ELABORACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR COMO …
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ELABORACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR COMO LABORATORIO
PROGRAMADO Y DE ACCESO REMOTO
DANIEL MATEO PINEDA TALERO
LAURA VALETINA TELLEZ BAREÑO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA INDUSTRIAL
BOGOTÁ D.C.
2021
ELABORACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR COMO LABORATORIO
PROGRAMADO Y DE ACCESO REMOTO
DANIEL MATEO PINEDA TALERO
LAURA VALENTINA TELLEZ BAREÑO
Trabajo de grado para la obtención del título de tecnólogo mecánico
industrial
Tutor del proyecto:
PhD. Camilo Andrés Arias Henao
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA INDUSTRIAL
BOGOTÁ D.C.
2021
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad distrital Francisco José de Caldas.
Al director del proyecto de grado, PhD y profesor Camilo Andrés Arias Henao por
su dedicación, orientación, tiempo, apoyo y sus meritorios conocimientos que
cooperaron en el proceso del trabajo.
Al ingeniero y profesor Alexander Alvarado Moreno, por su instrucción y ayuda con
toda la parte de programación dentro de este proyecto.
A familiares, por su colaboración y participación.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN 1
INTRODUCCIÓN 1
1. FORMULACIÓN DE PROBLEMA 2
1.1.JUSTIFICACIÓN 3
1.2.OBJETIVOS 4
1.1.1.Objetivo general 4
1.1.2.Objetivos específicos 4
1.3.METODOLOGÍA PRELIMINAR 5
1. MARCO REFERENCIAL 6
2.1.CALDERAS 6
2.1.1 Calderas pirotubulares 7
2.1.2.Calderas acuatubulares 8
2.2. HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE 9
2.2.1 Arduino 10
2.2.2 Placa Arduino 10
2.2.3 Tipos de placas Arduino 10
2.2.4 Arduino IDE 11
2.2.5 Placa Arduino mega 2560 12
2.3 SENSORES ARDUINO 12
2.3.1 Sensor de presión (transductor) industrial modelo hk1100c 13
2.3.2 Sensor de temperatura (termocupla) y modulo max6675 14
2.3.3 Celda de carga 20kg yzc-133 sensor de peso 15
2.3.4 Electroválvula neumática 12 v ¼ in 17
2.3.5 Relé de estado sólido ssr-25da 18
2.3.6 Modulo relé de dos canales 19
2.3.7 Protoboard 20
2.4 LABVIEW 21
2.5 MICROSOFT TEAMS 21
3. METODOLOGÍA 22
3.1.MODELO MATEMÁTICO PARA EL LABORATORIO 22
3.2.DISEÑO DEL SISTEMA DEL CONTROL Y VISUALIZACIÓN 24
3.2.1.Adquisición de datos 24
3.2.1.1.Sensor de presión 25
3.2.1.2.Sensor de temperatura 25
3.2.1.3.Sensor de carga 26
3.2.2.Recepción de datos 26
3.2.3.Salida de comandos 28
3.2.4.Procesamiento y control de datos 32
3.2.4.1.Código en Arduino IDE para sensor de presión 34
3.2.4.2.Código en Arduino IDE para sensor de carga 36
3.2.4.3.Código en Arduino IDE para sensor de temperatura 38
3.2.4.4.Código en Arduino IDE para encendido del generador de vapor y
activación de la electroválvula 39
3.2.4.5. Código conjunto en Arduino IDE 40
3.2.5. Montaje del generador de vapor 42
3.2.6. Interfaz gráfica 46
3.2.6.1.Conexión entre LabVIEW y Arduino 46
3.2.6.2. Programación sensor de presión en LabVIEW 47
3.2.6.3. Programación sensor de carga en LabVIEW 47
3.2.6.4. Programación sensor de temperatura en LabVIEW 48
3.2.6.5. Programación de relés en LabVIEW 48
3.2.6.6. Programación conjunta en LabVIEW 49
3.2.6.7. Ambiente de presentación en LabVIEW 50
3.2.7.Acceso remoto 51
3.2.8. Prueba de funcionamiento 52
57
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 61
5.RECOMENDACIONES 62
6.CONCLUSIONES 63
BIBLIOGRAFÍA 64
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Especificaciones y características de software libre 9
Tabla 2. Especificaciones y características de placas Arduino 11
Tabla 3. Especificaciones y características del sensor de presión hk1100c 14
Tabla 4. Especificaciones y características del sensor de temperatura max6675 15
Tabla 5. Especificaciones y características del del sensor de carga YZC-133 16
Tabla 6. Especificaciones y características del sensor de la electroválvula 18
Tabla 7. Especificaciones y características del relé ssr-25da
19
Tabla 8. Especificaciones y características del relé de dos canales
20
Tabla 9. Estados termodinámicos a partir de la tabla de saturación liquido-vapor
A.6.2 22
Tabla 10. Numeración de los elementos en la conexión de los sensores a la placa
Arduino mega 2560 28
Tabla 11. Numeración de los elementos en la conexión del generador de vapor a
la placa Arduino mega 2560 29
Tabla 12. Numeración de los elementos en la conexión de la electroválvula a la
placa Arduino mega 2560 31
Tabla 13. Identificación de cables en la conexión general a la placa Arduino mega
2560 32
Tabla 14. Estados termodinámicos reales 59
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema de caldera pirotubular 7
Figura 2. Esquema de calderín 8
Figura 3. Esquema de caldera acuatubular 8
Figura 4. Placas Arduino 11
Figura 5. Placa Arduino mega 2560 12
Figura 6. Sensor de presión ……..13
Figura 7. Sensor de temperatura 15
Figura 8. Sensor de carga …16
Figura 9. Electroválvula ….17
Figura 9. Relé de estado sólido ssr-25da …18
Figura 10. Relé de 2 canales 20
Figura 11. Protoboard 21
Figura 12. Diseño del sistema del control y visualización 24
Figura 13. Recta de salida (sensor de presión) 25
Figura 14. Conexión de los sensores a la placa Arduino mega 2560 28
Figura 15. Conexión del generador de vapor a la placa Arduino mega 2560 29
Figura 16. Conexión de la electroválvula a la placa Arduino mega 2560 30
Figura 17. Conexión sensores y relés a la placa Arduino mega 2560 31
Figura 18. Conexión de la placa Arduino mega 2560 al software Arduino IDE 33
Figura 19. Incluir librerías en Arduino IDE 34
Figura 20. Código en Arduino IDE para sensor de presión 35
Figura 21. Elemento pesado para la calibración del sensor de carga 36
Figura 22. Código de calibración en Arduino IDE para el sensor de carga 37
Figura 23. Código en Arduino IDE para el sensor de carga 37
Figura 24. Ejemplo de la librería max6675 para el código en Arduino IDE ……38
Figura 25. Código en Arduino ide para el sensor de temperatura 39
Figura 26. Código en Arduino ide para el encendido del generador de vapor y la
activación de la electroválvula. 40
Figura 27. Código conjunto en Arduino ide (a) 41
Figura 28. Código conjunto en Arduino ide (b) 41
Figura 29. Código conjunto en Arduino ide (c) 42
Figura 30. Caldera inicial 42
Figura 31. Adaptador para los sensores . 43
Figura 32. Comprobación de funcionamiento de la celda de carga inicial 43
Figura 33. Modelo estático de la balanza 44
Figura 34. Elaboración de la balanza 45
Figura 34. Montaje final del generador de vapor (a) 45
Figura 35. Montaje final del generador de vapor (b) 45
Figura 36. Conexión del puerto serial en LabVIEW 46
Figura 37. Programación del sensor de presión en LabVIEW
47
Figura 38. Programación sensor de carga en LabVIEW 47
Figura 39. Programación sensor de temperatura en LabVIEW 48
Figura 40. Programación de relés en LabVIEW 48
Figura 41. Programación conjunta en LabVIEW 50
Figura 42. Generador de vapor encendido y apagado respectivamente ………....51
Figura 43. Electroválvula activada y desactivada respectivamente 51
Figura 44. Ambiente de presentación en LabVIEW 51
Figura 45. Ceder el control en Microsoft teams 52
Figura 46. Solicitar el control en Microsoft teams 52
Figura 47. Guía de laboratorio (a) 53
Figura 48. Guía de laboratorio (a) 53
Figura 49. Volumen de agua utilizado en la prueba de funcionamiento 54
Figura 50. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (a) 55
Figura 51. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (b) 55
Figura 52. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (c) 56
Figura 53. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (d) 56
Figura 54. Activación de la electroválvula a través de teams 57
Figura 55. Datos de presion obtenidos en la prueba de funcionamiento 57
Figura 56. Valores de presion en la prueba de funcionamiento 58
Figura 57. Datos de temperatura obtenidos en la prueba de funcionamiento 58
Figura 58. Valores de temperatura en la prueba de funcionamiento 59
Figura 59. Acceso remoto desde Microsoft teams (a) 60
Figura 60. Acceso remoto desde Microsoft teams (b) 60
Figura 61. Acceso remoto desde Microsoft teams (c) 60
1
RESUMEN
El presente trabajo de grado pretende crear una herramienta que permita a la
comunidad universitaria el desarrollo y el aprendizaje práctico desde un laboratorio
virtual enfocado en el manejo termodinámico de un generador de vapor, haciendo
uso de elementos electrónicos como son los distintos sensores y relés empleados
en este proyecto.
Así mismo, se implementó el uso del software libre Arduino IDE para toda la parte
de procesamiento y control de los datos obtenidos por los sensores y las señales
enviadas a los relés que están conectados a la caldera, facultando su observación
en una interfaz gráfica a través del software LabVIEW.
Durante el desarrollo de este documento se describen todos los fragmentos que
forman el montaje y todos los componentes que constituyen tanto la programación
como la visualización de las variables termodinámicas del generador de vapor.
Por último, se desea que las personas puedan interactuar directamente con el
laboratorio programado, utilizando la información reunida en la interfaz gráfica por
medio de un acceso remoto desde la plataforma Microsoft teams.
INTRODUCCIÓN
Comprendiendo la necesidad actual de enseñanza y aprendizaje práctico de los
estudiantes orientado al área térmica, se desea realizar un laboratorio de acceso
remoto enfocado en el manejo de un generador de vapor, donde se pueda definir y
observar el comportamiento de las variables como: presión, caudal y temperatura.
Por consiguiente, se requiere plantear el diseño y construcción de un calderín que
permita entender el estudio de energía en todo el proceso de generación de vapor
a través de un sistema de control de datos, con la ayuda de herramientas que
faculten la integración y visualización de las variables a trabajar en el proceso.
Desarrollar de forma correcta las partes fundamentales para la construcción y/o
fabricación del generador de vapor, facilita la compresión de los valores obtenidos
en el momento de relacionarse directamente con el laboratorio, por tal razón, se
debe identificar los componentes principales del sistema de control dentro de este
proyecto. En primera instancia, conocer cómo llegan los datos que reciben los
sensores para luego ser transmitidos a software de control y visualización, luego,
reconocer el elemento que se encarga de recibir los datos enviados por los
sensores, de esta forma, se podrá chequear e inspeccionar los valores que han
2
tomado los sensores del generador de vapor en funcionamiento. Finalmente,
examinar dichos valores a través de su visualización por medio de una interfaz
gráfica que se pueda manejar desde otro dispositivo a través de acceso remoto.
Se entiende que la implementación del laboratorio virtual sobre generación de vapor
permite realizar prácticas donde se puede manejar variables necesarias para
resolver diferentes tipos de problemas termodinámicos, reconociendo el uso y
control de un generador de vapor.
