada de 9600 𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛, después se pasa a

determinar el ancho del cordón (W) que viene determinado por la siguiente

ecuación:

Ecuación 18. Ancho del cordón de soldadura.

𝑊 =𝐹𝑟

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎



Tabla 21. Resultados de ancho de cordón de soldadura tanque inferior.

Punto de soldadura Ancho de cordón de soldadura

A1 0.0621 𝑖𝑛

A2 0.0621 𝑖𝑛

B1 0.0521 𝑖𝑛

B2 0.0521 𝑖𝑛


Tabla 22. Resultados de ancho de cordón de soldadura tanque superior.

Punto de soldadura Ancho de cordón de soldadura

D1 0.0157 𝑖𝑛

D2 0.0157 𝑖𝑛

E1 0.0157 𝑖𝑛

E2 0.0157 𝑖𝑛


Antes de concluir el resultado anterior, se debe tener en cuenta la siguiente imagen.

93

Figura 49. Tamaños mínimos de cordón de soldadura.

Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de

elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.:

Pearson education, 2006. p.787. ISBN

0130618853.

De acuerdo a lo anterior el tamaño máximo del lado para la soldadura es de 3

16

pulgada, para ello se usará un electrodo E60 donde por economía, facilidad de

manipulación y el tipo de cordón que resulta al hacer el procedimiento de soldar la

estructura, se decide hacer el mismo por soldadura eléctrica.

3.5 DISEÑO DEL MÓDULO IOT

Lo primero a tener en cuenta para el diseño del módulo IoT son los componentes

que lo van a integrar, donde para su funcionamiento cada uno de ellos tendrá su

función esencial para permitir el control y monitoreo remoto del banco didáctico,

para ello se empezará con dos elementos, los cuales son el Arduino Uno y una placa

de baquela donde la ubicación que tomarán en el módulo será la siguiente:

94

Figura 50. Plano de conexionado de componentes del módulo IoT.


95

Figura 51. Plano de conexionado de componentes del módulo IoT (parte posterior).


La función de la baquela en el módulo es brindar espacio para las conexiones que

se necesitan para ejercer el control y monitoreo del mismo, allí irán las conexiones

que vendrán de los sensores al Arduino y también las conexiones que saldrán del

Arduino hacia los actuadores como lo son la bomba y la válvula.

Además de estos dos implementos se necesitará de un componente que permita

hacer la comunicación mediante internet, este implemento será el Arduino Shield

Ethernet W5100:

96

Figura 52. Arduino Shield Ethernet W5100.

Fuente: MERCADO LIBRE [sitio web]. ARDUINO

SHIELD ETHERNET W5100. Disponible en:

https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-474432769-

shield-ethernet-w5100-arduino-modulo-red-arduino-uno-

mega-

_JM?matt_tool=78642795&matt_word&gclid=Cj0KCQjw_e

z2BRCyARIsAJfg-ksxTySHXiYyMtEfK1jp_tPiTNITX_I6u-

ASPNvhAZIUBYZ-umj8zNsaAlbAEALw_wcB&quantity=1

Este dispositivo permitirá la comunicación del banco didáctico por medio de internet

utilizando el Ethernet como medio, se escogió este medio por el hecho de que no

va a presentar interferencias en la comunicación cuando este sea encendido, el

montaje de este dispositivo se hará encima del Arduino, donde cada salida que tiene

por debajo son las mismas entradas que tiene el Arduino y dicho montaje quedara

de la siguiente manera:

https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-474432769-shield-ethernet-w5100-arduino-modulo-red-arduino-uno-mega-_JM?matt_tool=78642795&matt_word&gclid=Cj0KCQjw_ez2BRCyARIsAJfg-ksxTySHXiYyMtEfK1jp_tPiTNITX_I6u-ASPNvhAZIUBYZ-umj8zNsaAlbAEALw_wcB&quantity=1






97

Figura 53. Montaje del Arduino con el Shield Ethernet W5100.

Fuente: MERCADO LIBRE [sitio web].

ARDUINO SHIELD ETHERNET W5100.

Disponible en:

https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-

458378294-modulo-ethernet-shield-

w5100-para-arduino-

_JM?matt_tool=78642795&matt_word&gcl

id=Cj0KCQjw_ez2BRCyARIsAJfg-

ksVdDthTdnx0voSaylmsVCCknPTMfgA6Q

I4beCWbFL6Bhy4fJk0MBQaAgzREALw_

wcB&quantity=1

Y así culmina la parte de los elementos que componen el módulo IoT, ahora se

mostrará la caja, donde su función es mantener todos estos elementos en conjunto:

https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-458378294-modulo-ethernet-shield-w5100-para-arduino-_JM?matt_tool=78642795&matt_word&gclid=Cj0KCQjw_ez2BRCyARIsAJfg-ksVdDthTdnx0voSaylmsVCCknPTMfgA6QI4beCWbFL6Bhy4fJk0MBQaAgzREALw_wcB&quantity=1








98

Figura 54. Caja del módulo IoT.


En la siguiente Figura 55, utilizando el programa Proteus, se evidencia el plano

electrónico y eléctrico del módulo IoT.

Cabe aclarar que la bomba se activa de manera On-Off a través de una señal de

24V, que es apta para los módulos PLC y las tarjetas de National Instruments del

laboratorio de la Universidad, adicionalmente la regulación de la bomba se hace por

medio del corte y saturación del transistor IRF-510 con una entrada PWM.

El sensado de nivel se hace a través de un sensor ultrasónico o con el sensor de presión diferencial, el flujo a través de un sensor tipo turbina y la presión a través de un sensor MPX, donde la única señal análoga es la de presión, los otros dos emplean señales digitales.

La salida de los valores de las variables monitoreadas se da en rangos de 0 a 5V, a través del conversor digital análogo MCP-4725.

La activación de la válvula se hace a través de señales de 24V para que pueda ser activada a través de las tarjetas anteriormente expuestas.

99

Figura 55. Plano eléctrico y electrónico del módulo IoT.


3.6 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

Para empezar a explicar el sistema de control se utilizará el sistema de gama partida

por el hecho de que se va a controlar dos actuadores con un mismo controlador,

además se establecerá el sistema como un SISO (Single Input Single Output), para

esto se muestra el siguiente esquema:

100

Figura 56.Diagrama del sistema de control gama partida.


Primero que todo se va a encontrar que el monitoreo y control se van a llevar a cabo

por un dispositivo electrónico como lo puede ser una Tablet, celular o computador,

es decir cualquier dispositivo que se pueda conectar a internet, dicho dispositivo va

hacer la envía y adquisición de datos por medio de un modem el cual estará unido

a un SETPOINT, ya sea porque lo envió el usuario o por el SETPOINT que el banco

está enviando por medio de los sensores.

El recuadro de línea punteada hace referencia al sistema de control que va a tener

el banco didáctico, el cual va a ser constituido por el PLC o la tarjeta LabView más

el Arduino, esta etapa va a ser la encargada de convertir el SETPOINT en comandos

hacia los actuadores en este caso la válvula y la bomba y estos establecerán las

nuevas condiciones al tanque.

Y además del diagrama anterior mostrado se dará a conocer otro diagrama, pero

esta vez basándose en la norma ISA:

101

Figura 57. Diagrama del sistema de control.


En este diagrama se aclara que el tipo de accionamiento que va a tener la válvula

va a ser de tipo ON-OFF y el de la bomba va a ser de tipo análogo, además aclarar

que se usa un controlador multivariable por el hecho de que llegan 3 señales de

distinto tipo a un mismo controlador y la última aclaración es que el agua se va a

verter por el tanque inferior ya que este es un tanque abierto.

3.7 SELECCIÓN DE BOMBA

Ya que la finalidad del banco didáctico es controlar el caudal, el nivel y la presión en

un tanque relativamente pequeño, las bombas por catálogo que se encontraban no

satisfacían el proyecto, debido a que las potencias mínimas ofrecidas son bastante

grandes y llenarían el tanque muy rápido, impidiendo el control del mismo. Debido

a ésta circunstancia, se encontró una bomba pequeña en el mercado que permite

realizar el control de las variables anteriormente mencionadas.

Igualmente se sustenta esta bomba con las pérdidas del sistema y con la curva de

comportamiento de la misma.

102

3.7.1 Pérdidas del sistema. De acuerdo al libro Mecánica de fluidos42 la ecuación

modificada de Bernouilli para sistemas de tuberías con accesorios, bombas y

turbinas es:

Ecuación 19. Bernouilli para sistemas de tuberías.

𝑃1

𝛾+

𝑣12

2𝑔+ 𝑧1 + ℎ𝐴 − ℎ𝑅 − ℎ𝐿 =

𝑃2

𝛾+

𝑣22

2𝑔+ 𝑧2


Donde:

𝑃1: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 1.

𝛾: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜.

𝑣1: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 1.

𝑔: 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑.

𝑧1: 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 1.

