proyecto de grado imec 3701 automatización de generador de
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Proyecto de Grado
IMEC 3701
Automatización de generador de oxígeno manual para su aplicación en piscicultura
AUTOR:
David Sebastian Tangarife Garzón
Director / Asesor:
Giacomo Barbieri, PhD
Grupo de Dinámica de Maquinaria
INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
2019-10
Contexto
Este proyecto es el consecutivo de un trabajo anterior, el cual buscaba dar solución al problema
más común en la piscicultura, las bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el agua. El oxigeno
es un elemento de suma importancia para la mayoría de los organismos, debido a que estos poseen
respiración aeróbica, lo que significa que dependen de este elemento para los procesos metabólicos
[1]. Las bajas concentraciones de oxigeno pueden afectar de diferentes formas a los organismos,
en donde directamente para los peces lleva a la muerte de especímenes jóvenes y adultos por
hipoxia, huevecillos mal logrados y reducción en las tasas de crecimiento [2]. Por esta razón para
la industria piscicultora es importante dar solución a los factores que puedan afectar la reproducción
y crecimiento de las especies producidas.
La concentración de oxigeno disuelto en agua se ve afectado por diversas variables, como: la
temperatura, la sobrepoblación de bacterias o peces, exceso de minerales, presencia de algas,
microorganismos, la altitud, salinidad, y desechos o materiales orgánicos. La piscicultura ha
estudiado e implementado diferentes técnicas para controlar los niveles de oxígeno en el agua. No
obstante, estas técnicas trabajan a bajas eficiencias, lo que se refleja en que la concentración de
oxígeno se sigue viendo afectada y en consecuencia las tasas de crecimiento de los individuos. La
disminución en la concentración de oxígeno en 1 ppm por debajo de la concentración critica
necesaria para cada especie genera tasas de crecimiento un 30% menor, aproximadamente [2].
Los niveles de oxígeno disuelto en el agua se aumentan de manera natural o artificial. Naturalmente
la fotosíntesis de las plantas y la adsorción en la superficie del agua introducen oxígeno en la misma,
especialmente si se tienen un delta significativo en las presiones parciales del oxígeno dentro y
fuera del agua incitando este proceso de adsorción [3]. Lastimosamente estos métodos requieren
de tiempo y pueden no dar abasto con la demanda de oxigeno del grupo de peces. Por lo cual se
emplea el método de aireación que, aunque represento una solución viable, funciona a baja
eficiencia dado que la concentración de oxígeno en el aire es de 20 -21% [4]. En resumidas palabras,
se requiere de métodos que brinden eficiencias de operación mayores y por otra parte que lo haga
a bajos costos para hacerlo accesible a toda la comunidad de piscicultores.
Trabajo Previo
Ariel Capote, estudiante de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes, diseñó un
concentrador de oxígeno que funciona bajo el principio de adsorción de la zeolita, la cual al recibir
un flujo de aire retiene la mayor parte de nitrógeno presente en la mezcla, permitiendo el paso de
un flujo rico en oxígeno [5]. El sistema fue diseñado para operar con dos columnas iguales, dado
que a medida que se va atrapando el nitrógeno las esferas de zeolita se van saturando poco a poco.
En consecuencia, las columnas necesitan someterse a un ciclo de recuperación, para lo cual se
alternan ambas columnas en dos ciclos. El primero se encarga de retener el nitrógeno hasta
saturarse, y posterior a esto se inicia el ciclo de recuperación, en el cual se deriva una pequeña
parte del flujo rico en oxígeno entregado por la otra columna para así limpiar las esferas de zeolita.
Los dos ciclos nombrados previamente son los estados de las columnas de zeolita, pero todo el
proceso de generación se puede resumir en 5 etapas: en primer lugar la compresión de aire, es la
etapa inicial en la cual un compresor aumenta la presión del aire almacenándolo en un tanque y
vertiéndolo al sistema; posterior a esto, se realiza el pretratamiento del aire, que consiste en pasar
el flujo por una serie de filtros para remover las partículas de polvo y humedad, dado que estas
pueden afectar las propiedades adsorbidas de la zeolita; en tercer lugar se realiza la separación por
adsorción, donde se controla la dirección del flujo para separar el oxígeno del aire y restaurar la otra
columna saturada; en cuarto lugar, se procede a el almacenamiento del oxígeno, con todas las
instancias de seguridad; finalmente, la etapa de distribución del oxígeno [5].