1. FORMULACIÓN DE PROBLEMA
Como consecuencia de analizar el efecto de la contingencia sanitaria actual
generada por el SARS-CoV-2, sobre la formación y aprendizaje estudiantil dentro
de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, se evidencia la dificultad de no
poder acceder a los laboratorios de la institución de manera presencial o virtual, es
decir, hay una problema actual ante el manejo de los instrumentos y/o equipos que
se encuentran en las instalaciones de los laboratorios, específicamente, los
laboratorios de energías y ciencias térmicas. Dicho inconveniente, se debe a la
decisión tomada por la universidad de cerrar las puertas de las aulas y cada espacio
dentro de la institución como medida de seguridad para contrarrestar la presente
pandemia. Por lo tanto, se produce una necesidad en la comunidad estudiantil de
tener la facultad de entrar y hacer uso de un laboratorio de generación de vapor
desde acceso remoto.
SÉRÉ, MARIE (2002) asegura que: ‘la enseñanza de las ciencias es un conjunto,
esto se puede detallar mediante: comprender la teoría, aprender toda esta teoría,
realizar experiencias, aprender los procedimientos y los caminos, aprender a usar
el saber teórico aprendido para que esté presente y sea utilizado cuando se trate de
realizar un proceso completo aplicado’. (P.358). Por lo tanto, el buen desarrollo y
crecimiento académico de un estudiante se basa en diferentes partes que le
aportan, una parte con gran importancia es el conocimiento y manejo de los
laboratorios con los que cuenta la universidad, ya que estos le permiten al alumno
crear ideas, conocer los instrumentos, sus funciones, abarcar lo teórico en la
práctica, y facilitar sus salidas laborales y académicas al ser egresado de la
institución.
En este momento, la comunidad estudiantil está perdiendo la oportunidad de utilizar
y aprender sobre un generador de vapor que faculte mayor aprendizaje
3
termodinámico, y es un tropiezo en su aprendizaje profesional. Por lo cual, es
indispensable que la Universidad Distrital Francisco José de Caldas cuente con
herramientas o medios tecnológicos virtuales que faculten la opción de continuar el
estudio práctico sin dificultad, con alternativas que funcionen y sean útiles a los
estudiantes. Tener un laboratorio de acceso remoto enfocado en la generación de
vapor, posibilita a los estudiantes comprender el instrumento, entender su
funcionamiento, y con el medio de entrar desde casa.
1.1.JUSTIFICACIÓN
Teniendo en cuenta que la universidad distrital Francisco José de Caldas se
caracteriza por generar ideas, opiniones y proyectos innovadores e ingeniosos,
satisfaciendo los distintos apuros y obligaciones de la comunidad universitaria y de
la ciudadanía; en el momento la universidad no tiene laboratorios asistidos que
posibiliten a los estudiantes acceder a sus prácticas como se puede hacer de forma
presencial, en otras palabras, no posee una alternativa virtual para que un alumno
pueda desarrollar su habilidad frente a los diferentes dispositivos que disponen las
instalaciones de laboratorios, concretamente, no hay una opción que faculte al
estudiante interactuar con la primera ley de termodinámica y su puesta en práctica
desde la generación de vapor.
Por tal motivo, la evolución y progreso de este proyecto busca satisfacer y proveer
los siguientes puntos:
• Englobar la problemática sanitaria que hay actualmente, adaptándose a los
cambios con la ayuda de ideas creativas e implementación de la tecnología
y la virtualidad, permitiendo contribuir en alternativas favorables para la
continuación de las carreras universitarias de los estudiantes.
• Ofrecer a los estudiantes un laboratorio de acceso remoto, el cual fortalezca
sus conocimientos individuales y grupales, es decir, este proyecto funciona
como herramienta para que los alumnos puedan acceder y, de tal forma,
dialogar o debatir sobre el estudio y aprendizaje que obtengan a partir del
laboratorio.
• Poner por obra y ejecución los conocimientos y estudios adquiridos durante
la tecnología en mecánica industrial, por medio de la ejecución de un
proyecto tecnológico aplicado.
4
• Brindar a la universidad distrital Francisco José de Caldas una nueva
herramienta de estudio, la cual otorgue a la institución mayores
reconocimientos relacionados con el avance informático y tecnológico,
favoreciendo de igual manera la formación en áreas térmicas.
• Compartir este proyecto de laboratorio de acceso remoto con alumnos de
otras universidades e institutos que contribuyan en su formación.
Por otro lado, se trata de un instrumento que colaboraría a los docentes en su
enseñanza práctica y en la realización de laboratorios, puesto que es un método
que puede ser empleado en esta época de contingencia sanitaria, y en algún otro
momento. Asimismo, llevar el presente proyecto a un nivel tanto regional como
nacional, es decir, favorecer a los distintos estudiantes colombianos en su
aprendizaje térmico, apoyando especialmente a las carreras de ingeniería.
1.2.OBJETIVOS
1.1.1.Objetivo general
Diseñar un laboratorio virtual de acceso remoto, enfocado en el análisis
termodinámico del balance de energía en el proceso de generación de vapor.
1.1.2.Objetivos específicos
• Definir las variables termodinámicas que se deben tener en cuenta para
encaminar el desarrollo del laboratorio virtual.
• Construir el montaje del generador de vapor controlado, determinando sus
sensores y su sistema de control con ayuda de herramientas electrónicas.
• Elaborar las prácticas de laboratorio con el generador de vapor, verificando
su correcto funcionamiento.
5
1.3.METODOLOGÍA PRELIMINAR
Etapa 1
En primera instancia, para definir las variables termodinámicas a estudiar y trabajar
se propone:
1. Consulta de información acerca de calderas, tipos de calderas y variables a
controlar.
2. Establecer un modelo matemático, el cual permita reconocer las variables
termodinámicas que se necesitan controlar.
3. A partir del modelo matemático ya mencionado, se instaura un plan
estratégico para la medición y limitación de las variables fijadas.
4. Clasificación de la información obtenida.
Etapa 2
En segundo lugar, para la construcción y elaboración del generador de vapor se
propone:
1. Indagación de información sobre Arduino y sensores para generadores de
vapor.
2. Búsqueda de conexión, manejo y montaje de los sensores y Arduino.
3. Determinar los sensores requeridos, puesto que van a facultar la medición y
registro de las variables ya fijadas.
4. Establecer un sistema de control, el cual delimite y regule las condiciones en
el estudio del generador de vapor.
5. Definir el conjunto de elementos físicos o materiales que constituyen el
generador de vapor.
Etapa 3
En tercer lugar, para el desarrollo de las prácticas de laboratorio con el generador
de vapor se propone:
1. Relacionar las variables de medición, reconociendo su interacción entre
ellas mismas.
6
2. Realizar la conexión adecuada de cada uno de los sensores y Arduino para
el manejo del laboratorio de generación de vapor.
3. Hacer pruebas del laboratorio virtual y comprobar su correcto
funcionamiento.
Etapa 4
Para la etapa final, se considera las siguientes acciones:
1. Calibración y mejoras del laboratorio virtual de ser requerido o necesario.
2. Presentación del laboratorio virtual enfocado en la generación de vapor, en
su etapa final.
1. MARCO REFERENCIAL
Para este laboratorio virtual es importante ver dos puntos de vista de diferentes
áreas fusionadas para dar vida al proyecto. La parte que fundamenta el trabajo es
la termodinámica (enfocada en la primera ley y las calderas) y la necesidad de un
laboratorio virtual que cualquier estudiante pueda usar sin la necesidad de salir de
su computadora, es decir de acceso remoto y en tiempo real. La segunda parte que
hace realidad el plan es el manejo de software y hardware, ya que estas manejan
las variables a controlar en la experimentación.
En este capítulo se va a tratar los principios, tanto de la parte electrónica como de
la parte termodinámica que conforman este proyecto, para darle al lector una mejor
compresión sobre cada uno de los temas que abordan el laboratorio y sus
respectivas definiciones.
2.1.CALDERAS
La termodinámica es una de las áreas más importantes de la ingeniería mecánica,
se ha usado para la producción de energía a nivel mundial de diferentes maneras,
una de ellas ha sido la construcción de calderas.
Una caldera es un generador de vapor, donde la energía química contenida en un
combustible (por ejemplo, gas natural, carbón, gasolina, biomasa, entre otros) se
transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor
para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para
7
hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine modificado y, en su caso,
producir electricidad, aunque también tiene amplias aplicaciones en la industria,
como procesos de calentamiento de materias primas o productos, esterilización,
lavado, etc.
Hay diferentes tipos de calderas, las que más resaltan por su utilidad y eficiencia
son las pirotubulares y acuatubulares.
2.1.1 Calderas pirotubulares
Los generadores de vapor pirotubulares funcionan de la manera en la que los gases
calientes de la combustión pasan a través de los tubos de la caldera y el agua rodea
estos tubos para absorber el calor; algunas de las aplicaciones más comunes son:
calefacción, esterilización, lavanderías, procesamiento de alimentos, cogeneración,
reciclaje de calor, limpieza, extracción de petróleo y cualquier otro proceso que
pueda requerir vapor o agua caliente.
Hay un subtipo de caldera pequeña llamado “calderín” (es la versión pequeña y fácil
de manejar de una caldera pirotubular), es el depósito en el que se acumula y
calienta el agua en contenedor cilíndrico. En su interior se alojan los dos elementos
claves, la resistencia eléctrica y el ánodo de sacrificio (ánodo de magnesio). En él,
es donde se conectan tanto el tubo de entrada de agua fría como la toma de salida
de agua caliente o vapor. El calderín, debido a su contacto permanente con el agua
caliente, necesita una protección especial contra la corrosión, la más usada es el
esmalte vitrificado, un tipo de cerámica que contiene silicio.
Figura 1. Esquema de caldera pirotubular
Fuente. Energías industriales. [Imagen]. Esquema caldera pirotubular. [Consultado agosto de 2021].
Disponible en internet: https://www.eisa.cl/esquema-caldera-pirotubular/
8
Para demostraciones teóricas en el ámbito académico se utilizan calderas
pequeñas o calderines debido a su fácil manipulación y por sus riesgos mínimos; es
por ello por lo que el desarrollo del proyecto se llevara a cabo mediante un calderín.
2.1.2.Calderas acuatubulares
Los generadores de vapor acuatubulares funcionan cuando el agua circula por el
interior de las tuberías que forman el intercambiador. El calor generado y los gases
de combustión rodean los tubos calentando el agua que circula por los mismos. Se
puede incrementar la capacidad de estas calderas aumentando el número de tubos.
Son un tipo de calderas que se distingue por una gran capacidad de generación de
vapor y por ello son las más utilizadas en centrales termoeléctricas.
Figura 2. Esquema de calderín
Fuente. Energías industriales. [Imagen]. Esquema calderín. [Consultado agosto de 2021]. Disponible en
internet: https://www.eisa.cl/esquema-caldera-pirotubular/
Figura 3. Esquema de caldera acuatubular
Fuente. Energías industriales. [Imagen]. Esquema caldera acuatubular. [Consultado agosto de 2021].
Disponible en internet: https://www.eisa.cl/esquema-caldera-acuotubular/
9
2.2. HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE
Se llama hardware libre, hardware de código abierto, electrónica o máquinas libres
a aquellos dispositivos de hardware cuyas especificaciones y diagramas
esquemáticos son de acceso público, ya sea bajo algún tipo de pago, o de forma
gratuita. La filosofía del software libre es aplicable a la del hardware libre, y por eso
forma parte de la cultura libre. El hardware libre son los dispositivos cuyas
especificaciones y diagramas son de acceso público, de manera que cualquiera
puede replicarlos. Esto quiere decir que Arduino ofrece las bases para que cualquier
otra persona o empresa pueda crear sus propias placas, pudiendo ser diferentes
entre ellas, pero igualmente funcionales al partir de la misma base.
El software libre son los programas informáticos cuyo código es accesible por
cualquiera para que quien quiera pueda utilizarlo y modificarlo.