ℎ𝐴: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜, 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑢𝑛 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎.

ℎ𝑅: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑢𝑒𝑣𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜,

𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑢𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.

ℎ𝐿: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑦 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.

𝑃2: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 2.

𝑣2: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 2.

𝑧2: 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 2.

42 MOTT, R. MECÁNICA DE FLUIDOS. Sexta edición. Ed. PEARSON Prentice Hall. 2006. ISBN 970-26-0805-8. p. 202.

103

Figura 58. Puntos 1 y 2 para ecuación de Bernouilli (la medida en milímetros).


De acuerdo a los puntos 1 y 2 de la Figura 59, la Ecuación 10, quedaría de la

siguiente manera., habiendo hecho las cancelaciones respectivas:

Ecuación 20. Ec. 10 adaptada al proyecto.

ℎ𝐴 = ℎ𝐿 +𝑃2

𝛾+ 𝑧2


Según el Manual de dimensiones y presiones de PAVCO43, se tiene que para

tuberías de PVC de ½ in:

43 PAVCO. Manual Técnico Tubo Sistemas PRESIÓN PVC. Disponible en:

pavcowavin.com.co/download. p.7.

104

Figura 59. Díámetro interior de tubería PVC 1/2 in.

Fuente: PAVCO. Manual Manual Técnico Tubo Sistemas PRESIÓN PVC.

Disponible en: pavcowavin.com.co › download. p.7.

Teniendo un diámetro interno de 0,0166 m, el área interna del mismo es igual a:

𝐴𝑖𝑛𝑡

12

𝑖𝑛 =

𝜋

4(0,0166 𝑚)2 = 2,1642 ∗ 10−4𝑚2

𝐴𝑖𝑛𝑡

38

𝑖𝑛 =

𝜋

4(0,0125 𝑚)2 = 1,2272 ∗ 10−4𝑚2

Para comenzar, se tiene un caudal (Q) máximo de 13,33 L/min, es decir

0,000222166 m3/s, con esto se hallará la velocidad en la tubería.

𝑣12

𝑖𝑛=

𝑄

𝐴𝑖𝑛𝑡=

0,000222166 𝑚3

𝑠⁄

2,1642 ∗ 10−4𝑚2= 1,02655 𝑚

𝑠⁄

𝑣38

𝑖𝑛=

𝑄

𝐴𝑖𝑛𝑡=

0,000222166 𝑚3

𝑠⁄

1,2272 ∗ 10−4𝑚2= 1,8103 𝑚

𝑠⁄

Seguido, se halla el número de Reynolds (Re)44:

Ecuación 21. Número de Reynolds.

𝑅𝑒 =𝑣 ∗ 𝑑

𝜐


Donde:

𝑣: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑.

𝑑: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.

𝜐: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑎 (𝜐𝑎𝑔𝑢𝑎 20°𝐶 = 1,02 ∗ 10−6 𝑚2

𝑠⁄ )

44 MOTT, R. Op. Cit. p. 232.

105

𝑅𝑒12

𝑖𝑛=

1,02655 𝑚𝑠⁄ ∗ 0,0127 𝑚

1,02 ∗ 10−6 𝑚2

𝑠⁄= 12781,55 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑅𝑒38

𝑖𝑛=

1,8103 𝑚𝑠⁄ ∗ 0,009525 𝑚

1,02 ∗ 10−6 𝑚2

𝑠⁄= 16905,01 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜

Ahora para encontrar las pérdidas primarias, tanto en la línea de succión como en

la línea de descarga, se utilizará la siguiente ecuación del libro de Mott45.

Ecuación 22. Pérdidas primarias.

ℎ𝐿 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝑓 ∗𝐿

𝑑𝑖𝑛𝑡∗

𝑣2

2𝑔


Donde:

𝑓: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛.

𝐿: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.

𝑑𝑖𝑛𝑡: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.

𝑣: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.


Pero primero, se debe hallar el factor de fricción (f) con la siguiente ecuación46:

Ecuación 23. Factor de fricción para régimen turbulento.

𝑓 =0,25

[𝑙𝑜𝑔 (1

3,7(𝐷𝜀⁄ )

+5,74𝑅𝑒0,9)]

2


Donde:

𝐷: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.

𝜀: 𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (𝜀𝑃𝑉𝐶 = 7 ∗ 10−6 𝑚)

𝑅𝑒: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠.

45 MOTT, R. Op. Cit. p. 233. 46 Ibíd. p. 242.

106

Aplicando la Ec. 14, el factor de fricción es el siguiente:

𝑓12

𝑖𝑛=

0,25

[𝑙𝑜𝑔 (1

3,7 (0,0166 𝑚7 ∗ 10−6 𝑚

⁄ )+

5,7412781,550,9)]

2 = 0,0298

𝑓38

𝑖𝑛=

0,25

[𝑙𝑜𝑔 (1

3,7 (0,0125 𝑚1,5 ∗ 10−6 𝑚⁄ )

+5,74

16905,010,9)]

2 = 0,0272

Ahora si, aplicando la Ec. 13, las pérdidas primarias de toda la tubería que es de ½

in son iguales a:

ℎ𝐿 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎𝑠 = 0,0298 ∗0,935 𝑚

0,0166 𝑚∗

(1,02655 𝑚𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 0,0901 𝑚

Se asume que el sensor de flujo actúa como línea de tubería, es decir, sería una

pérdida primaria, así mismo se aplica la Ec. 13:

ℎ𝐿 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 = 0,0298 ∗0,06 𝑚

0,0166 𝑚∗

(1,02655 𝑚𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 5,7852 ∗ 10−3 𝑚

Luego se hallan las pérdidas secundarias, utilizando las siguientes ecuaciones:

Para los codos se utiliza la siguiente ecuación47:

Ecuación 24. Pérdida con longitud equivalente.

ℎ𝐿 = 𝑓 ∗ (𝐿𝑒

𝐷) ∗

𝑣2

2𝑔


Donde:

𝐿𝑒

𝐷: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒.

𝑣: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.


47 MOTT, R. Op. Cit. p. 298.

107

Para las pérdidas a la entrada y para la contracción súbita, se utiliza la siguiente

ecuación48:

Ecuación 25. Pérdidas con factor K.

ℎ𝐿 = 𝐾 ∗𝑣2

2𝑔


Donde:

𝐾: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎.

𝑣: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑.


Pérdida por codo de 90° ½ in en PVC (Le/D=3049)

ℎ𝐿 𝑐𝑜𝑑𝑜 𝑃𝑉𝐶 = 0,0298 ∗ (30) ∗(1,02655 𝑚

𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 0,048 𝑚

Pérdida por codo de 90° 3/8 in en acero (Le/D=3050)

ℎ𝐿 𝑐𝑜𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = 0,0272 ∗ (30) ∗(1,8103 𝑚

𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 0,1363 𝑚

Pérdida a la entrada (tubería que se proyecta hacia adentro (K=151)

ℎ𝐿 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 1 ∗(1,02655 𝑚

𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 0,0537 𝑚

Pérdida por contracción súbita

Como primer paso, se halla la relación de diámetros:

𝐷1

𝐷2=

1/2

38⁄

= 1,33

Para que con la velocidad de diámetro 3/8 in, se encuentre el coeficiente de

resistencia K interpolando de la siguiente manera bajo los datos que se

encuentran en el libro de Mott52:

48 Ibíd. p. 292. 49 Ibíd. p. 297. 50 Ibíd. p. 297. 51 Ibíd. p. 293. 52 Ibíd. p. 289.

108

Tabla 23. Coeficiente de resistencia K para contracción súbita.

D1/D2 K (velocidad=1,8103

m/s)

1,2 0,07

1,33 0,135

1,4 0,17


Como paso siguiente, se aplica la Ec. 25 con los valores de diámetro 3/8 in:

ℎ𝐿 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠ú𝑏𝑖𝑡𝑎 = 0,135 ∗(1,8103 𝑚

𝑠⁄ )2

2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄

= 0,0125 𝑚

Por último, se suman tanto las pérdidas primarias como las secundarias, para un

total de:

𝒉𝑳 𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = (0,0901 + 5,7852 ∗ 10−3 + 0,048 + 0,1363 + 0,0537 + 0,0125 ) 𝑚

= 0,3464 𝑚

Y a continuación, se aplicará la Ec. 11 para encontrar la cabeza de la bomba:

ℎ𝐴 = 0,3464 𝑚 +2746,8 𝑃𝑎

9,79 ∗ 103 𝑁𝑚3⁄

+ 1,0495 𝑚 = 1,6765 𝑚

Por último, se desarrollará la fórmula para calcular la potencia requerida para la

bomba en este proyecto con la siguiente ecuación:

Ecuación 26. Potencia requerida de la bomba.

𝑃𝐴 = ℎ𝐴 ∗ 𝛾 ∗ 𝑄


Donde:

𝑃𝐴: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎.

ℎ𝐴: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜, 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑢𝑛 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎.

