ELABORACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR COMO …

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/

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/

https://www.eisa.cl/esquema-caldera-pirotubular/

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


necesidad.

AM 33x

Rasberry Pi

Linux, IDLE, Scratch, Eclipse, QEMU


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


https://www.xataka.com/makers/empezar-con-arduino-genuino-como-elegir-la-placa-modelos-compatibles-y-kits-de-iniciacion


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


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


https://ferretronica.com/products/sensor-de-temperatura-termocupla-max6675k?_pos=4&_sid=481f8168b&_ss=r


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


https://ferretronica.com/products/celda-de-carga-20kg-yzc-133-sensor-de-peso?_pos=2&_sid=976d8d6f9&_ss=r


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


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


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


https://www.mactronica.com.co/modulo-rele-de-2-canales

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/

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


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


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)


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



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



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


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



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


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


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


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


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


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


Figura 23. Código en Arduino IDE para el sensor de carga


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


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.


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.


41

Figura 27. Código conjunto en Arduino IDE (a)



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.


Figura 29. Código conjunto en Arduino IDE (c)

Figura 30. Caldera inicial


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


Figura 32. Comprobación de funcionamiento de la celda de carga inicial


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


45

Figura 34. Elaboración de la balanza


Figura 34. Montaje final del generador de vapor (a)


Figura 35. Montaje final del generador de vapor (b)


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


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


Figura 38. programación sensor de carga en LabVIEW


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


Figura 40. programación de relés en LabVIEW


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


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



Figura 44. Ambiente de presentación en LabVIEW

Figura 42. Generador de vapor encendido y apagado respectivamente


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



Figura 46. solicitar el control en Microsoft teams

53

Figura 47. Guía de laboratorio (a)


Figura 48. Guía de laboratorio (b)


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


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)


Figura 51. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (b)


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)


Figura 53. Prueba de funcionamiento en la interfaz gráfica (d)


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


Figura 55. Datos de presión obtenidos en la prueba de funcionamiento


58

02468

10121416

Variación de la presión

Figura 57. Datos de temperatura obtenidos en la prueba de funcionamiento


Figura 56. Valores de presion en la prueba de funcionamiento


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


Tabla 14. Estados termodinámicos reales


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)




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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