CARACTERÍSTICAS
Dispositivos Software Arquitectura Procesador
Arduino
Software gratis basado en lenguaje
C.
Posee diferentes versiones, según la
necesidad.
Atmega
PIC
Software MPLAB
gratis, se puede
trabajar en AMS y en C.
Similares características
de Arduino.
Diferentes procesadores
BleagleBone
Python, Scratch,
Linux, Eclipse Android ADK
Posee diferentes versiones, según la
necesidad.
AM 33x
Rasberry Pi
Linux, IDLE, Scratch, Eclipse, QEMU
Posee diferentes versiones, según la
necesidad.
ARM 11
Tabla 1. Especificaciones y características de software libre
Fuente. Elaboración propia
10
2.2.1 Arduino
Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto, la cual está
basada en hardware y software libre, flexible, económico y fácil de usar para los
creadores y desarrolladores. Esta plataforma permite crear diferentes tipos de
microordenadores de una sola placa a los que la comunidad de creadores puede
darles diferentes tipos de uso.
El proyecto nació en 2003, cuando varios estudiantes del Instituto de Diseño
Interactivo de Ivrea, Italia, con el fin de facilitar el acceso y uso electrónico de la
programación de este software. Lo hicieron para que los estudiantes de electrónica
tuviesen una alternativa más económica a las populares BASIC Stamp, unas placas
que por aquel entonces valían más de cien dólares, y que no todos se podían
permitir.
El resultado fue Arduino, una placa con todos los elementos necesarios para
conectar periféricos a las entradas y salidas de un microcontrolador, y que puede
ser programada tanto en Windows como macOS y GNU/Linux. Un proyecto que
promueve la filosofía “learning by doing”, que viene a querer decir que la mejor
manera de aprender es haciendo.
2.2.2 Placa Arduino
Arduino es una placa basada en un microcontrolador ATMEL. Los
microcontroladores son circuitos integrados en los que se pueden grabar
instrucciones, las cuales se escriben con el lenguaje de programación que se puede
utilizar en el entorno Arduino IDE. Estas instrucciones permiten crear programas
que interactúan con los circuitos de la placa.
2.2.3 Tipos de placas Arduino
Arduino es un proyecto y no un modelo concreto de placa, lo que quiere decir que
compartiendo su diseño básico se puede encontrar diferentes tipos de placas. Las
hay de varias formas, tamaños y colores para las necesidades del proyecto en el
que se esté trabajando, las hay sencillas o con características mejoradas, Arduino
orientados al Internet de las Cosas o la impresión 3D y, por supuesto, dependiendo
de estas características se encontrará con todo tipo de precios.
La enorme flexibilidad y el carácter libre y abierto de Arduino hacen que se pueda
utilizar este tipo de placas prácticamente para cualquier cosa, desde relojes hasta
11
básculas conectadas, pasando por robots, persianas controladas por voz o una
“vending machine” (máquina expendedora)
NOMBRE PROCESADOR VOLTAJE DE OPERACIÓN / ENTRADA
VELOCIDAD CPU
ENTRADAS / SALIDAS
ANALÓGICAS
ENTRADAS / SALIDAS
DIGITALES USB
Uno ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 6 / 0 14 / 6 Regular
Leonardo ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 12 / 0 20 / 7 Micro
101 Intel Curie 3,3 V / 7-12 V 32 MHz 6 / 0 14 / 4 Regular
Esplora ATmega32U4 5 V / 7-12 V 16 MHz Micro
Zero ATSAMD21G18 3,3 V / 7-12 V 48 MHz 6 / 0 14 / 10 2 micro
Mega 2560
ATmega2560 5 V / 7-12 V 16 MHz 16 / 0 54 / 15 Regular
2.2.4 Arduino IDE
Para empezar a programar la placa Arduino es necesario descargar un IDE
(Integrated Development Environment). El IDE es un conjunto de herramientas de
software que permiten a los programadores desarrollar y grabar todo el código
necesario para hacer que la placa Arduino funcione como se desea. El IDE de
Arduino permite escribir, depurar, editar y grabar el programa (llamados “sketches”
Figura 4. Placas Arduino
Fuente. Xataka. [Imagen]. Placas Arduino. [Consultado agosto de 2021]. Disponible en internet:
https://www.xataka.com/makers/empezar-con-arduino-genuino-como-elegir-la-placa-modelos-compatibles-y-
kits-de-iniciacion
Tabla 2. Especificaciones y características de placas Arduino
Fuente. Elaboración propia
12
en el mundo Arduino) de una manera sumamente sencilla, en gran parte a esto se
debe el éxito de Arduino, a su accesibilidad.
2.2.5 Placa Arduino mega 2560
El Arduino Mega 2560 es una placa de microcontrolador basada en el ATmega2560.
Tiene 54 pines de entrada / salida digital (de los cuales 15 se pueden usar como
salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UART (puertos serie de hardware), un
oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un
encabezado ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para soportar
el microcontrolador; simplemente se conecta a una computadora con un cable USB
o se enciende con un adaptador de CA a CC o una batería para comenzar. La placa
Mega 2560 es compatible con la mayoría de los escudos diseñados para la Uno y
las antiguas placas Duemilanove o Diecimila.
2.3 SENSORES ARDUINO
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.
Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo temperatura, intensidad
lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
torsión, humedad, movimiento, pH, entre otros.
Figura 5. Placa Arduino Mega 2560
Fuente. Arduino. [Imagen]. Arduino MEGA 2560. [Consultado agosto de 2021]. Disponible en internet:
https://arduino.cl/arduino-mega-2560/
13
Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica, una capacidad eléctrica
(como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica
(como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), entre
otros.
También hay otro tipo de dispositivos que no son sensores, sin embargo, entran en
esta categoría ya que hacen parte del hardware libre de este desarrollador. Como
son los motores eléctricos, relés, protoboard entre otros. Estos tres anteriores fueron
fundamentales para el desarrollo del proyecto ya que, a partir de ellos, se pudo
hacer un control del sistema más adecuado.
2.3.1 Sensor de presión (transductor) industrial modelo HK1100c
Los sensores de presión o transductores de presión son muy habituales en muchos
procesos industriales. Su objetivo es transformar una magnitud física en una
eléctrica, en este caso transforman una fuerza por unidad de superficie (presión) en
un voltaje proporcional a la presión ejercida.
El sensor de presión HK1100C trabaja en el rango de 0 a 1.2 MPa, un rango común
para aplicaciones experimentales en neumática y sistemas de presión constante
(agua, aceite, combustible). Elaborado en materiales de alta calidad, principalmente
en acero inoxidable, siendo compatible con cualquier tipo de Microcontrolador.
Figura 6. Sensor de presión
Fuente. Cdtechnologia. [Imagen]. Sensor de presión industrial modelo HK1100C. [Consultado agosto de
2021]. Disponible en internet: https://cdtechnologia.net/sensores/1031-sensor-de-presion-12mpa-174psi-
hk1100c-.html
14
Especificaciones y características del sensor de presión HK1100C
Voltaje de trabajo 5 V DC
Voltaje de salida 0,5 - 4,5 V DC
Corriente de trabajo ≤ 10 mA
Rango de presión de trabajo 0 - 1,2 Mpa
Presión más grande 2,4 Mpa
Destruye la presión 3,0 Mpa
Temperatura de trabajo 0 - 85° C
Error de medición ± 1,5% FSO
Tiempo de respuesta ≤ 2.0 ms
Rosca del sensor G 1/4
Dimensiones 58 mm x 23 mm
Cableado rojo +, negro -, salida
amarrillo
Fácil extracción, conexión de acero al carbono con más firmeza
2.3.2 Sensor de temperatura (termopar) y módulo MAX6675
Los sensores de temperatura son componentes eléctricos y electrónicos que, en
calidad de sensores, permiten medir la temperatura mediante una señal eléctrica
determinada. Dicha señal puede enviarse directamente o mediante el cambio de la
resistencia. También se denominan sensores de calor o termo sensores. Un sensor
de temperatura se usa, entre otras aplicaciones, para el control de circuitos. Los
sensores de temperatura también se llaman sensores de calor, detectores de calor,
sondas térmicas, termocuplas o termopares.
El sensor necesita un módulo MAX6675 que convierte la señal de analógico a digital
con Resolución de 12 bits con compensación final fría, corrección lineal y detección
de línea rota de termopar.
Sus aplicaciones son muy útiles para unidades de investigación científica,
experimentos, desarrollo de prototipos, medición de temperatura, modificación de
automóviles, aire acondicionado automotriz y refrigeradores.
Tabla 3. Especificaciones y características del sensor de presión HK1100C
Fuente. Elaboración propia
15
Especificaciones y características del sensor de temperatura MAX6675
Rango de temperatura 0 - 800° C
Tensión de trabajo 3 - 5,5 V
Corriente de trabajo 50 Ma
Cabeza de tornillo M6
Compensación interna frio final
Entrada diferencial de alta impedancia
Salida de temperatura de puerto serie simple SPI.
2.3.3 Celda de carga 20 Kg YZC-133 sensor de peso
Los sensores de fuerza, o células de carga, son dispositivos que nos permiten
obtener una señal eléctrica proporcional a la fuerza que se aplica sobre ellos. Estos
transductores se presentan en múltiples formatos, ya que los requisitos mecánicos
de los sistemas en los que se integran son también muy variados.
Celda de Carga 20Kg YZC-133 sensor de peso, capaz de determinar qué tan
pesado es un objeto, conocer si el peso de un objeto cambia con el tiempo, o si
Figura 7. Sensor de temperatura
Fuente. Ferretrónica. [Imagen]. Módulo / sensor de temperatura Termocupla MAX6675. [Consultado agosto
de 2021]. Disponible en internet: https://ferretronica.com/products/sensor-de-temperatura-termocupla-
max6675k?_pos=4&_sid=481f8168b&_ss=r
Tabla 4. Especificaciones y características del sensor de temperatura MAX6675
Fuente. Elaboración propia
16
simplemente se necesita detectar la presencia de un objeto mediante la medición
de la tensión o carga aplicada a una superficie.
Especificaciones y características del sensor de carga YZC-133
Voltaje de operación 3 - 12 V DC
Salida de voltaje nominal 1,0 ± 0.1 5mV / V
Impedancia de entrada 1115 Ω ± 10%
Impedancia de salida 1000 Ω ± 10%
Resistencia de aislamiento ≥ 1000 MΩ
Rango de medida Max 20 kg
Repetibilidad 0.03 % FS
Efecto de la temperatura en la salida
0.01% F.S / ° C
Efecto de la temperatura sobre cero 0.05% F.S / ° C
Cero ± 0.1000 mV / V
Tasa Sobrecarga segura 150% FS
Tasa de sobrecarga final 200% FS
Rango de temperatura -20° C - 60° C
Material Aleación de aluminio
Dimensiones de la Celda de Carga 80 mm x 12,7 mm x 12,7
Cableado rojo +, negro -, verde (señal)
+, blanco (señal) -
Figura 8. Sensor de carga
Fuente. Ferretrónica. [Imagen].Celda de carga 20 Kg YZC–133 sensor de peso. [Consultado agosto de
2021]. Disponible en internet: https://ferretronica.com/products/celda-de-carga-20kg-yzc-133-sensor-de-
peso?_pos=2&_sid=976d8d6f9&_ss=r
Tabla 5. Especificaciones y características del sensor de carga YZC-133
Fuente. Elaboración propia
17
2.3.4 Electroválvula neumática 12 v ¼ in
Las electroválvulas son dispositivos que responden a pulsos eléctricos. Gracias a la
corriente que circula a través del solenoide es posible abrir o cerrar la válvula
controlando, de esta forma, el flujo de fluidos. Al circular corriente por el solenoide
se genera un campo magnético que atrae el núcleo móvil y al finalizar el efecto del
campo magnético, el núcleo vuelve a su posición, en la mayoría de los casos, por
efecto de un resorte (normalmente cerrado o abierto).