𝛾: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜.

𝑄: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙.

𝑃𝐴 = 1,6765 𝑚 ∗ 9,79 ∗ 103 𝑁𝑚3⁄ ∗ 0,000222166 𝑚3

𝑠⁄ = 3,6464 𝑊

109

3.7.2 Curva de comportamiento bomba ZYW – 680. De acuerdo a los fabricantes

y los comercializadores Aliexpress53 y Joom54, los datos de voltaje vs altura de

cabeza se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 24. Altura de cabeza vs. voltaje de la bomba ZYW-680.

Voltaje (V) Altura cabeza

(cm)

6 80

12 550

24 800


Luego se interpolan estos datos y se encuentra la ecuación y la gráfica de

comportamiento característica de una bomba centrífuga mediante el programa

Excel 2013.

53 ALIEXPRESS. [Consultado el: 4 de marzo del 2020]. Disponible en: https://es.aliexpress.com/item/4000016805069.html 54 JOOM. [Consultado el: 4 de marzo del 2020]. Disponible en: https://www.joom.com/es/products/5c7f3a166ecda80101c85e51

110

Figura 60. Curva de comportamiento de la bomba ZYW-680.


A continuación, se procede a interpolar desde 6V hasta 24V los valores de altura de

cabeza de la bomba.

y = -3,1944x2 + 135,83x - 620

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30

Altura

de c

abeza (

cm

)

Voltaje (V)

Curva de comportamiento de la bomba ZYW 680

111

Tabla 25. Interpolación voltaje vs. altura de cabeza de la bomba ZYW-680.

Voltaje (V) Altura cabeza (cm)

6 80

7 174

8 262

9 344

10 419

11 488

12 550

13 606

14 656

15 699

16 736

17 766

18 790

19 808

20 819

21 824

22 822

23 814

24 800


Teniendo en cuenta, la cabeza de altura de la bomba que se encontró en la sección

3.7.1., que es de 1,6765 m, se encontró que la bomba es apta para manejarla desde

los 7V, ya que la altura de cabeza dada por los fabricantes y los comercializadores

es mayor que la que se encontró en la sección mencionada anteriormente. Y

encontrando la potencia requerida, que fue de 3,6464 W, se asegura que la bomba

cumple con esta condición también, ya que la ZYW-680 tiene una potencia de 20

W.

3.8 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES SELECCIONADOS

Los sensores seleccionados para el banco didáctico necesitan de una programación

en el programa Arduino para que cumplan debidamente el control y monitoreo de

112

las variables de proceso que el usuario desea suministrar al banco, a continuación

se desarrollará el paso a paso de la programación de cada uno de éstos.

3.8.1 Sensor de presión MPX5100DP. Con el fin de mostrar el debido proceso de

programación de éste sensor se decide como primera instancia la calibración del

mismo, donde primero se realiza una recolección de datos que corresponden a los

datos que el programa Arduino muestra y por otro lado las lecturas que un

instrumento de medición de voltaje entregaba, así se realiza una tabla que tiene

como resultado éstos datos:

Tabla 265. Calibración de resultados del sensor de presión.

Lectura análoga

Presión (psi)

38 0

330 4.4

550 7.8

687 10

890 13


Con éstos datos, se realiza una gráfica para ver el comportamiento de los resultados

mostrados anteriormente, después de ver ilustrados los resultados, se demostró que

el comportamiento de dichos resultados se desarrolla de manera lineal, por ello se

halla la ecuación de la recta y con esa ecuación se apoyará la programación para

su debida calibración en el programa.

Gráfica 1. Calibración de resultados del sensor de presión.


y = 0,0153x - 0,6051

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Pre

sió

n (p

si)

Lectura análoga

Calibración sensor de presión

113

Estos datos, se obtuvieron gracias a las instalaciones de laboratorio de

Automatización que tiene la Fundación Universidad de América, también contando

con los instrumentos de presurización, instrumentos de medición y las respectivas

conexiones que se usaron, a continuación, se muestra la instalación para la toma

de datos:

Figura 61. Montaje para la calibración del sensor de presión.


Ahora que ya se obtuvieron los datos, se pasa hacer la programación en el

programa Arduino para éste sensor, donde se va a tener en cuenta la ecuación de

recta que se obtuvo anteriormente.

114

Figura 62. Programación en el programa Arduino del sensor MPX5100DP.


3.8.2 Sensor de flujo YF-S201. Para empezar a programar éste sensor se también

se necesita de su debida calibración, en donde se necesitó de una programación

extra, y todo esto debido a que el sensor en vez de enviar señales análogas, lo que

hace es que envía una cantidad de pulsos por cierta cantidad de volumen que pasa

a través del sensor, para ello lo primero que se realiza es la programación para

calibración de pulsos que se necesitan para determinar el factor de conversión, para

ello se realiza una programación que permite identificar el número de pulsos, la

programación es la siguiente:

115

Figura 63. Programación de calibración del sensor de flujo YF-S201.


Después de realizar la programación se empieza a verter agua al sensor de manera

que éste sensor se active y permita la lectura de los pulsos, para ello se le vierte

agua como se ilustra en la siguiente figura:

116

Figura 64. Método de calibración del sensor de flujo.


Siguiente a éste procedimiento se obtienen los datos de número de pulsos

obtenidos por un volumen determinado, pero además se crea una constante K que

va a ser una constante de conversión, la cual dará una relación entre el número de

pulsos y el volumen, dicha constante viene definida de la siguiente manera:

Ecuación 27. Constante de calibración del sensor de flujo.

𝐾 =𝑁ú𝑚. 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ 60

Fuente: NAYLAMP [sitio web]. Tutorial para sensor de flujo de agua. Disponible en:

https://naylampmechatronics.com/blog/47_tutorial-sensor-de-flujo-de-agua.html

A continuación, se mostrará la tabla de resultados entre el volumen que se vertió en

el sensor, el número de pulsaciones y la constante K que resultó de dicha medición,

para por último sacar un promedio de K y que sirva de conversión en la

programación final:

https://naylampmechatronics.com/blog/47_tutorial-sensor-de-flujo-de-agua.html

117

Tabla 27. Resultados de la calibración del sensor de flujo.

Volumen (L)

Número de pulsos

K

1 413 6.88

1 425 7.08

1 427 7.12

2 863 7.19

2 860 7.17

2 858 7.15

3 1285 7.14

3 1287 7.15

3 1278 7.10

4 1703 7.10

4 1718 7.16

4 1698 7.08

Promedio 7.11


Como se muestra en los resultados, la constante K promedió un valor de 7.11,

después se halla el valor de factor de conversión, se pasa a la parte de

programación del sensor, cuya programación queda de la siguiente manera:

118

Figura 65. Programación del sensor de flujo YF-S201.


3.8.3 Sensor de nivel HC-SR04. Para éste sensor la calibración fue distinta a las

otras dos, debido a que éste no necesita de un factor de conversión para funcionar,

sino que debido a los parámetros de fábrica del sensor, se hizo una operación para

que como primera instancia mostrara la medida en el sistema de medición que se

necesite, en éste caso en centímetros y como segunda instancia, un cálculo para

119

que la medida que suministre no sea la medida del sensor, sino la medida del

tanque, para ello primero se hizo el ejercicio de programación del sensor donde se

empieza a probar su funcionamiento mediante la distancia del sensor al cuaderno,

como lo muestra la siguiente figura.

Figura 66. Pruebas del sensor de nivel HC-SR04 (distancia del sensor al cuaderno).


Para poder hacer dicho ejercicio se tuvo que obtener la distancia mediante una

fórmula, debido a que la lectura que maneja el sensor es la del tiempo que tarda la

señal ultrasónica en emitir, chocar en el objeto y devolverse al mismo sensor, para

convertir ese tiempo en distancia tenemos la siguiente fórmula:

Ecuación 28. Velocidad por medio de la distancia y tiempo.

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝑑𝑖𝑠𝑡. 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Fuente: NAYLAMP [sitio web]. Tutorial de Arduino y sensor ultrasónico HC-SR04.

Disponible en: https://naylampmechatronics.com/blog/10_Tutorial-de-Arduino-y-

sensor-ultras%C3%B3nico-HC-S.html

Despejando la distancia de la Ec. 28:

https://naylampmechatronics.com/blog/10_Tutorial-de-Arduino-y-sensor-ultras%C3%B3nico-HC-S.html

https://naylampmechatronics.com/blog/10_Tutorial-de-Arduino-y-sensor-ultras%C3%B3nico-HC-S.html

120

Ecuación 29. Distancia recorrida del sensor de nivel HC-SR04.

𝐷𝑖𝑠𝑡. 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Donde se tendrá en cuenta la velocidad del sonido, ya que el sensor funciona

emitiendo un sonido ultrasónico, para ello la velocidad del sonido es de 340 m/s,

pero se usará para la programación las unidades en centímetros por microsegundos

(cm/µs), tiempo en el que se demora la señal del sensor en llegar al objeto y regresar

al sensor, y la distancia recorrida es dos veces la distancia que hay hacia el objeto,

para ello pasamos a la siguiente ecuación:

Ecuación 30. Distancia teniendo en cuenta velocidad del sonido.