Las electroválvulas son más fáciles de controlar mediante programas de software.
Es ideal para la automatización industrial. Las electroválvulas se utilizan en gran
número de sistemas y rubros industriales que manejan fluidos como el agua, el aire,
el vapor, aceites livianos, gases neutros y otros. En particular, las electroválvulas
suelen implementarse en lugares de difícil acceso ya que pueden ser accionadas
por medio de acciones eléctricas. También son utilizadas en vacío o hasta en altas
presiones y temperaturas.
Figura 9. Electroválvula
Fuente. mercado libre. [Imagen]. Electroválvula neumática 12 V ¼ in. [Consultado agosto de 2021].
Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-482971537-electrovalvula-neumatica-12v-
14-pulgada-_JM?matt_tool=99279475&matt_word=&matt_source=google&matt_campaign_id
18
Especificaciones y características de la electroválvula
Tipo de válvula 2 vías normalmente
cerrada
Tamaño de puerto 1/4 in puerto hembra
Voltaje de la bobina 12 V DC
Fluidos manejados aire, gas y agua
Tipo de operación actuación directa
Modelo de flujo Unidireccional
Caudal 0,23 Cv
Tiempo de respuesta > 50 ms
Presión de funcionamiento
0 - 0,8 MPa
Temperatura de trabajo -10° C - 80° C
Potencia de bobina 6,5 W
Dimensiones 30 mm x 22 mm x 61,3
mm
Material Aluminio
Material del embolo y resorte
Acero inoxidable
2.3.5 Relé de estado sólido ssr-25da
El relé de estado sólido permite controlar cargas de alto consumo de corriente AC
por medio de pequeños voltajes en DC. Los relés de estado sólido tienen grandes
ventajas respecto a los mecánicos como un nivel mucho más bajo de voltaje para
la activación de la carga y una corriente de sostenimiento más pequeña de la mano
con una conmutación más rápida y una vida útil de funcionamiento más prolongada
sin fallos al no tener piezas mecánicas.
Tabla 6. Especificaciones y características de la electroválvula
Fuente. Elaboración propia
19
Especificaciones y características del relé de estado solido
Corriente máxima 25 a
Voltaje de carga 24 V - 380 V AC
Voltaje de control 3 V - 32 V DC
Fluidos manejados ON<10 ms OFF<10 ms
Tiempo de respuesta 50 M / 500 V DC
Este relevo soporta corrientes de carga de hasta 25 Amperios y el control se hace
mediante un voltaje de 3-32VDC. Cada terminal este acoplado a un tornillo de
fijación.
2.3.6 Modulo relé de dos canales
Tarjeta de relés opto acoplada, incluye 2 canales para ser controlados en forma
remota. Ideal para controlar dispositivos en el hogar o en la industria. Cada canal
es controlado por una entrada TTL, la cual puede ser fácilmente controlada por un
microcontrolador o Arduino. Esta placa requiere de una alimentación de 5 V.
Tabla 7. Especificaciones y características del relé SSR-25DA
Fuente. Elaboración propia
Figura 9. Relé de estado sólido SSR-25DA
Fuente. sigmaelectronica. [Imagen]. SSR-25DA [Consultado agosto de 2021]. Disponible en internet:
https://www.sigmaelectronica.net/producto/ssr-25da/
20
Especificaciones y características del relé de dos canales
Voltaje de bobina 5 V DC
Corriente de funcionamiento 15 mA - 20 mA
Peso 34 gramos
2 canales independientes protegidos con optoacopladores
2 relés de 1 polo y 2 tiros
Terminales de conexión de tornillo
Terminales de entrada de señal lógica con headers macho
2.3.7 Protoboard
Una Protoboard o breadboard es una tabla rectangular de plástico con un montón
de pequeños agujeros en ella. Estos agujeros permiten insertar fácilmente
componentes electrónicos para hacer un prototipo, es decir, construir y probar una
versión temprana de un circuito electrónico, como por ejemplo con una batería, un
interruptor, una resistencia y un LED (diodo emisor de luz).
Es una herramienta simple que se utiliza para conectar fácilmente los componentes
eléctricos y los cables entre sí. Sólo ciertos tipos de componentes y cables son
aplicables para el uso de la protoboard. Siempre que los componentes tengan
pasadores con agujeros pasantes (a diferencia del montaje en superficie),
probablemente sean aplicables para las protoboard.
Figura 10. Relé de 2 canales
Fuente. MACTRONICA. [Imagen]. Modulo relé de 2 canales. [Consultado agosto de 2021]. Disponible en internet:
https://www.mactronica.com.co/modulo-rele-de-2-canales
Tabla 8. Especificaciones y características del relé de dos canales
Fuente. Elaboración propia
21
2.4 LABVIEW
LabVIEW es un software de ingeniería de sistemas para aplicaciones que requieren
pruebas, medidas y control con acceso rápido a hardware e información de datos.
LabVIEW ofrece un enfoque de programación gráfica que le ayuda a visualizar cada
aspecto de su aplicación, incluyendo configuración del hardware, datos de medidas
y depuración. Esta visualización simplifica la integración del hardware de medidas
de cualquier proveedor, representa una lógica compleja en el diagrama, desarrolla
algoritmos de análisis de datos y diseña interfaces de usuario de ingeniería
personalizadas.
LabVIEW puede medir sistemas físicos con sensores y actuadores, validar o
verificar diseños electrónicos, desarrollar sistemas de pruebas de producción y
diseñar máquinas inteligentes o equipo industrial; lo cual hace a este software la
plataforma ideal para tipos de proyectos como los del presente trabajo debido a su
control en los sensores y sus diseños electrónicos.
2.5 MICROSOFT TEAMS
Microsoft Teams es una plataforma unificada de comunicación y colaboración que
combina chat persistente en el lugar de trabajo, reuniones de video,
almacenamiento de archivos (incluida la colaboración en archivos) e integración de
aplicaciones, además, ayuda a formar equipos de trabajo y colaborar en la misma
plataforma, permitiendo la edición simultánea de archivos, el acceso remoto, la
interacción con “me gusta” y menciones, la creación de notas, el envío de
Figura 11. Protoboard
Fuente. DescubreArduino.com. [Imagen]. Protoboard, ¿qué es y cómo se usa? [Consultado agosto de
2021]. Disponible en internet: https://descubrearduino.com/protoboard/
22
respuestas y la vinculación de páginas web. La experiencia en la plataforma es
personalizable gracias a la integración de aplicaciones.
Microsoft Teams es una herramienta que puede usarse en el ámbito educativo para
las diferentes modalidades de enseñanza, es decir, tanto en educación presencial,
como en educación semipresencial o en educación en línea. Permite organizar
reuniones y colaborar desde cualquier lugar y en cualquier momento, favoreciendo
la flexibilidad y la organización de cada estudiante. También permite trabajar los
materiales de forma sincrónica y/o asincrónica, facilitando que, aunque se haya
asistido a la clase presencial o a la clase virtual, los estudiantes igualmente puedan
visualizar los contenidos.
3. METODOLOGÍA
3.1.MODELO MATEMÁTICO PARA EL LABORATORIO
Se construyó un ejemplo a partir del ejercicio 5-120 del libro de termodinámica de
Cengel (novena edición), esto con el fin de identificar las variables a controlar dentro
del proyecto e identificar su construcción. También, servirá como ejemplo para
solucionar los distintos problemas que puedan surgir a partir de los valores que
arroje el calderín.
Un calderín con un volumen de agua de 0.75 L se le agrega calor durante 5 minutos
y 54 segundos, al llegar a este punto se abre la válvula. Calcule la masa de salida
y el calor en forma de potencia.
Para la solución de este ejercicio se entiende que es un sistema cerrado, sin trabajo,
con fronteras rígidas y en equilibrio.
Para hallar la masa inicial se usan los valores de vf y vg que están dentro de la
campana de saturación liquido-vapor.
P (Kpa) vf
(m^3/Kg) vg
(m^3/Kg) hf (KJ/Kg) hg (KJ/Kg)
5 0,001005 28.09 137.77 2560.5
50 0,001030 3.239 340.55 2645.3
101.325 0,001043 1.6720 419.17 2675.7
Tabla 9. Estados termodinámicos a partir de la tabla de saturación liquido-vapor A.6.2
Fuente. Elaboración propia
23
𝒎𝟏 = 𝒎𝒇 + 𝒎𝒈 =𝑽𝒇
𝒗𝒇+
𝑽𝒈
𝒗𝒈=
𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟕𝟓𝒎𝟑
𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟎𝟒𝟑𝒎𝟑
𝑲𝒈
+𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟕𝟓𝒎𝟑
𝟏. 𝟔𝟕𝟐𝟎𝒎𝟑
𝑲𝒈
= 𝟎. 𝟕𝟏𝟗𝟓𝟐𝟖𝟏𝟒𝟐𝟕𝑲𝒈
Seguidamente se halla la masa dos a partir del volumen y el volumen específico:
𝒎𝟐 =𝑽
𝒗𝟐=
𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟕𝟓𝒎𝟑
𝟏. 𝟔𝟕𝟐𝟎𝒎𝟑
𝑲𝒈
= 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟒𝟏𝟖𝟔𝟔𝟎𝟐𝟖𝑲𝒈
De igual forma se halla la masa que queda dentro del sistema:
𝒎𝒆 = 𝒎𝟏 − 𝒎𝟐 = 𝟎. 𝟕𝟏𝟗𝟓𝟐𝟖𝟏𝟒𝟐𝟕𝑲𝒈 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟒𝟏𝟖𝟔𝟔𝟎𝟐𝟖𝑲𝒈 = 𝟎. 𝟕𝟏𝟗𝟏𝟎𝟗𝟒𝟖𝟐𝟒𝟒𝑲𝒈
Para hallar el calor de la masa se necesita hallar los valores de μ:
𝝁𝟐 = 𝒉𝒈 − 𝑷𝟏 ∗ 𝒗𝒈 = 𝟐𝟔𝟕𝟓. 𝟕𝑲𝑱
𝑲𝒈− (𝟏𝟎𝟏. 𝟑𝟐𝟓𝑲𝑷𝒂 ∗ 𝟏. 𝟔𝟕𝟐𝟎
𝒎𝟑
𝑲𝒈) = 𝟐𝟓𝟎𝟔. 𝟐𝟖𝟒𝟔𝑲𝑱
𝝁𝟏 = 𝒉𝒇 − 𝑷𝟏 ∗ 𝒗𝒇 = 𝟒𝟏𝟗. 𝟏𝟕𝑲𝑱
𝑲𝒈− (𝟏𝟎𝟏. 𝟑𝟐𝟓𝑲𝑷𝒂 ∗ 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟎𝟒𝟑
𝒎𝟑
𝑲𝒈) = 𝟒𝟏𝟗. 𝟎𝟔𝟒𝟑𝑲𝑱
Se halla el calor de la masa y se asume que ℎ𝑔 y ℎ𝑒 son iguales:
𝑸𝒎 = 𝒎𝒆 ∗ 𝒉𝒆 + 𝒎𝟐 ∗ 𝝁𝟐 − 𝒎𝟏 ∗ 𝝁𝟏
𝑸𝒎 = (𝟎. 𝟕𝟏𝟗𝟏𝟎𝟗𝟒𝟖𝟐𝑲𝒈 ∗ 𝟐𝟔𝟕𝟓. 𝟕𝑲𝑱
𝑲𝒈) + (𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟒𝟏𝟖𝟔𝟎𝟐𝟖𝑲𝒈 ∗ 𝟐𝟓𝟎𝟔. 𝟐𝟖𝟒𝟔
𝑲𝑱
𝑲𝒈)
− (𝟎. 𝟕𝟏𝟗𝟓𝟐𝟖𝟏𝟒𝟐𝟕𝑲𝒈 ∗ 𝟒𝟏𝟗. 𝟎𝟔𝟒𝟑𝑲𝑱
𝑲𝒈) = 𝟏𝟔𝟐𝟑. 𝟔𝟒𝟏𝟗𝟓𝟑𝑲𝑱
Para hallar el valor del calor trasferido en forma de potencia se pasa la unidad de
medida de minutos a segundos:
𝟓𝒎𝒊𝒏 ∗𝟔𝟎𝒔
𝟏𝒎𝒊𝒏+ 𝟓𝟒𝒔 = 𝟑𝟓𝟒𝒔
Finalmente se halla el valor del calor transferido:
�̇� =𝑸𝒎
𝒕=
𝟏𝟔𝟐𝟑. 𝟔𝟒𝟏𝟗𝟓𝟑𝑲𝑱
𝟑𝟓𝟒𝒔= 𝟒. 𝟓𝟗𝟔𝟓𝟓𝟗𝑲𝑾 = 𝟒𝟓𝟗𝟔. 𝟓𝟓𝟗𝑾
𝟏. 𝟖𝟕𝟖𝟕𝟓𝟑𝟒𝟎𝑲𝑾 = 𝟏𝟖𝟕𝟖. 𝟕𝟓𝟑𝟒𝑾
24
3.2.DISEÑO DEL SISTEMA DEL CONTROL Y VISUALIZACIÓN
Se plantea una estructura para el diseño del sistema de control del generador de
vapor, que faculte la compresión del procedimiento para la elaboración de todo el
laboratorio programado.
3.2.1.Adquisición de datos
La adquisición de datos o señales es un proceso mediante el cual fenómenos físicos
del mundo real (sistema analógico) son transformados en señales eléctricas. Estas
señales son medidas y convertidas en formato digital (conversión analógica-digital)
para su procesamiento, análisis y almacenamiento.
Para realizar dicha tarea de adquisición de datos se cuenta con tres sensores, dos
con salidas analógicas (sensor de presión y sensor de carga) y uno con salida digital
(sensor de temperatura), los cuales hacen una conexión entre el mundo real y el
sistema de adquisición, funcionando como elementos de censado que responden
directamente a la cantidad física que se quiere medir.
A continuación, se da una explicación del funcionamiento de cada sensor y su modo
de adquirir las señales.
ADQUISICIÓN
DE DATOS
1. Sensor de
presión
2. Sensor de
temperatura
3. Sensor de
carga
RECEPCIÓN DE
DATOS
Placa Arduino
SALIDA DE
COMANDOS
1.Relé para
activación de
caldera
2. Electroválvula
PROCESAMIENTO
Y CONTROL DE
DATOS
Arduino
(IDE)
INTERFAZ
GRÁFICA
LabVIEW
ACCESO
REMOTO
Microsoft
teams
Figura 12. Diseño del sistema del control y visualización
Fuente. Elaboración propia
25
3.2.1.1.Sensor de presión
El sensor de presión industrial modelo HK1100C utilizado para este proyecto, faculta
visualizar la variación de la presion dentro del generador de vapor, dicho sensor,
cuenta con una salida en voltaje analógico que cambia linealmente desde 0.5V para
0 MPa, hasta 4.5V para 1.2 MPa. Esta salida analógica es compatible con las
entradas analógicas (ADC) de Arduino.
Dado que, el voltaje de salida se da de forma lineal, la representación más
adecuada se entiende por la siguiente ecuación ordinaria de la recta que comprende
la variación del voltaje de salida conforme a los valores de presión obtenidos.
𝑉𝑐𝑐 = 5.0𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑐𝑐(0.75 ∗ 𝑃 + 0.1)
3.2.1.2.Sensor de temperatura
El termopar tipo k, permite tomar los valores de temperatura y sus variaciones que
se encuentran dentro del sistema; una vez que la temperatura cambia en la unión
cálida en relación con la unión fría, crea un cambio en el voltaje a través de un
circuito, siendo la respuesta a la medida que ha adquirido, sin embargo, el termopar
no puede conectarse fácilmente al ADC de un microcontrolador, ya que la señal que
genera es muy pequeña, por lo tanto, es necesario utilizar un módulo que
amplifique, compense y convierta de analógico al digital el voltaje generado por la
termocupla, en este caso se hace uso del módulo MAX6675.
0
1
2
3
4
5
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Vo
ut(
VD
C)
P(MPa)
Recta de salida
Figura 13. Recta de salida(sensor de presión)
Fuente. Elaboración propia
26
El módulo MAX6675 realiza la compensación y linealización de la respuesta del
sensor con un ADC, el voltaje de alimentación para el módulo va desde 3.0 a 5.5
VCD.
Cabe resaltar que el equipo de trabajo no tiene los conocimientos muy detallados
sobre Arduino y sobre los sensores con los que cuenta, los dos sensores anteriores
están sobredimensionados porque la caldera va a llegar hasta una presión de
alrededor de 100 KPa y una temperatura cercana a los 100° C, es decir se usará la
capacidad de los sensores menores al 15%.
3.2.1.3.Sensor de carga
Hay un valor relevante a medir y es la cantidad de vapor que sale, ya que a partir
del ejercicio matemático se identificó que, para hallar valores importantes, como el
calor en forma de potencia, se necesita saber cuánta masa hay dentro del sistema
y cuanta sale. En principio se iba a usar un caudalímetro, sin embargo, hubo una
limitante grande y es que la mayoría de estos eran en plástico y tienen un rango de
temperatura bajo para la necesidad del proyecto. Entonces, se decidió usar un
sensor de masa. La idea principal es tener una cantidad de masa con la caldera y
el agua, y al aumentar la energía interna del agua esta saldría en forma de vapor al
cabo de un tiempo, esta masa que sale se evidenciaría en los valores que arroje el
sensor ya que sería menor al valor inicial; este valor es conocido como flujo másico
porque es el valor de masa que sale con respecto a un tiempo.
La celda de carga de 20kg al igual que el termopar tipo k, no se puede conectar
directamente al ADC por su pequeña señal o dato trasmitido, por consecuencia, se
debe hacer uso de un módulo transmisor, en este caso el módulo HX711 que
permita amplificar la señal dada por la celda y se pueda transferir a Arduino.
El chip HX711 posee internamente la electrónica de acondicionamiento y
conversión analógico/digital para la lectura del puente de Wheatstone formado por
la celda de carga. La comunicación se realiza a través de un protocolo de tipo serial
por medio de dos pines (DT y SCK).
3.2.2.Recepción de datos
La recepción de datos es la acción de admitir y/o tomar las señales entrantes desde
algún medio, dispositivo o ambiente. Para este proyecto, la actividad de recibir los
datos se hace a través de la placa Arduino Mega 2560, siendo la herramienta
27
encarga de tomar las señales que han adquirido los sensores mencionados en el
punto anterior. La placa Arduino, como recepción de datos está conectada mediante
comunicación serial al computador, recopilando los datos enviados por los sensores
tanto analógicos como digitales.
El Arduino Mega 2560 es probablemente el microcontrolador más capaz de la
familia Arduino, Tiene 54 pines de entrada/salida digital de los cuales 15 pueden ser
usados como salidas PWM (pulse width modulation), 16 entradas analógicas, 4
UARTs (puertos seriales de hardware). Además, esta placa tiene un número de
facilidades para comunicarse con un ordenador, otro Arduino, u otros
microcontroladores.
Ahora bien, conociendo los sensores analógicos y digitales empleados para el
laboratorio, se conectan sus salidas a la placa Arduino mega 2560 de la siguiente
forma:
1. En primer lugar, el sensor de presión cuenta con tres cables que son: rojo
para alimentación (5V), negro para tierra (0V) y el cable amarillo para la salida
de datos hacia Arduino. En este caso, el sensor de presión se une a la salida
analógica A8 de la placa, y los cables de alimentación y tierra se conectan a
los pines de la protoboard que le brindan lo mencionado.
2. Para el sensor de carga o celda de carga, se debe hacer uso del módulo
transmisor HX711 para que las señales lleguen de forma adecuada al
Arduino. El sensor de carga cuenta con cuatro cables de salida los cuales
son: rojo para la entrada al módulo E+, negro para la entrada al módulo E-,
blanco para la entrada al módulo A-y el cable verde que da por cumplido el
puente de Wheatstone a la entrada del módulo A+. Asimismo, las salidas del
chip HX711 son cuatro que se organizan así: cable negro para GND(tierra),
cable morado para el pin DT, que se conecta a la entrada analógica del
Arduino A1,cable azul para el pin de salida SCK que se une al Arduino por la
entrada analógica A0 y por último el cable rojo como alimentación VCC que
se conecta a la protoboard junto al cable de GND.
3. Finalmente, el sensor de temperatura o termopar tipo K, se debe conectar en
primera instancia al módulo amplificador MAX6675 de la siguiente manera:
el cable rojo en la salida del termopar, en este proceso es el terminal positivo,
y el cable azul en la salida del termopar es el terminal negativo, dichos cables
deben ir al módulo MAX6675 en la entrada; la salida del módulo consta de 5
pines los cuales son: el pin SO con el cable de color azul para la
comunicación va a la entrada digital de la placa 22, el cable naranja para la
28
salida del módulo CS se une a la entrada digital 24, el cable verde de la salida
del módulo SCK va a la entrada digital 26, y las salidas VCC y GND con los
cables rojo y negro se enlazan a la protoboard respectivamente.
Numero de elemento Nombre del elemento
1 Termocupla tipo k
2 Módulo MAX6675
3 Sensor de presión
4 Tarjeta Arduino
5 Módulo HX711
6 Sensor de carga
7 Protoboard
3.2.3.Salida de comandos
Teniendo en cuenta la información presentada en el punto anterior, Arduino funciona
como receptor de datos de señales entrantes, no obstante, se encarga por otra parte
de enviar orden e instrucciones a algún dispositivo en específico, en este caso,
Figura 14. Conexión de los sensores a la placa Arduino mega 2560
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Tabla 10. Numeración de los elementos en la conexión de los sensores a la placa Arduino mega 2560
29
envía comandos de salida a los dos relés que hacen parte del funcionamiento de la
caldera.
El primer relé, siendo un relé de estado sólido(40A SSR-40) es el encargado de
encender el generador de vapor en el momento que se requiera, es decir, funciona
como un interruptor controlado. Esta herramienta puede funcionar con una corriente
de carga de hasta 40A, y se activa con solo 3V de tensión de trabajo. Dado que, la
caldera funciona con una corriente de carga alta se selecciona el relé de estado
sólido como el instrumento más viable para que funcione correctamente dicha
caldera.
El generador de vapor está conectado a una señal de 110V, y a su vez al relé de
estado sólido para que permita el encendido. Por esta razón, se debe tener en
cuenta que el relé 40A SSR-40 tiene 4 puntos o pines para su cableado: el pin 1 es
el adecuado para conectar el cable activo del enchufe a la caldera, el pin 2 se une
a la caldera directamente, el pin 3 va conectado a una entrada digital de la placa
Arduino, en este caso, la entrada digital 50 y, por último, el pin 4 funciona como
GND (tierra) en el encendido del generador de vapor.
Número del elemento Nombre del elemento
1 Generador de vapor
2 Relé de estado sol
3 Protoboard
4 Placa de Arduino
5 Fuente de alimentación
Figura 15. Conexión del generador de vapor a la placa Arduino mega 2560
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Tabla 11. Numeración de los elementos en la conexión del generador de vapor a la placa Arduino mega
2560
30
El segundo es un módulo relé de dos canales y se encarga de activar (abrir) la
electroválvula para que el vapor pueda salir sin ninguna dificultad en un momento
indicado. Este módulo relé trabaja con 5V y funciona con una corriente máxima de
10A cuando es normalmente abierta(NO) o 5A cuando es normalmente
cerrada(NC).