2 ∗ 𝐷𝑖𝑠𝑡. 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 = (340𝑚

𝑠∗

1𝑠

106𝜇𝑠∗

100 𝑐𝑚

1𝑚) ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Luego se despejará la distancia, para que la ecuación quede de la siguiente manera:

Ecuación 31. Distancia despejada de la Ecuación 23.

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝜇𝑠)

59

Esta expresión se utilizará para hacer el cálculo del tiempo que demora la señal en

ir volver con la distancia que recorre, después de tener esta relación se debe tener

en cuenta que el tanque va a tener una distancia desde su parte inferior al sensor

de 28 cm y teniendo esta expresión y la distancia del fondo del tanque al sensor, la

programación de este sensor queda de la siguiente manera.

121

Figura 67. Programación del sensor HC-SR04.


3.9 PROGRAMACIÓN DE LAS SALIDAS ANÁLOGAS 3.9.1 Programación de la bomba. Para programar el motor, lo primero que hay

que hacer es recolectar los datos que sirven para graduar el caudal que entrega la

bomba mediante el voltaje que le es suministrado, de esta manera, se puede realizar

el control por medio del dispositivo IoT, a continuación, se realizará la recolección

de estos datos:

122

Tabla 68. Tabla de Voltaje vs Caudal de la bomba.

Voltaje (V)

Caudal (L/min)

0 0

2 2.222

4 4.444

6 6.666

8 8.888

10 11.111

12 13.333


Luego de haber obtenido los datos se pasa a graficar dichos datos y hallar la

ecuación de la recta resultante, para que dicha ecuación permita la programación

de la bomba, a continuación, se mostrara la gráfica obtenida con su ecuación

correspondiente y por otra parte la programación de la bomba.

Figura 68. Grafica Voltaje Vs Caudal de la bomba.


Y la programación en Arduino queda de la siguiente manera:

y = 1.1111x

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

Cau

dal

(L/

min

)

Voltaje ( Voltios)

Voltaje VS Caudal

123

Figura 69. Programación de la bomba.


3.10 PROGRAMACIÓN DEL DAC MCP 4725 Para el proyecto se utilizará el componente DAC 4725 donde su función consiste en

permitir enviar una señal PWM (este tipo de señal, permite modificar la amplitud de

la onda), que este comprendido entre GND y Vcc, es decir, entre 0 V y 5 V, en la

siguiente imagen se muestra el componente a utilizar:

124

Figura 70. Componente DAC 4725.

Fuente: LUISLLAMAS [sitio web]. SALIDA ANALÓGICA REAL

CON ARDUINO Y DAC DE 12BITS MCP4725. Disponible en:

https://www.luisllamas.es/salida-analogica-real-con-arduino-y-dac-de-

12bits-

mcp4725/#:~:text=El%20MCP4725%20es%20un%20DAC,PWM%20

entre%20GND%20y%20Vcc

Este componente permitirá que las señales análogas y por pulsos provenientes de

los sensores sean convertidas en señales PWM de 0 V a 5 V para realizar la

contextualización de datos por la medición tomada por los sensores a un rango

comprendido entre los voltajes mencionados, para así generar el debido control

sobre la bomba y la válvula.

Para la conexión que va a tener sobre el Arduino se dispondrá de los pines de GND

y VCC que van a ir unidos sobre el Arduino sobre el respectivo GND y 5 V, luego en

el DAC aparecen los pines de SDA y SCL, estos dos van a ir conectados en las

entradas análogas A4 y A5 respectivamente, la siguiente imagen mostrará el

nombre de los pines y el pin correspondiente al Arduino.

https://www.luisllamas.es/salida-analogica-real-con-arduino-y-dac-de-12bits-mcp4725/#:~:text=El%20MCP4725%20es%20un%20DAC,PWM%20entre%20GND%20y%20Vcc




125

Figura 71. Conexión de DAC con el Arduino.

Fuente: LUISLLAMAS [sitio web].

SALIDA ANALÓGICA REAL CON

ARDUINO Y DAC DE 12BITS

MCP4725. Disponible en:

https://www.luisllamas.es/salida-

analogica-real-con-arduino-y-dac-

de-12bits-

mcp4725/#:~:text=El%20MCP4725

%20es%20un%20DAC,PWM%20en

tre%20GND%20y%20Vcc.

3.11 ETAPA DE POTENCIA Debido a que el Arduino solo puede suministrar máximo 5 V, y que los actuadores

como la bomba y la válvula solenoide requieren 24 V y 110 V respectivamente es

necesario implementar una etapa de potencia, para ello se precisará de un transistor

IRF510 como se muestra en la siguiente figura.







126

Figura 72. Transistor IRF510.

Fuente: HETPRO [sitio web].

TRANSISTOR MOSFET IRF510 CANAL N.

Disponible en: https://hetpro-

store.com/transistor-mosfet-irf510/

Este transistor funciona convirtiendo una señal débil en una de mayor magnitud,

para ello dicho transistor recibirá la señal proveniente del Arduino la cual va a oscilar

entre 0 V y 5 V, y entregará un voltaje que oscile entre los 0 V y 24 V, lo que hará

que la bomba en este caso, este recibiendo distintos voltajes y así mismo variará su

flujo mediante este.

3.12. PROGRAMACIÓN FINAL

Este programa contiene los programas para la medición de las tres variables (caudal, nivel y presión) por medio de un CASE, debido a que se va a controlar y monitorear una de estas a la vez, también contiene la comunicación Ethernet del módulo para poder monitorear las variables o la variable desde un dispositivo móvil que tenga acceso a la red LAN dispuesta, si así lo desea el estudiante,

https://hetpro-store.com/transistor-mosfet-irf510/

https://hetpro-store.com/transistor-mosfet-irf510/

127

adicionalmente contiene la programación de la conversión análoga a voltaje comprendido de 0 V- 5 V que permite el DAC.

Figura 73. Programación completa para el módulo IoT.


Figura 74. Programación completa para el módulo IoT (continuación).


128





129



3.13 CÁLCULO DEL DIÁMETRO PARA EL TUBO DE REBOSADERO

Para este cálculo se tendrá en cuenta el valor anteriormente hallado para la

velocidad de la tubería de ½” el cual tiene como valor:

𝑉𝑑 = 1,02655 𝑚𝑠⁄

Se pasa a evaluar la línea de descarga con respecto a la línea de desagüe,

asumiendo que la línea de desagüe va a tener una tubería de mayor diámetro, con

el fin de determinar si la línea de desagüe logra evacuar la suficiente cantidad de

agua para que así se evite un llenado completo del tanque.

Cálculos línea de descarga:

𝑚𝑑̇ = 𝜌𝑑 ∗ 𝑣𝑑 ∗ 𝐴𝑑

𝑚𝑑̇ = (1000 𝑘𝑔

𝑚3∗ 1,02655 𝑚

𝑠⁄ ∗ 2,1642 ∗ 10−4𝑚2)

𝑚𝑑̇ = 0.22217𝐾𝑔

𝑠⁄

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:

𝑚𝑑̇ = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝜌𝑑= 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝑣𝑑 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝐴𝑑 = Á𝑟𝑒𝑎𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

130

Cálculos línea de desagüe:

𝐴𝑖𝑛𝑡

34

𝑖𝑛 =

𝜋

4(0.01905 𝑚)2 = 2.8502 ∗ 10−4𝑚2

𝑣34

𝑖𝑛= 𝑔 ∗ 𝑡 = (9.81

𝑚

𝑠2) ∗ (0.57𝑠) = 5.5917 𝑚

𝑠⁄

Donde:

𝑔 = 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑

𝑡 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒

𝑚𝑑𝑒̇ = 𝜌𝑑𝑒 ∗ 𝑣𝑑𝑒 ∗ 𝐴𝑑𝑒

𝑚𝑑𝑒̇ = (1000 𝑘𝑔

𝑚3∗ 5.5917 𝑚

𝑠⁄ ∗ 2.8502 ∗ 10−4𝑚2)

𝑚𝑑𝑒̇ = 1.5937𝐾𝑔

𝑠⁄

Donde:

𝑚𝑑𝑒̇ = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒

𝜌𝑑𝑒 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒

𝑣𝑑𝑒 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒

𝐴𝑑𝑒 = Á𝑟𝑒𝑎𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑔ü𝑒

Al comparar los resultados de la línea de descarga con respecto a la línea de

desagüe, se evidencia que la línea de desagüe tiene el mayor valor de flujo másico

y esto quiere decir que el desagüe no permitirá que el líquido sobrepase la altura

del tubo de desagüe.