La electroválvula seleccionada trabaja con una corriente máxima de 540mA y una
tensión de trabajo de 12V DC, por lo que es necesario conectarla a una fuente de
energía y a un relé que cubra dichas características. Esta electroválvula es
normalmente cerrada, por lo tanto, su conexión al relé se debe cumplir: el cable
GND (color negro) de salida de la electroválvula se debe conectar directamente al
GND de la fuente de energía o enchufe, el cable rojo que sale de la fuente de
energía se une al punto común que, para este proyecto es en el segundo canal
(COM2), y finalmente el cable rojo de la electroválvula se enlaza a uno de los dos
extremos NO y/o NC del relé, en este caso, NC2.
Por otra parte, los pines de entrada del relé son tres: tierra(GND) que se conecta a
la protoboard, voltaje de entrada (VCC) se identifica con el cable rojo que se une a
la protoboard, y la señal de activación (IN2) que va al pin digital 40 de la placa
Arduino.
Figura 16. Conexión de la electroválvula a la placa Arduino mega 2560
Fuente. Elaboración propia
31
Número del elemento Nombre del elemento
1 Electroválvula
2 Fuente de alimentación
3 Relé de dos canales
4 Placa de Arduino
5 Protoboard
En resumen, la conexión de los tres sensores y de los dos relés al Arduino queda
de la siguiente forma.
Figura 17. Conexión sensores y relés a la placa Arduino mega 2560
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Tabla 12. Numeración de los elementos en la conexión de la electroválvula a la placa Arduino mega 2560
32
Color del cable Significado del cable
Rojo Alimentación (5v)
Negro Tierra (GND)
Rojo vino Conexión a fuente de alimentación
Naranja Conexión relé estado sólido a
Arduino
Verde Complemento puente de
Wheatstone a modulo HX711
Blanco Complemento puente de
Wheatstone a modulo HX711
Morado Comunicación de datos de modulo
HX711 a Arduino
Azul Comunicación de datos de modulo
HX711 a Arduino
Amarillo Comunicación de datos de presión
Cobre Comandos enviados al relé
Verde fluorescente Comunicación de datos de modulo
MAX6675 a Arduino
Rosado Comunicación de datos de modulo
MAX6675 a Arduino
Azul claro Comunicación de datos de modulo
MAX6675 a Arduino
3.2.4.Procesamiento y control de datos
El procesamiento de datos se produce cuando se recaban datos y se traducen a
información utilizable. El procesamiento empieza con datos en su forma en bruto y
los convierte a un formato más legible, dándoles la forma y el contexto necesario,
accediendo a su correcta interpretación. Mientras que, el control de datos permite
controlar y clasificar la información de entrada y salida.
Es claro que, un objetivo específico de este proyecto busca determinar un sistema
de control para el correcto funcionamiento del generador de vapor, teniendo en
cuenta que la adquisición de datos por parte de los sensores y la recepción de
Tabla 13. Identificación de cables en la conexión general a la placa Arduino mega 2560
Fuente. Elaboración propia
33
dichos datos por la placa Arduino necesitan de un procesamiento y control que
faculte la observación de los datos obtenidos, se hace uso de Arduino IDE como
herramienta de programación que permite al grupo de trabajo para este proyecto
crear, desarrollar y grabar un código que se encarga de validar, analizar y convertir
los valores obtenidos por los sensores a una visualización e interacción más
sencilla.
En primera instancia, para poder utilizar el conjunto de herramientas de software de
Arduino IDE, es imprescindible instalar los drivers respectivos. Los drivers son
controladores que se deben poner en el computador para que esta reconozca que
tipo de dispositivo es y cómo comunicarse con dicho dispositivo; tanto el software
Arduino IDE como sus drivers se pueden descargar directamente de la página oficial
de Arduino.
Para verificar la correcta conexión de la placa Arduino al computador, y que el
software Arduino IDE reconozca la placa Arduino mega 2560, se realiza los
siguientes pasos:
1. Entrar al software Arduino IDE, y dirigirse a la opción de herramientas.
2. En herramientas, ir a la opción puerto.
3. En la opción puerto aparecen los puertos del computador que en el momento
están conectados, se selecciona el puerto donde está la placa Arduino.
Seguidamente, se deben descargar las librerías necesarias para los sensores que
lo requieren, en este aspecto, como el sensor de presión es lineal no cuenta con
una librería que defina su código para su funcionamiento, mientras que los sensores
de carga y temperatura requieren de librerías para sus módulos el HX711 y el
Fuente. Elaboración propia
Figura 18. Conexión de la placa Arduino mega 2560 al software Arduino IDE
34
MAX6675 respectivamente. La forma adecuada de buscar las librerías en el
software Arduino IDE es de la manera:
1. Dirigirse a la opción programa dentro del archivo en Arduino IDE.
2. En programa, ir a la opción incluir librería.
3. En incluir librería, ir a la opción administrar bibliotecas.
4. En la opción administrar bibliotecas, digitar el nombre de la librería requerida
(HX711 y MAX6675), luego dar instalar.
Se aclara que, el código dentro de Arduino IDE consta de dos partes: Void setup el
cual es una función que se crea en la parte superior de cada programa, dentro de
las llaves está el código que desea ejecutar una vez tan pronto como el programa
comience a ejecutarse; y Void loop es otra función que usa Arduino como parte de
su estructura, el código dentro de la función de loop se repite una y otra vez mientras
la placa está encendida.
3.2.4.1.Código en Arduino IDE para sensor de presión
El sensor de presión HK1100C, como se mencionó anteriormente tiene una salida
de voltaje analógico que cambia linealmente, por lo que su código es sencillo de
realizar. Teniendo en cuenta que, los pines analógicos de entrada en Arduino tienen
una resolución, que generalmente será de 0 a 1024 (10 bits), el sensor de presión
da sus valores en este rango, de tal modo, para 5V de entrada al Arduino el valor
es de 1024; obtener el valor del voltaje del sensor se hace la siguiente formula:
Figura 19. Incluir librerías en Arduino IDE
Fuente. Elaboración propia
35
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ∗ 5,0
1024,0
Luego de tener el voltaje que ha enviado el sensor de presión, se traduce dicho
voltaje a pascales y así a otras unidades, por ejemplo, bares y Psi.
Por otro lado, en los ejemplos de códigos de Arduino que se encuentran en distintas
plataformas, se utiliza comúnmente la función ‘delay’ que hace que el procesador
espere o se pause a cierta señal, esta es una función de bloqueo, lo que significa
que impide que un programa haga algo más hasta que esa tarea haya sido
completada, es decir, que al usar delay() no se puede ejecutar ninguna otra tarea
durante el tiempo que se haya especificado. Por ende, dicha función no es practica
en los códigos para este laboratorio, ya que se va a ejecutar al tiempo el código de
cada sensor.
Por esta razón, se hace uso de la función ‘millis’ la cual devuelve el número de
milisegundos que han pasado desde que la placa Arduino ha empezado a ejecutar
el programa actual, por lo que faculta que se realicen varios códigos o varias tareas
a la vez.
Figura 20. Código en Arduino IDE para sensor de presión
Fuente. Elaboración propia
36
3.2.4.2.Código en Arduino IDE para sensor de carga
Para el sensor de carga, se conoce que debe estar debidamente conectado al
módulo transmisor HX711 al cual se debe tener instalada su librería adecuada.
Luego, se debe de calibrar el sensor, que es básicamente hallar el valor de la escala
que se usará; es decir, hallar el factor de conversión para convertir el valor de lectura
en un valor con unidades de peso.
En primer lugar, se necesita conseguir un objeto con peso conocido, en otras
palabras, que esta medida no cambiara con el tiempo. El inconveniente es que
conseguir una balanza con una precisión de ese nivel era difícil, no obstante, uno
de los integrantes trabaja en una planta que cuenta con un laboratorio de calidad,
se usó una balanza certificada por el ICONTEC para pesar un elemento que pudiera
usarse en la calibración el cual fue una gaseosa en botella de vidrio perfectamente
sellada que arrojo un valor de 672.4 gramos.
Seguidamente, se debe ejecutar el primer código en Arduino IDE, el programa debe
correr sin el peso colocado, pues al inicio de programa calcula la tara. Después de
abrir el monitor serial y esperar para que reste la tara, Se pone el objeto con el que
estén trabajando.
Figura 21. Elemento pesado para la calibración del sensor de carga
Fuente. Elaboración propia
37
Después de poner el peso en la balanza, en el monitor serial se mostrarán las
lecturas del peso, son lecturas sin escalar, por lo que deben aparecer números
grandes. Con el promedio de estos datos se calcula el valor de la escala que se
usara, haciendo uso de la siguiente formula:
𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙
75900.51
672.4= 112.88
El dato anterior obtenido, se utiliza en el siguiente código del sensor de carga.
Figura 22. Código de calibración en Arduino IDE para el sensor de carga
Fuente. Elaboración propia
Figura 23. Código en Arduino IDE para el sensor de carga
Fuente. Elaboración propia
38
3.2.4.3.Código en Arduino IDE para sensor de temperatura
La termocupla tipo K que se encarga de recibir los datos de temperatura, debe ir
conectada correctamente al módulo amplificador MAX6675 como se expuso
anteriormente. Hacer uso de un código para el funcionamiento de este sensor es
fácil, dado que en la librería del módulo MAX6675 está el ejemplo que permite el
procesamiento de los datos o señales adquiridas, con tal ejemplo de la librería, solo
se debe verificar los pines donde están conectadas las salidas del módulo a la placa
Arduino y cambiar la función delay por la función millis.
Este ejemplo permite observar la lectura de los datos de temperatura en grado
Celsius (C) y en grados Fahrenheit (F).
Figura 24. Ejemplo de la librería MAX6675 para el código en Arduino IDE
Fuente. Elaboración propia
39
3.2.4.4.Código en Arduino IDE para encendido del generador de vapor y
activación de la electroválvula
Para el encendido de la caldera con la ayuda del relé de estado sólido y la activación
de la electroválvula con el relé de dos canales, se emplea un código básico en
Arduino IDE, en el cual solo se hace uso de las constantes high y low
respectivamente, dichas constantes definen los niveles de salida altos (encendido)
o bajos (apagado) y se utilizan para la lectura o la escritura digital. Sin embargo, se
debe tener en cuenta que los datos controlados por Arduino IDE se podrán observar
a través de la interfaz gráfica en LabVIEW, por lo tanto, el código en el software
Arduino IDE lo debe comprender LabVIEW para su correcta visualización.
En primer lugar, se define la variable char, que se refiere a un tipo de datos que
ocupa 1 byte de memoria y almacena el valor de un carácter. Luego, se convierte
tal dato a string, es decir, se cambia a un tipo de dato que es usado para guardar
cadenas de caracteres. Para transformar un char a string se hace uso de la función
String; esta función toma una variable como entrada y devuelve un objeto string.
Se aclara que, para dar órdenes de salida desde LabVIEW, el código debe contar
con un condicional que permita describir una variable de encendido y una variable
de apagado, por ejemplo, si la variable que se está leyendo en el momento es ‘a’
debe encender el dispositivo, pero si la variable de lectura es cualquier carácter
diferente de ‘a’ el dispositivo estará apagado.
Fuente. Elaboración propia
Figura 25. Código en Arduino IDE para el sensor de temperatura
40
3.2.4.5. Código conjunto en Arduino IDE
Teniendo en cuenta la explicación de los códigos individuales de los sensores y
relés, la unión de estos códigos en Arduino IDE permite observar todos los datos
obtenidos en un solo monitor serie para Arduino o en el ambiente de interacción en
LabVIEW. Por lo tanto, se resalta que se debe hacer uso de la función millis y no de
la función delay en la programación de Arduino, ya que se ejecutaran varias tareas
al tiempo con una misma constante de tiempo, en este código, 1000 milisegundos.
Seguidamente, se incluyen los pines tanto de entrada como de salida y las librerías
de los sensores que las requieren; para la función void setup en Arduino IDE se
incluye la instrucción Serial.begin con un solo número constante, esta instrucción le
indica al Arduino que inicie comunicación con la computadora (o cualquier
dispositivo conectado a los pines RX y TX) con una velocidad de comunicación
serial de 9600 bits por segundo (baudios). Además, en la función void setup se
incluye la formación void setup de cada código mencionado anteriormente.
Ahora bien, para la función void loop del código conjunto, simplemente se unen las
instrucciones que se encuentran en cada void loop de los códigos ya expuestos.
Figura 26. Código en Arduino IDE para el encendido del generador de vapor y la activación de la
electroválvula.
Fuente. Elaboración propia
41
Figura 27. Código conjunto en Arduino IDE (a)
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Figura 28. Código conjunto en Arduino IDE (b)
42
3.2.5. Montaje del generador de vapor
Para un proyecto de la materia termodinámica en la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas un estudiante desarrollo un calderín, el Doctor Camilo Andrés Arias
Henao donó este elemento para el desarrollo de este trabajo de grado.
El calderín contaba con un manómetro de presión, una válvula de alivio (para liberar
la presión interna) y una válvula mecánica normalmente cerrada con su respectiva
manguera para soportar altas temperaturas.
Fuente. Elaboración propia
Figura 29. Código conjunto en Arduino IDE (c)
Figura 30. Caldera inicial
Fuente. Elaboración propia
43
El primer paso fue identificar el lugar en el cual se iban a colocar los sensores de
presión y temperatura de Arduino, se concluyó que el sitio adecuado era la salida,
es decir, donde se encuentra la salida de vapor, y el sensor de carga, en la parte de
debajo de la caldera como una balanza.
El equipo de trabajo mandó a hacer un adaptador, de diferentes roscas, para
conectar los sensores y la respectiva salida de vapor; para este punto se decidió
utilizar una electroválvula solenoide normalmente cerrada para la salida, sin
embargo, para poderla conectar al adaptador se necesitó de un miple reductor de
¼ in a 7/9 in de rosca.
Se considero utilizar una celda de carga de 20Kg para diseñar la balanza que
permitiría conocer el valor de la masa dentro del sistema, no obstante, dicho sensor
no funcionó correctamente, dado que, al medir la resistencia de la celda con la
ayuda de un multímetro y la aplicación de una carga, el valor de la resistencia no
variaba, por lo tanto, se determinó que el sensor no se podía utilizar pues sus
valores de voltaje enviados a Arduino no eran correctos.
Figura 31. Adaptador para los sensores
Fuente. Elaboración propia
Figura 32. Comprobación de funcionamiento de la celda de carga inicial
Fuente. Elaboración propia
44
Para el montaje de la balanza se usaron dos tablas rectangulares de 20 cm x 30
cm; una se colocó encima del sensor de carga y otra por abajo, según indicaciones
del fabricante. Sin embargo, este tipo de montaje requiere un contrapeso, ya que en
la tabla superior donde va la caldera se genera un momento con respecto al centro
del sensor, es por ello por lo que se realizaron los siguientes cálculos para
determinar la masa del contrapeso:
Asumiendo que el contrapeso (Y) es de 4 Kg el montaje estaría estáticamente
determinado.
∑ 𝐹𝑦 = −3.63777 + 𝑅1 + 𝑅2 − 4 = 0
∑ 𝑀𝑅1 = 3.63777 ∗ 0.14 − 𝑌 ∗ 0.1 + 𝑅2 ∗ 0.2 = 0
𝑅2 =((4 ∗ 0.1) − (3.63777 ∗ 0.14))
0.2= −0.546439 𝑁
𝑅1 = −(−0.546439) + 4 + 3.63777 = 8.184209 𝑁
Por lo tanto, para que no haya un momento en sentido antihorario y que el sistema
esté en equilibrio el contrapeso debe ser de 4 kg o mayor.
18.18885 N/m
Y =4 Kg
0.2 m
0.2 m
0.0
13
m
0.0
25
m
R1 R2
Figura 33. Modelo estático de la balanza
Fuente. Elaboración propia
45
Figura 34. Elaboración de la balanza
Fuente. Elaboración propia
Figura 34. Montaje final del generador de vapor (a)
Fuente. Elaboración propia
Figura 35. Montaje final del generador de vapor (b)
Fuente. Elaboración propia
46
3.2.6. Interfaz gráfica
Una interfaz gráfica es un programa informático que actúa de interfaz de usuario,
utilizando un conjunto de imágenes y objetos gráficos para representar la
información y acciones disponibles en la interfaz. Su principal uso consiste en
proporcionar un entorno visual sencillo para permitir la comunicación con el sistema
operativo de una máquina o computador.
Dado que este proyecto quiere brindar una herramienta de estudio a los estudiantes,
profesores y toda la comunidad educativa para poder interactuar con un laboratorio
que contribuya y/o fortalezca el aprendizaje a través de la virtualidad, se determina
realizar una interfaz gráfica con la ayuda de LabVIEW que permita comprender de
una forma fácil el comportamiento y funcionamiento del generador de vapor,
incluyendo el manejo de las variables termodinámicas.
3.2.6.1.Conexión entre LabVIEW y Arduino
En primera instancia, se debe instalar dos softwares complementarios a LabVIEW
(VI PACKAGE MANAGER y NI VISA), de esta manera, LabVIEW podrá configurar
instrucciones por modo serial con Arduino, por lo tanto, se forma una conexión con
el puerto donde está conectada la placa Arduino.
LabVIEW permite crear un entorno de control y observación de los datos obtenidos
y de las señales transmitidas, de tal modo, existe una relación entre el diagrama de
bloques y el ambiente de presentación de los datos. Cada icono o símbolo de
visualización de la información de entrada y/o salida que se coloque en el ambiente
de presentación, tiene que ir conectada de manera correcta en el diagrama de
bloques, en consecuencia, se debe organizar las señales de entradas y las de salida
dentro del diagrama de bloques en LabVIEW.
Figura 36. Conexión del puerto serial en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
47
3.2.6.2. Programación sensor de presión en LabVIEW
Dado que en el código en Arduino IDE del sensor de presión los datos recogidos se
observan en pascales y psi como unidades de presión, en la programación de
LabVIEW de este sensor, se deben ver los dos datos. Por tal razón, en el diagrama
de bloques se hace uso de una función que permita delimitar los dos valores
obtenidos y detallarlos en el ambiente de presentación, dicha función es
spreadsheet string to array (cadena de hoja de cálculo a matriz); que recoge los
datos string y les da una salida en matriz, facultando la determinación de las dos
señales de este sensor a través de un índice de matriz.
3.2.6.3. Programación sensor de carga en LabVIEW
Para este caso, el dato de entrada a LabVIEW por parte del código del sensor de
carga en Arduino IDE es de tipo string, por tal razón, se hace uso de una función de
conversión de cadenas decimal a números(decimal string to number), lo que permite
leer el valor numérico dado por el sensor en LabVIEW.
Figura 37. Programación del sensor de presión en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
Figura 38. programación sensor de carga en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
48
3.2.6.4. Programación sensor de temperatura en LabVIEW
El sensor de temperatura, al igual que el sensor de presión sus datos de entrada a
LabVIEW se encuentran separados por una coma, por ende, se hace uso de las
mismas funciones mencionadas en la programación del sensor de presión en
LabVIEW.
3.2.6.5. Programación de relés en LabVIEW
Dado que, los relés reciben comandos y/o indicaciones de salida para actuar ya sea
activando o encendiendo algún dispositivo, en LabVIEW estos relés están
conectados a un instrumento de escritura, a diferencia de los sensores que están
unidos a un instrumento de lectura, la escritura permite enviar señales al generador
de vapor y a la electroválvula para que se activen. Como se mencionó en el código
de Arduino IDE para encendido del generador de vapor y activación de la
electroválvula, se deben definir las variables para el encendido, tales variables se
definen desde la programación de LabVIEW para su funcionamiento.
Figura 39. Programación sensor de temperatura en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
Figura 40. programación de relés en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
49
3.2.6.6. Programación conjunta en LabVIEW
Para realizar una correcta programación en LabVIEW de los tres sensores y dos
relés, se define en primera instancia, la ejecución infinita de información tanto de
entrada como de salida hasta que ocurra una condición. Por ende, se hace uso de
una estructura while loop(ciclos infinitos), esta estructura se encarga de ejecutar el
código que contiene hasta la terminal condicional, en este caso, la terminal
condicional es false, es decir, el código corre de manera infinita hasta que se desee
detener con un botón.
No obstante, los sensores envían datos a LabVIEW que a diferencia de los relés
reciben instrucciones, por lo tanto, los datos de los sensores se colocan en un while
loop como un túnel de estructura, es decir, el túnel alimenta datos desde y hacia la
estructura general, con todo eso, los datos salen del ciclo después de que el ciclo
termina, se hace uso de este túnel con el fin de permitirle al software poner
condiciones sobre dichos sensores.
Adicionalmente, cada sensor envía un dato distinto a LabVIEW, por ello, se
necesitan subdiagramas que permita diferencias dichos datos dentro del software,
se usa la estructura case estructure, que se encarga de ejecutar solamente un caso
a la vez, la etiqueta en la parte superior de cada estructura de caso contiene el
nombre del valor del selector que corresponde al caso en el centro. Sumando, el
indicador con un signo de interrogación (?) en la margen de la estructura de caso,
se debe cablear a un valor de entrada o selector a la terminal para determinar qué
caso se ejecuta. Para este laboratorio programado, se hace uso de tres estructuras
de casos, cada una con un numero entero que define el caso.
Ahora bien, para que el laboratorio tenga mayor funcionalidad, dentro de cada
estructura de caso se coloca una conexión a Excel, con el fin de recopilar todos los
datos obtenidos por cada sensor y visualizarlos en Microsoft Excel, de tal forma, se
puede hacer uso de los valores del laboratorio para resolver algún problema
específico.
Por último, la conexión de los relés a LabVIEW esta incorporado a la estructura
while loop general, y se utiliza un icono de espera de datos en cada estructura de
caso con una constante de 1000 milisegundos para el sensor de presion, y de 500
milisegundos para los sensores de temperatura y carga.
50
3.2.6.7. Ambiente de presentación en LabVIEW
El ambiente creado para la presentación del laboratorio programado del generador
de vapor cuenta con:
• Icono de número o cuadro que indica el valor adquirido por el sensor de
carga.
• Iconos de números que enseña el valor de temperatura en Celsius y
Fahrenheit, y un termómetro en Celsius que permite ver la variación de la
temperatura.
• Iconos de números que muestran el valor de presión en pascales y psi, y una
figura que simula un manómetro para observar la variación de presión en psi.
• Un cuadro que faculta la visualización de todos los datos obtenidos.
• Icono de stop para detener todo el sistema en funcionamiento.
• Icono de encendido del generador de vapor.
Figura 41. Programación conjunta en LabVIEW
Fuente. Elaboración propia
51
• icono para activación de la electroválvula.
3.2.7.Acceso remoto
El acceso remoto (o escritorio remoto) es la capacidad de acceder a un ordenador
o dispositivo desde otro dispositivo, en cualquier momento y desde cualquier lugar.
Con un software de acceso remoto instalado en el ordenador, se tiene la libertad de
acceder a ese ordenador, y a todos sus archivos y aplicaciones, desde otro
dispositivo y controlarlo como si se estuviera frente a dicho computador. Para el
acceso remoto del laboratorio creado se hace uso de la plataforma Microsoft teams,
puesto que es de fácil compresión y uso, brindando una gran facilidad del escritorio
remoto.