131

4. VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DIDÁCTICO MEDIANTE LA EJECUCIÓN DE UNA GUÍA DE LABORATORIO

En el Anexo A se encuentra la guía de laboratorio, donde por medio de esta se

realizó la validación del funcionamiento del banco didáctico y mediante el video del

siguiente hipervínculo se demuestra su funcionamiento.

https://www.dropbox.com/s/eee1mfl2901767n/PROYECTO_GRADO.mp4?dl=0

Adicionalmente, en este banco didáctico con el módulo IoT, se pueden realizar

prácticas de laboratorio tanto de manera remota como presenciales, como lo

pueden ser:

Control On-Off variable nivel (LabView - PLC - Arduino)

Control On-Off variable presión (LabView - PLC - Arduino)

Control On-Off variable flujo (LabView - PLC - Arduino)

Control continuo variable nivel (LabView - PLC - Arduino)

Control continuo variable presión (LabView - PLC - Arduino)

Control continuo variable flujo (LabView - PLC - Arduino)

Linealización sensor nivel (LabView - PLC - Arduino)

Linealización sensor presión (LabView - PLC - Arduino)

Linealización sensor nivel (LabView - PLC - Arduino)

Monitoreo Wi-Fi (Arduino)

PLC: En éstas se debe contar con entradas analógicas.

En los Anexos se encuentran cuatro guías de laboratorio que recopilan buena parte

de las anteriores mencionadas.

A continuación se presentarán hipervínculos de videos en Dropbox de pruebas que

se hicieron previas al banco didáctico, en donde hay:

Compatibilidad de LabView con el banco didáctico

https://www.dropbox.com/s/hwx9mrnbqzc103b/Compatibilidad%20LabView

%20con%20el%20banco.mp4?dl=0

Compatibilidad de LabView con el banco didáctico remotamente

https://www.dropbox.com/s/c36itt3z1203i8j/Compatibilidad%20LabView%20

con%20el%20banco%20remotamente.mp4?dl=0

Medición de presión remotamente al encender la bomba

https://www.dropbox.com/s/eee1mfl2901767n/PROYECTO_GRADO.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/hwx9mrnbqzc103b/Compatibilidad%20LabView%20con%20el%20banco.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/hwx9mrnbqzc103b/Compatibilidad%20LabView%20con%20el%20banco.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/c36itt3z1203i8j/Compatibilidad%20LabView%20con%20el%20banco%20remotamente.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/c36itt3z1203i8j/Compatibilidad%20LabView%20con%20el%20banco%20remotamente.mp4?dl=0

132

https://www.dropbox.com/s/8di0ol53mm82l42/Medici%C3%B3n%20de%20

presi%C3%B3n%20remotamente%20al%20encender%20la%20bomba.mp

4?dl=0

Control remoto continuo a través de LabView

o https://www.dropbox.com/s/nwyi4gyuxjzqwxh/Control%20remoto%20con

tinuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView.mp4?dl=0

o https://www.dropbox.com/s/7kny10a533u9cvu/Control%20remoto%20co

ntinuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView%202.mp4?dl=0

Control remoto mediante PLC

https://www.dropbox.com/s/dg8m1jdg9069a7n/Control%20remoto%20medi

ante%20PLC.mp4?dl=0

Monitoreo remoto por WiFi

https://www.dropbox.com/s/ihfzvc0d2j6rud6/Monitoreo%20remoto%20por%

20WiFi.mp4?dl=0

Control remoto por LabView y monitoreo WiFi

o https://www.dropbox.com/s/zprbi4tf9quh5yc/Control%20remoto%20p

or%20LabView%20y%20monitoreo%20WiFi.mp4?dl=0

o https://www.dropbox.com/s/v4x7mpn1k249ct3/Control%20ONOFF%

20LabView%20sin%20perturbaciones.mp4?dl=0

o https://www.dropbox.com/s/ekwnqb8cf08d3il/Control%20an%C3%A1

logo%20LabView%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

Control ON-OFF LabView sin perturbación

https://www.dropbox.com/s/416u0ts91o7m5f6/Control%20ONOFF%20LabV

iew%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

Control ON-OFF LabView con perturbación

https://www.dropbox.com/s/gu9kdk747mujy9h/Control%20ONOFF%20LabV

iew%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

Control análogo PLC con perturbación

o https://www.dropbox.com/s/7r6jb0t4b2o48z1/Control%20an%C3%A1

logo%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

o https://www.dropbox.com/s/8tsi7ott47f9yof/Control%20an%C3%A1lo

go%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n%202.mp4?dl=0

Control análogo LabView sin perturbación

https://www.dropbox.com/s/1fskhn56144i89t/Control%20an%C3%A1logo%

20LabView%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/8di0ol53mm82l42/Medici%C3%B3n%20de%20presi%C3%B3n%20remotamente%20al%20encender%20la%20bomba.mp4?dl=0



https://www.dropbox.com/s/nwyi4gyuxjzqwxh/Control%20remoto%20continuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/nwyi4gyuxjzqwxh/Control%20remoto%20continuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/7kny10a533u9cvu/Control%20remoto%20continuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView%202.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/7kny10a533u9cvu/Control%20remoto%20continuo%20a%20trav%C3%A9s%20de%20LabView%202.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/dg8m1jdg9069a7n/Control%20remoto%20mediante%20PLC.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/dg8m1jdg9069a7n/Control%20remoto%20mediante%20PLC.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/ihfzvc0d2j6rud6/Monitoreo%20remoto%20por%20WiFi.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/ihfzvc0d2j6rud6/Monitoreo%20remoto%20por%20WiFi.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/zprbi4tf9quh5yc/Control%20remoto%20por%20LabView%20y%20monitoreo%20WiFi.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/zprbi4tf9quh5yc/Control%20remoto%20por%20LabView%20y%20monitoreo%20WiFi.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/v4x7mpn1k249ct3/Control%20ONOFF%20LabView%20sin%20perturbaciones.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/v4x7mpn1k249ct3/Control%20ONOFF%20LabView%20sin%20perturbaciones.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/ekwnqb8cf08d3il/Control%20an%C3%A1logo%20LabView%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/ekwnqb8cf08d3il/Control%20an%C3%A1logo%20LabView%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/416u0ts91o7m5f6/Control%20ONOFF%20LabView%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/416u0ts91o7m5f6/Control%20ONOFF%20LabView%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/gu9kdk747mujy9h/Control%20ONOFF%20LabView%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/gu9kdk747mujy9h/Control%20ONOFF%20LabView%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/7r6jb0t4b2o48z1/Control%20an%C3%A1logo%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/7r6jb0t4b2o48z1/Control%20an%C3%A1logo%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/8tsi7ott47f9yof/Control%20an%C3%A1logo%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n%202.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/8tsi7ott47f9yof/Control%20an%C3%A1logo%20PLC%20con%20perturbaci%C3%B3n%202.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/1fskhn56144i89t/Control%20an%C3%A1logo%20LabView%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

https://www.dropbox.com/s/1fskhn56144i89t/Control%20an%C3%A1logo%20LabView%20sin%20perturbaci%C3%B3n.mp4?dl=0

133

5. REALIZACIÓN DEL ANÁLISIS DE COSTOS, EL IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO Y LOS MANUALES DE MONTAJE Y MANTENIMIENTO

5.1 MANUAL DE MANTENIMIENTO

Para el desarrollo del manual de mantenimiento para éste banco didáctico, se tendrá en cuenta el mantenimiento

predictivo, el cual se encarga, de realizar inspecciones y llevar a cabo acciones, con el fin de prevenir la ocurrencia

de la falla.

Cuadro 16. Manual de inspección de mantenimiento para el banco didáctico.

MANUAL DE MANTENIMIENTO PARA EL BANCO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE VARIABLES ANALÓGICAS MEDIANTE INFRAESTRUCTURA IoT

Sistema Elemento Tipo de inspección Falla Descripción de la

falla Actividad a realizar

Periodicidad

Estructural Estructura

Verificar el deterioro y las grietas tanto

en los perfiles en L y cuadrados, como en

las uniones soldadas.

Rotura o desprendimiento de un perfil o unión en la estructura.

Materiales deficientes y/o de mala calidad, no aptos para soportar las cargas a las que está sometidas.

Se debe realizar la reparación de lo que se inspeccionó, y si nos es posible reparar, se debe cambiar la sección.

Semestral

Verificar si hay presencia de corrosión.

Reducción de la sección transversal del perfil.

Deterioro por uso excesivo o por factores ambientales.

Lijar la zona afectada y luego aplicar un producto anticorrosivo.

Semestral

134

Cuadro 17. (Continuación).

Sistema Elemento Tipo de

inspección Falla

Descripción de la falla

Actividad a realizar Periodicidad

Estructural

Tubería y accesorios

Verificar fugas.

Falta de presión en la tubería.

Montaje inadecuado de piezas móviles.

Evaluar si la fuga se puede remediar, si no es posible, cambiar el componente.

Trimestral

Verificar obstrucciones en la línea de flujo.