Figura 43. Electroválvula activada y desactivada respectivamente
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Figura 44. Ambiente de presentación en LabVIEW
Figura 42. Generador de vapor encendido y apagado respectivamente
Fuente. Elaboración propia
52
En primer lugar, se debe acceder con cuenta propia a la plataforma de Microsoft
teams desde cualquier dispositivo electrónico que lo permita, posteriormente, el
usuario que cuenta con el programa a visualizar, en este caso, un generador de
vapor como laboratorio programado compartirá la pantalla a los demás usuarios con
una de las dos opciones disponibles que son:
1. En la barra de herramientas dentro de una llamada en Microsoft teams
cuando se comparte pantalla, hay una opción denominada ceder el control,
seleccionando dicha opción se puede dar el control o acceso al computador
a otro usuario dentro de la llamada.
2. En la barra de herramientas dentro de una llamada en Microsoft teams
cuando otro usuario comparte pantalla y se requiere pedir el mando o acceso,
existe una opción denominada solicitar control que faculta el acceso remoto.
3.2.8. Prueba de funcionamiento
En primer lugar, se elaboró una guía de laboratorio que plantea las preguntas
necesarias para comprender el funcionamiento de la primera ley de termodinámica
en la práctica, recogiendo los datos precisos para las correctas respuestas.
Para poder visualizar la guía de laboratorio propuesta acceder al siguiente enlace:
https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSfaDblR_lrVhrP2RtvYCfcgzE175oP4yq
DdjaSUc2m8Wx9gIA/viewform
Figura 45. Ceder el control en Microsoft teams
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Figura 46. solicitar el control en Microsoft teams
53
Figura 47. Guía de laboratorio (a)
Fuente. Elaboración propia
Figura 48. Guía de laboratorio (b)
Fuente. Elaboración propia
54
Se debe verificar la correcta conexión entre Arduino y sensores en el generador de
vapor, de tal forma, se comprueba que no exista ningún fallo en envió de datos al
software Arduino IDE, de igual modo, la comunicación entre el software Arduino y
LabVIEW debe funcionar correctamente.
Se ejecuta la interfaz en LabVIEW, cuando la interfaz indique en el cuadro de
valores obtenidos ‘listo para pesar’, tomará este valor como tara (0 gramos), se
espera un momento para que se registren los primeros datos y se pueda colocar el
generador de vapor sobre la balanza. Además, se debe tener en cuenta que, el dato
que se enseñe en el icono de masa es el valor del peso de la caldera(3637.77
gramos) más la masa del agua ingresada que, para esta prueba, se utilizó un
volumen de agua de 750 mL.
Verificando que los datos ingresaron al software correctamente, se da el encendido
de la caldera para confirmar que este tomando la corriente, de esta forma, empieza
a correr el laboratorio programado y de acceso remoto, por otra parte, se habilita el
guardado de datos en formato Excel para tener mayor claridad con dichos datos.
Figura 49. Volumen de agua utilizado en la prueba de funcionamiento
Fuente. Elaboración propia
55
A medida que pasaban algunos minutos, la temperatura y la presión, permitieron
reconocer la marcha correcta del generador de vapor y todo su sistema de sensores
y relés, por otro lado, la caldera cuenta con un manómetro que permite observar el
comportamiento de la presión, con dicho instrumento se comprueba el valor
indicado en la interfaz gráfica.
Figura 50. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (a)
Fuente. Elaboración propia
Figura 51. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (b)
Fuente. Elaboración propia
56
Finalmente, se activa la electroválvula para la salida del vapor tal como se indica en
la recomendación dentro de la interfaz. Aclarando que, es necesario apagar la
caldera y dejar la electroválvula activada unos minutos para que pueda salir la
presión que se encuentra dentro del generador de vapor.
Figura 52. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (c)
Fuente. Elaboración propia
Figura 53. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (d)
Fuente. Elaboración propia
57
Se conoce que, los datos obtenidos en el funcionamiento del generador de vapor,
se recoger en un archivo Excel, permitiendo tener mayor detalle de estos valores.
Figura 54. Activación de la electroválvula a través de teams
Fuente. Elaboración propia
Figura 55. Datos de presión obtenidos en la prueba de funcionamiento
Fuente. Elaboración propia
58
02468
10121416
Variación de la presión
Figura 57. Datos de temperatura obtenidos en la prueba de funcionamiento
Fuente. Elaboración propia
Figura 56. Valores de presion en la prueba de funcionamiento
Fuente. Elaboración propia
59
Como se puede observar, la mayor variación de los datos obtenidos de temperatura
se da en el momento que se activa la electroválvula y sale el vapor, dado que, la
termocupla tipo k está ubicada en la salida del generador de vapor y no tiene
contacto directo con el agua en el momento que empieza su cambio de estado.
La elaboración de la tabla de estados termodinámicos se da a partir de los datos
recogidos teniendo en cuenta el valor de presión, sin embargo, para el tercer estado
se evidencia que la calidad no tiene sentido, puesto que la fórmula de dicha calidad
da un resultado negativo, es decir, se va a las tablas de líquido comprimido y vapor
sobrecalentado, y se obtienen los valores correspondientes.
Momento T (°C) P (Kpa) vf
(m^3/Kg) vg
(m^3/Kg) hf
(KJ/Kg) hg
(KJ/Kg) X (%)
1 32,89 5 0,001005 28.09 137.77 2560.5 0,000135695
2 81,34 50 0,00103 3.239 340.55 2645.3 0,000405051
3 99,63 101.325 0,001043 1,694 417,5 2675.1 N.S.
Finalmente, se hizo una prueba de funcionamiento para verificar el manejo desde el
acceso remoto por la plataforma Microsoft teams, examinando que la plataforma se
ejecute correctamente con el software LabVIEW, facultando a los usuarios
interactuar con el calderín y con toda su conexión.
0
50
100
150
200
Variación de la temperatura
C° F°
Figura 58. Valores de temperatura en la prueba de funcionamiento
Fuente. Elaboración propia
Tabla 14. Estados termodinámicos reales
Fuente. Elaboración propia
60
Figura 60. Acceso remoto desde Microsoft teams(b)
Figura 61. Acceso remoto desde Microsoft teams(c)
Figura 59. Acceso remoto desde Microsoft teams(a)
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
Fuente. Elaboración propia
61
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Al realizar las pruebas de funcionamiento del laboratorio programado, se evidencia
la necesidad de hacer un análisis con respecto al proceso de generación de vapor
de agua en la caldera elaborada y sus valores indicados en la interfaz gráfica.
En principio, se entiende que la caldera busca suministrar calor a una masa de agua,
con el fin de provocar en ella un cambio de estado, el tiempo de calentamiento de
agua en estado líquido dentro de la caldera depende de la cantidad de agua que se
encuentra dentro de esta para que cambie su estado; a medida se calienta el agua
las moléculas aumentan su energía interna, incrementando la vibración y la cantidad
de colisiones entre ellas, para que finalmente lleguen al punto en que las fuerzas
intermoleculares no son capaces de mantenerse unidas y se convierten en vapor.
Por lo tanto, se comprende que la contribución de calor al agua permite la
transformación de agua líquida a vapor.
Teniendo en cuenta lo mencionado, durante la prueba de funcionamiento los valores
arrojados muestran un acercamiento con el modelo matemático planteado en el
numeral 3.1. Dando a entender que, existe un pequeño margen de error en los
valores obtenidos por el sensor de temperatura y por el sensor de presión, puesto
que es un sistema cerrado, dichos valores deben ser dependientes, pero como se
observó en la tabla de estados termodinámicos del numeral 3.2.8., en el tercer
estado la temperatura no es dependiente de la presión, es decir, se trata de vapor
sobrecalentado.
Al terminar el experimento, es recomendable dejar la electroválvula abierta, puesto
que, si se deja cerrada, la caldera así este apagada, sigue calentando el agua y
generando vapor (no de la misma forma como si estuviera conectada) en cambio,
al tenerla abierta no hay peligro de que se acumule presión.
62
5.RECOMENDACIONES
Es claro que, es de gran relevancia la elaboración de un laboratorio virtual como
herramienta que apoya el desarrollo de la educación y crecimiento académico en
una rama especifica, en este caso, la rama térmica; por esta razón, se considera
que la implementación del laboratorio programado sobre la generación de por
permite a los estudiantes interactuar con los conocimientos previos adquiridos en la
rama térmica. El proyecto cuenta con los instrumentos y datos básicos para un
laboratorio virtual de acceso remoto, no obstante, se estima que el proyecto pueda
continuar su mejora continua y logre satisfacer las necesidades, de una forma
práctica y sencilla. Por ende, se mencionan puntos para tener en cuenta para que
el proyecto tome mayor impacto.
Por temas de seguridad, al laboratorio se le puede implementar un sistema que
apague la caldera cuando esta haya subido dos veces a una presión de 1 ATM, es
decir, sube una vez a 15 PSI se abre la electroválvula para que se purgue el sistema
y la segunda vez que suba a esta presión, activar el apagado automático para evitar
cualquier tipo de riesgo o peligro al usuario.
Por otro lado, se recomienda el diseño de un sistema que permita el ingreso de agua
a la caldera para que una persona no tenga que intervenir manualmente en ella, y
también para que esta nunca se quede sin el recurso y se pueda dañar. Se
considera preciso la implementación de un sistema de caudal controlado como los
que utilizan las calderas industriales solo que a una escala menor.
De igual forma, implementar un sistema visual que permita evidenciar en tiempo
real lo que le sucede a la caldera; esto con el fin de poder comparar el manómetro
de presión analógico con el sensor electrónico, de forma semejante ver cómo es la
salida de vapor para mostrar que la caldera está funcionando de forma adecuada,
se piensa en el uso de una cámara que se encuentre directamente conectada a la
interfaz gráfica.
Por último, para ofrecer mayor rigidez al apoyo donde se encuentra el generador de
vapor, se estima la idea de diseñar y hacer uso de un montaje estructural en un
material metálico, preferiblemente, que pueda soportar el peso de la caldera, donde
se organice de forma adecuada la parte del cableado.
63
6.CONCLUSIONES
-Se elaboró un generador de vapor que refleja el funcionamiento de una caldera
como alternativa virtual de un laboratorio practico, de tal forma, se faculta la
interacción del usuario con el laboratorio; comprendiendo el estudio y variables
termodinámicas que definen el proceso de generación de vapor dentro de la caldera,
y su variación dentro del sistema.
-Para la determinación e interpretación de las variables termodinámicas a trabajar
dentro del sistema, se desarrolló un ejercicio guía que permitiera conocer dichas
variables, en este caso, se trata de magnitudes comunes para problemas de la
primera ley termodinámica, las cuales son presión, temperatura, y flujo másico.
Cabe resaltar que, El laboratorio virtual que se diseñó cuenta con las variables
necesarias para generar múltiples problemas de balance de energía a partir de un
generador de vapor controlado remotamente.
-Para facilitar el manejo de las variables ya mencionadas, se hizo uso de sensores
electrónicos controlados a través de códigos de programación en Arduino IDE,
satisfaciendo su procesamiento. Por otra parte, se accede a la visualización del
cambio y transformación de las magnitudes termodinámicas que se trabajan por
medio del software LabVIEW. La unión de LabVIEW con Arduino IDE es bastante
eficiente, dado que ahorra tiempo y facilita la visualización de los valores arrojados
dentro de la interfaz gráfica, permitiendo la correcta compresión para el usuario.
-Al realizar las pruebas de funcionamiento en el laboratorio programado sobre una
caldera, se elaboró una guía de laboratorio con el fin de culminar la idea sobre el
funcionamiento y desarrollo de un generador de vapor.
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