Atrapamiento de partículas que impiden el funcionamiento del sistema hidráulico.

Desatención de protocolos o instrucciones de uso del equipo.

Si se llega a presentar, se debe realizar la limpieza de la tubería.

Trimestral

Hidráulico

Bomba

Realizar pruebas de presión de succión e impulsión.

Desgaste del sello del eje de la bomba.

1. Instalación y montaje inadecuado.

En caso de encontrar alguna irregularidad, revisar los rodetes, los empaques y el estado de los elementos rotativos.

Semestral

Impulsor dañado. 2. Deterioro por uso excesivo y /o mal uso.

Verificar las conexiones eléctricas.

Baja tensión o no hay arranque.

Instalación y conexionado inadecuado.

Si hay deterioro en las conexiones, se deben cambiar.

Semestral

Válvula Verificar si presenta fugas.

Desgaste o mal posicionamiento de los ellos

Montaje inadecuado de piezas móviles.

1. Verificar si su instalación es correcta.

Trimestral 2. Si persiste, cambiar el componente.

135


Sistema Elemento Tipo de inspección Falla Descripción

de la falla Actividad a

realizar Periodicidad

Eléctrico Conexiones

de cableado

Verificar el estado de las conexiones, tanto físicas como funcionales.

Baja tensión en el sistema.

Deterioro por uso excesivo y /o mal uso.

Reparar las conexiones deterioradas o realizar el cambio si tienen un daño considerable.

Trimestral

Control

Arduino

Comprobar el correcto funcionamiento de los pines, del indicador LED de alimentación, del conector de alimentación, el microcontrolador y demás componentes que tienen una vida útil limitada.

Quema de algún componente electrónico.

Deterioro por uso excesivo o vida útil.

Si alguno de éstos falla, cambiar por otro Arduino Uno.

Trimestral

Sensor de presión

diferencial

Verificar las conexiones al Arduino y las mangueras dispuestas en el sensor.

Quema o deslizamiento del componente.

Instalación, montaje y conexionado inadecuado.

Reparar o cambiar las conexiones o mangueras.

Trimestral

136


Sistema Elemento Tipo de

inspección Falla

Descripción de la falla

Actividad a realizar

Periodicidad

Control

Sensor de nivel

ultrasónico

Verificar las conexiones al Arduino y su disposición en el banco didáctico.

Quema del componente.

1. Deterioro por uso excesivo y /o mal uso.

1. Reparar o cambiar las conexiones en mal estado.

Trimestral

Deslizamiento del componente.

2. Instalación, montaje y conexionado inadecuado.

2. Verificar si su instalación está correcta.

Sensor de flujo tipo turbina

Verificar las conexiones al Arduino y a la bomba.

Quema o deslizamiento del componente.

Instalación, montaje y conexionado inadecuado.

Reparar o cambiar las conexiones en mal estado.

Trimestral


137

5.2. MANUAL DE MONTAJE

Para este ítem se indicará los pasos a seguir para el montaje del banco didáctico

que monitorea y controla variables análogas mediante el uso de la infraestructura

IoT, es de gran importancia que el operador lea, comprenda y ejecute los pasos que

aquí se muestran para el adecuado funcionamiento del banco.

Componentes que conforman la máquina:

Estructura: Este sistema se compone de barras cuadradas AISI 1020 de 1” por

lado, perfiles en L AISI 1020 de 1” por lado, donde estarán soldadas una con

respecto a la otra con el electrodo E60:

Figura 78. Montaje de la estructura.


Además a la estructura se le adicionará la lámina superior e inferior y estas van a

reposar sobre los perfiles en L de la estructura:

138

Figura 79. Montaje de las láminas.


Después de posicionar las láminas se procederá a unir el soporte del tanque

superior, donde los soportes van a estar soldados a la lámina superior y a los

arrostramientos, y por tanto dichos arrostramientos estarán soldados a la base que

soportará el tanque superior:

Figura 80. Montaje de soporte del tanque superior y su base.


139

Tanque superior: Para este tanque lo primero que se hará es posicionarlo en la

base del tanque superior teniendo en cuenta los agujeros de desagüe de

emergencia y el de la válvula solenoide:

Figura 81. Montaje del tanque superior.


Después de posicionarlo se le incluirá un tubo de desagüe de emergencia en el

agujero central por medio de una rosca de 1/2”:

Figura 82. Montaje del tubo de desagüe del tanque superior.


140

Tanque inferior: Para la ubicación de este tanque tendremos que tener en cuenta

el del superior ya que dichos tanques van a ser concéntricos y además el tanque

inferior reposara en la lámina inferior:

Figura 83. Montaje del tanque inferior.


Sensor de nivel: Este sensor estará ubicado en la tapa del tanque superior en

donde se sujetará por medio de cinta doble faz con un recubrimiento en su parte

electrónica de silicona para aislarlo de la humedad:

Figura 84. Montaje del sensor de nivel.


141

Sensor de presión: Este sensor estará ubicado sobre la tapa del tanque superior

y su unión a este será mediante un amarre por medio de alambre dulce y sujetada

por la conexión entre la tapa y el tanque superior.

Figura 85. Montaje del sensor de presión.


Sensor de flujo: Este sensor va a estar ubicado en la tubería de succión y se unirá

a ella gracias a una rosca de ½” como se muestra a continuación:

Figura 86. Montaje sensor de flujo.


142

Bomba: Este componente se situará en la lámina inferior y estará unido a las

tuberías de succión donde por medio de la rosca de ½” tanto a la entrada como

salida de la misma se unirá a la red hidráulica:

Figura 87. Montaje de la bomba.


Módulo IoT: Este módulo va a estar ubicado en una esquina de la estructura alejado

de cualquiera de los tanques y tuberías y se ajustará a la estructura gracias a

tornillos como se muestra a continuación:

Figura 88. Montaje del módulo IoT.


Válvula solenoide: Esta válvula se situará en el agujero dispuesto para ella en la

base del tanque superior y a la cual se le añadirá una tubería que bajará hasta el

tanque inferior para así culminar la recirculación de agua, el modo como se unirá a

143

la tubería y a la base es por medio de una rosca de ½”, como se muestra en la

siguiente figura. La válvula permanecerá en estado normalmente abierta.

Figura 89. Montaje de la válvula solenoide.


Válvula de bola: Se ubicará debajo de la válvula solenoide, para poder hacerle al

sistema las perturbaciones pertinentes y necesarias.

Figura 90. Montaje de la válvula de bola.


Y finalmente después de haber seguido las anteriores instrucciones, se muestra el

banco didáctico en su totalidad:

144

Figura 91. Banco didáctico con todos los montajes.

Fuente:

elaboración propia.

5.3 IMPACTO AMBIENTAL

5.3.1 Cálculo de Huella de Carbono

Basados en el Observatorio de la sostenibilidad en España (OSE)55, se sugiere el

cálculo de la Huella de carbono de la siguiente manera: Como primer paso, se

identificarán las Fuentes de generación, luego se identificarán las actividades,

seguido de los factores de conversión, y por último el cálculo de huella de Carbono

en CO2.

5.3.1.1 Fuentes de generación

En éste paso se identifican las fuentes de generación en el proyecto de GEI (Gases

de efecto invernadero), basado en Observatorio de la sostenibilidad en España

55 Observatorio de la sostenibilidad en España (OSE). Manual de cálculo y reducción de huella de carbono para actividades de transporte por carretera. Disponible en: http://www.comunidadism.es/wp-content/uploads/downloads/2013/06/manual_huella-carbono_transporte.pdf

http://www.comunidadism.es/wp-content/uploads/downloads/2013/06/manual_huella-carbono_transporte.pdf

http://www.comunidadism.es/wp-content/uploads/downloads/2013/06/manual_huella-carbono_transporte.pdf

145

(OSE), se identificó que las fuentes de generación con sus respectivas potencias de

funcionamiento en el proyecto son:

o La bomba hidráulica (P= 0,022 kW).

o El Arduino Uno (éste depende del computador, ya que su fuente de

energía es el ya mencionado).

o El computador de mesa (P= 0,1 kW).

5.3.1.2 Actividades

Luego se clasifican las actividades: En directas e indirectas. Y adicionalmente, se

estima el tiempo promedio mensual que las fuentes de generación estarán en

funcionamiento, para aplicar la siguiente ecuación:

Ecuación 32. Consumo eléctrico.

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 (𝑘𝑊 ∗ ℎ 𝑚𝑒𝑠) = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑘𝑊) ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (ℎ)

Fuente: Observatorio de la sostenibilidad en España (OSE). Manual de cálculo y

reducción de huella de carbono para actividades de transporte por carretera.

Cuadro 20. Consumo de energía en actividades de fuentes de generación de GEI.

Actividad Consumo

Directa No hay, ya que no hay consumo de combustibles ni hay

vehículos de transporte.

Indirecta • Consumo Bomba = 0,022 kW * 4 h = 0,088 kW * h mes

• Consumo computador = 0,1 kW * 4 h = 0,4 kW * h mes


5.3.1.3 Factores de conversión

Es necesario aplicar la siguiente ecuación para poder encontrar los kg de CO2

dependiendo del consumo eléctrico de cada fuente de generación de GEI y el

respectivo factor de conversión:

146

Figura 92. Tabla factores de conversión de emisión de CO2.

Fuente: Observatorio de la sostenibilidad en

España (OSE). Manual de cálculo y reducción

de huella de carbono para actividades de

transporte por carretera.

Ecuación 33. kg de CO2.

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 ∗ 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛

Fuente: Observatorio de la sostenibilidad en España (OSE). Manual de cálculo y

reducción de huella de carbono para actividades de transporte por carretera.

A continuación se muestra la tabla de cálculos de la Huella de Carbono expresa en

kg de dióxido de Carbono.

Tabla 297. Total kg de CO2.

Consumo

E. eléctrica

kW*h Factor de

conversión

kg de CO2

Bomba 0,088 0,39 0,0343 kg = 34,32 gr

Computador 0,4 0,39 0,156 kg = 156 gr

TOTAL

190,32 gr


147

5.3.2 Impacto ambiental del proyecto. A continuación, se presentará una tabla

que reúne los procesos que van a ser analizados en el impacto ambiental del

proyecto y su respectivo procedimiento para contenerlo.

Cuadro 21. Impacto ambiental.

Proceso Actividad Aspecto

ambiental Impacto

ambiental Solución

Ruido

Bombeo del aguar desde el

tanque inferior al tanque superior.

Generación de ruido durante

su funcionamiento.

No genera ningún

problema por el hecho de

que no supera los 75

dB.

No aplica

Hídrico El fluido de

trabajo a tratar es el agua.

Uso de agua potable.

Aumento de temperatura en el agua al

ser bombeado.

Usar la misma agua utilizada en el proceso

anterior, y evitar

desperdicios.

Eléctrico

Uso de sensores, Arduino,

computador, bomba, válvula y

PLC.

Uso de energía eléctrica.

Consumo de energía.

Desconectar los dispositivos después de su funcionamiento.


5.4 ANÁLISIS DE COSTOS

En esta parte se mostrará el valor del proyecto teniendo en cuenta costo de los

equipos utilizados, instrumentación, fabricación e ingeniería, a continuación, se

expondrán cada uno de estos ítems mencionados:

Lo primero a mostrar son los costos de los componentes de la estructura:

148

Tabla 308. Costos de los elementos de la estructura.

COSTOS DE LOS ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA

Descripción Unidad Cantidad Valor

Unitario Total

Barra Empack Metros 0.5 $

195,000.00 $

195,000.00

Tanque de acrílico superior

Unidad 1 $

90,000.00 $

90,000.00

Tanque de acrílico Inferior

Unidad 1 $

100,000.00 $

100,000.00

Perfil A36 Metros 3 $

38,933.00 $

38,933.00

Lámina A36 Lámina 1 (4mx6m) $

201,218.00 $

201,218.00

Lámina de Alfajor Lámina 1(3mx1m) $

450,700.00 $

450,700.00

TOTAL ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA $

1,075,851.00


En la tabla 31 se muestra los costos de la instrumentación:

149

Tabla 31. Costo de instrumentación.

COSTO DE INSTRUMENTACIÓN

Descripción Unidad Cantidad Valor Unitario Total

Arduino Uno Unidad 1 $ 25,000.00 $

25,000.00

Sensor ultrasónico HC-SR04

Unidad 1 $ 6,000.00 $

6,000.00

Sensor de presión

MPX5100dp Unidad 1 $ 28,931.00

$ 28,931.00

Sensor de flujo YF-

S201 Unidad 1 $ 18,000.00

$ 18,000.00

Modulo Ethernet Shield

W5100 Para Arduino

Unidad 1

$ 28,000.00 $ 28,000.00

TOTAL INSTRUMENTACIÓN $ 105,931.00


En la tabla 32 se mostrará los costos de los componentes de distribución de agua:

Tabla 329. Costo de los componentes de distribución de agua.

COSTO DE LOS COMPONENTES DE DISTRIBUCION DE AGUA


Bomba ZYW680

Unidad 1 $ 95,000.00 $ 95,000.00

Tubos PVC 1/2"

metros 2 $ 1,500.00 $ 3,000.00

Válvula solenoide de

1/2" Unidad 1 $ 636,650.00 $ 636,650.00

TOTAL COMPONENTES DE DISTRIBUCION DE AGUA $ 734,650.00


150

En la Tabla 33 se muestran los costos de fabricación:

Tabla 3310. Costo de fabricación.

COSTO DE FABRICACIÓN


Soldadura E60 Proyecto 1 $ 150,000.00 $ 150,000.00

Torneado Pieza 1 $ 110,000.00 $ 110,000.00

Armado Hora 30 $ 8,289.00 $ 248,700.00

TOTAL DE FABRICACIÓN $ 508,700.00


En la Tabla 34 se muestran los costos de ingeniería del proyecto:

Tabla 34. Costo de ingeniería del proyecto.

COSTO DE INGENIERIA DEL PROYECTO

Descripción Unidad Cantida

d

Valor

Unitario

Total

Proyectista (2) Horas 410 $ 12.000.00

$ 9.840.000.00

Director Horas 20 $ 31.000.00

$ 620.000.00

Software Ansys Hora 10 $ 1.686.00

$ 16.860.00

Transportes Pasajes 200 $ 2,500.00

$ 500,000.00

Fungibles Unidad 1 $ 300,000.00

$ 300,000.00

Software Solid Edge ST8

Hora 40 $

600.00

$ 24,000.00

TOTAL INGENIERÍA DEL PROYECTO $ 11,200,860.00


Y por último en la tabla se mostrará el costo total del proyecto:

151

Tabla 3511. Costo del proyecto.

TOTAL INSTRUMENTACIÓN $ 105,931.00

TOTAL ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA $ 880,851.00

TOTAL COMPONENTES DE DISTRIBUCION DE AGUA

$ 734,650.00

TOTAL DE FABRICACIÓN $ 508,700.00

TOTAL INGENIERIA DEL PROYECTO $ 11,200,860.00

TOTAL COSTO DEL PROYECTO $ 13,430,992.00


152

6. CONCLUSIONES

Tener parámetros de funcionamiento identificados al iniciar el proyecto facilita el estudio de alternativas que permitan solucionar los inconvenientes del mismo, estableciendo propuestas que permitan ser caracterizados para conocer la mejor alternativa para el proyecto propuesto, y así poder desarrollar un diseño adecuado bajo criterios como la adaptabilidad que van a tener los complementos que se le van a ser incorporados al banco, la existencia de dichos componentes en la ciudad de Bogotá, la compatibilidad del banco con la infraestructura IoT y que sea de un precio asequible al estudiante.

Con la realización del banco didáctico se incorpora a la Universidad prácticas de control y monitoreo remoto de variables analógicas empleando equipos didácticos como los PLCs y módulos de LabView y así incursionar a la industria 4.0 la cual dará un valor agregado a las competencias del Ingeniero Mecánico de la Fundación Universidad de América.

El comprar un banco de pruebas de laboratorio que cumpla las normas de prácticas de la industria 4.0 puede ser costoso, la elaboración de este proyecto permitió un ahorro de costos debido a que se utilizó implementos que la Universidad tenía en sus instalaciones y los componentes que se decidieron incorporar no representaban un costo representativo a si se hiciera el gasto de uno nuevo.

El desarrollo de este proyecto se permitió afianzar conocimientos que se obtuvieron a lo largo de la carrera universitaria, siguiendo líneas como el diseño, mecánica de fluidos, electrónica, instrumentación y automatización, enseñándonos a aplicar los distintos conocimientos adquiridos en un mismo proyecto haciendo que todas las líneas de aprendizaje pueden llegar a ser complementarias unas con otras.

Con la implementación de este proyecto, se aprende no solo lo que hay que plasmar en el papel, sino todas las competencias que un Ingeniero Mecánico debe tener en el ejercicio de su profesión y más en la implementación física de un proyecto.

Con la realización de pruebas al banco didáctico, se evidenció que el sensado de nivel, también se puede realizar por medio del sensor de presión diferencial MPX-5100DP.

153

7. RECOMENDACIONES

Se recomienda a quien vaya a operar el banco dejar las conexiones que son fijas en las uniones en las que se encuentran, debido a que cualquier mala conexión hará que los componentes del módulo puedan dañarse por los distintos voltajes que este maneja.

Cualquier persona que desee operar el banco debe estar cursando una materia

en la cual le permite programar el PLC o LabView para que así pueda realizar la práctica y adicionalmente haga el uso adecuado al banco.

Debido a que es una práctica nueva se recomienda realizar nuevas guías que

permitan aprovechar la inversión que la Universidad tuvo para con este y así permitir que los estudiantes afiancen los conocimientos teóricos acumulados durante sus clases.

Se recomienda cambiar la tapa del tanque superior por una de menor espesor,

ya que para fijar los diferentes sensores, el taladrado de la misma era riesgoso y complicado sin un taladro industrial.

Se recomienda continuar la línea de proyecto, pero realizando un control fijo y

más preciso. Realizar un adecuado seguimiento y cumplimiento de los manuales de montaje

y mantenimiento, para así asegurar la vida útil del banco didáctico y sus componentes.

Se recomienda utilizar en las prácticas de laboratorio agua a temperatura

ambiente, ningún otro fluido, ya que la bomba que se adecuó es apta solamente para agua no mayor a una temperatura de 100°C, así se asegura la vida útil de este componente.

Se recomienda hacerle un desagüe al tanque inferior para facilitar su limpieza y

mantenimiento. Se recomienda realizar la estructura del banco didáctico en un material diferente

al AISI1020, ya que este arrojó un factor de seguridad mayor de 90, es decir que otro material perfectamente puede resistir estas cargas. Igualmente se debe realizar un análisis de costos para comparar que material es más factible en términos monetarios.

Se recomienda cambiar la tubería de desagüe por una de ¾” para evitar

cualquier llenado sorpresivo.

154

Se recomienda realizar o colocar un protector siliconado al sensor de nivel que se dispuso en este proyecto, ya que no se encontró la clasificación IP del mismo en su hoja de datos de parámetros de funcionamiento. Cabe aclarar que se han realizado varias prácticas y el sensor no ha presentado problemas en su funcionamiento.

Mientras no tenga el protector siliconado, se recomienda sensar nivel mediante

el sensor de presión diferencial MPX-5100DP. Igualmente, se recomienda activar la válvula al finalizar las prácticas, esto para

que no quede agua en el tanque superior.

155

BIBLIOGRAFÍA

ALDAKIN [sitio web]. Aplicaciones del PLC en la Industria Moderna. Disponible en:


APRENDIENDO ARDUINO [sitio web]. Entornos de aplicación de Arduino.

Disponible en: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/06/26/entornos-de-

aplicacion-arduino/

ARDUINO [sitio web]. Getting Started with Arduino products. Disponible en:


AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL [sitio web]. Medidores deprimógenos. Disponible

en: https://sites.google.com/site/automatizacionycontrol4/medidas-de-

caudal/medidores-deprimogenos

BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J. Keith. Diseño en Ingeniería Mecánica de

Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. ISBN-10: 9701064046

CENTER FOR THE ADVANCEMENT OF PROCESS TECHNOLOGY.

Instrumentation. Upper Saddle River, N.J: Prentice Hall, 2010. ISBN

9780137004133.

CHIRINOS, Luisa. ACADEMIA [sitio web]. Medición de nivel. Disponible en:


CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. ALFAOMEGA. 7ª Edición. ISBN 970-

15-1150-2.

DOMÍNGUEZ, Tomás. Desarrollo de interfaces de usuario, aplicaciones de visión

artificial e IoT para Arduino y ESP8266. Marcombo. 2020. ISBN 978842672791

EDUCATIVE TECHNOLOGY [sitio web]. Acamica: Ventajas y desventajas de

Arduino. Disponible en: https://edgardosilvi.wordpress.com/2016/02/29/acamica-

ventajas-y-desventajas-de-arduino/










156

GRACÍA, María. REINO UNIDO. IoT - Internet Of Things. [sitio web]. Disponible en: https://www2.deloitte.com/es/es/pages/technology/articles/IoT-internet-of-things.html HIDROBO, Roberto; LÓPEZ, Eliana; VARELA, Israel. INSTRUMENTACION, Medidores de nivel, Universidad del Norte. 2016. Barranquilla, Colombia. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.

Compendio de normas para trabajos escritos NTC – 1486- 6166. Bogotá D.C. 2018.

ISBN 9789588585673, 153 p.

INSTRUMENTACIÓN: EQUIPOS Y PRINCIPIOS [sitio web]. Disponible en:

http://instrumentaciondinamica2013.blogspot.com/2013/12/medidor-de-flujo-

electromagnetico.html

JOHNSON, Gary. JENNINGS, Richard. LabVIEW graphical programming: practical

applications in instrumentation and control. New York. McGraw-Hill. 2006. ISBN

9780071451468.

KEHTARNAVAZ, Nasser; KIM, Namjin. Digital Signal Processing System-Level

Design Using LabVIEW. 2005. ISBN 978-0-7506-7914-5

LÁZARO, Antoni. LabVIEW 7.1. Madrid Thompson. 2006. ISBN 8497323912

LEE, I. The Internet of Things for enterprises: An ecosystem, architecture, and IoT

service business model. Internet of Things, vol. 7. 2019. Disponible en:


MAQUICLICK [sitio web]. Ventajas y Desventajas de los PLC (Controlador Lógico

Programable). Disponible en: https://www.fabricantes-maquinaria-

industrial.es/ventajas-y-desventajas-de-los-plc-controlador-logico-programable/

MOTT, Robert. MECÁNICA DE FLUIDOS. Sexta edición. Ed. PEARSON Prentice

Hall. 2006. ISBN 970-26-0805-8.








157

PAVCO. Manual Técnico Tubo Sistemas PRESIÓN PVC. Disponible en:

pavcowavin.com.co/download

PÉREZ, Amilear y CIFUENTES, Jorge. MEDIDORES DE FLUJO. Universidad de

San Carlos de Guatemala. Disponible en:


SMAR TECHNOLOGY COMPANY [sitio web]. MEDICIÓN DE PRESIÓN:

Características, Tecnologías y Tendencias. Disponible en:

http://www.smar.com/espanol/articulos-tecnicos/medicion-de-presion-

caracteristicas-tecnologias-y-tendencias

SILVER AUTOMATION INSTRUMENTS [sitio web]. Disponible en:

https://es.silverinstruments.com/blog/Turbine-flowmeter-advantages-and-

disadvantages.html

SOISSON, Harold. Instrumentación Industrial. ISBN 968-18-1738-9. LIMUSA

NORIEGA EDITORES

TIPPENS, Paul. Física II Conceptos y Aplicaciones. Mc Graw Hill. ISBN 978-958-

41-0392-5

TODO INGENIERIA INDUSTRIAL [sitio web]. DIFERENCIA, VENTAJAS Y

DESVENTAJAS DE INSTRUMENTOS ANALÓGICOS Y DIGITALES. Disponible

en: https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/metrologia-y-normalizacion/2-4-

diferencia-ventajas-y-desventajas-de-instrumentos-analogicos-y-digitales/

TORRENTE, Óscar. Arduino: curso práctico de formación. México D.F. Alfaomega:

Libros RC. 2013. ISBN 9786077076483

UNIVERSIDAD DE ALCALÁ. Ventajas y Desventajas del IoT. 2019. Disponible en:


UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES. Medición de caudal. Disponible en:











158

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA [sitio web]. España. [Consulta: 12 noviembre

2019]. Disponible en:


UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DE VALENCIA. [sitio web]. Señal Analógica.

Disponible en: https://www.universidadviu.com/diferencias-senal-analogica-digital/

VAN DE KAMP, Win. Teoría y práctica de medición de niveles. 17ª edición.

Endress+Hauser S.A. 2001.

VELOSO, Cristian. ETools [sitio web]. Señales Analógicas y Digitales.2017.

Disponible en: https://www.electrontools.com/Home/WP/2017/05/30/senales-

analogicas-y-digitales/

WIKA [sitio web]. Como se mide la Presión. Disponible en:

https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/como-se-mide-la-presion-

diferencial/





https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/como-se-mide-la-presion-diferencial/

https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/como-se-mide-la-presion-diferencial/

159

ANEXOS

160

ANEXO A

GUÍAS DE LABORATORIO PARA VALIDACIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO

(Ver Pdf)

161

ANEXO B

PLANOS CONSTRUCTIVOS

(Ver Pdf)

1. Plano módulo didáctico para control y monitoreo remoto de caudal, nivel y

__presión.

2. Plano tanque superior.

3. Plano tanque inferior.

4. Plano estructura del módulo didáctico.

5. Plano lámina inferior.

6. Plano construcción de soporte tanque superior.

7. Plano arrostramiento de soporte del tanque superior, sin chaflán.

8. Plano arrostramiento para las columnas del soporte del tanque superior, con

__chaflán de 60º.

9. Plano tapa tanque superior.

10. Plano lámina superior

11. Plano base del tanque superior.

12. Plano soporte tanque superior.

13. Plano columna del tanque superior.

14. Plano perfil en L de 13 cm.

15. Plano perfil en L de 28.5 cm.

16. Plano módulo IoT.

17. Plano explosionado del módulo didáctico para control y monitoreo remoto de

___caudal, nivel y presión.


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