El sistema funciona bajo el siguiente esquema:
Ilustración 1. Diagrama esquemático del proceso
PSA de generación de oxígeno. [5]
Tabla 1. Descripción Símbolos esquemáticos del proceso [5].
En la ilustración 1 se puede ver un esquemático del proceso de generación de oxígeno y es
explicado mediante la tabla 1 que contiene la descripción de los símbolos utilizados en el diagrama.
El generador de oxígeno posterior a la entrada de aire y el pretratamiento de este tiene la posibilidad
de redirigir el flujo con las válvulas de bola a el cilindro A o a el cilindro B, por lo que sus contrapares
deberán estar cerradas para evitar flujo en ambas direcciones y adicionalmente evitar que el flujo
escape directamente a la válvula de purga y silenciador. En los cilindros se encuentra instalado un
par de manómetros para medir las presiones en cada uno y verificar sus óptimos puntos de
operación. La válvula de cortina es la que permite regular la porción del flujo rico en oxigeno que
será destinada a el ciclo de recuperación del cilindro opuesto. Finalmente, se tiene un flujómetro
para la verificación del caudal del flujo a la salida. Por otra parte, en la tabla 2, se puede observar
la lista de componentes implementados en el sistema, con su respectiva cantidad, marca y
dimensiones.
Componente Cantidad Características
Válvula de bola manual 6 Marca: Milano; Conexiones: Hembra-
Hembra; Dimensiones: ¼” - ¼”
Válvula de cortina manual 1 Marca: Milano; Conexiones: Hembra-
Hembra; Dimensiones: ¼”- ¼”
Escape Silenciador (También
funciona como Válvula de
estrangulación regulable)
1 Conexiones: Hembra-Hembra;
Dimensiones: 5/8”
Manómetro Análogo 2 Marca: Norgren; Escala: 0.5 bar; 0-11 bar
Flujómetro Análogo 1 Conexión: Macho; Dimensión: ½“
Sensor de oxigeno 1 Conexión: Macho; Dimensión: 3/16” – 5 mm.
Nombre Fabricante: Zhejiang Xin'anjiang
Analytical Instrument No.2 Factory
Tubería cobre 1.4 [m] ¼“ Dout: ¼“; Din: 21/128”
Racor 6,12 6 en T de 3x(1/4”); 12 Macho-Macho ¼”
Tabla 2. Componentes implementados en el generador de oxígeno.
Según los resultados del experimento B [5], Tiempo vs Concentración de oxígeno, se estimó que el
tiempo de saturación de las columnas es de 15 minutos aproximadamente. Es este tiempo el que
establece la posibilidad a mejoras y a la continuación sobre este proyecto. En aplicaciones reales,
es difícil tener a un individuo realizando la apertura y cierre de las válvulas en periodos tan cortos,
representa una tarea de tiempo completo. Así, entonces surge la opción de automatizar el sistema.
Alcance
Este proyecto se va a enfocar en automatizar el generador de oxigeno descrito en el anterior punto.
Como se introdujo, este generador de oxígeno posee un tiempo de saturación de cada cilindro y se
demostró que tiene un periodo aproximado de 15 minutos a partir del cual se debe realizar un
redireccionamiento del flujo mediante el accionamiento de los conjuntos de válvulas. Pero estos son
periodos de tiempo muy cortos para encargar a un individuo de su accionamiento. Por lo que la
automatización ofrece la mejor opción en esta aplicación especifica. Dado que se deben establecer
parámetros para guiar el proyecto a lo largo del diseño y construcción. Se establecieron ciertos
requerimientos del cliente y requerimientos de ingeniería, los cuales son objetivos estéticos,
operativos y presupuestales, y estos se exponen en la siguiente tabla:
Titulo Valor Método Verificación/Descripción
Requerimientos del Cliente
Arreglo de tamaño restringido 1,5x0,5x0,5 m Este requerimiento se busca mejorar
al reestructurar el sistema
Fácil conexión eléctrica - Se debe alimentar energéticamente
de una manera sencilla.
Presupuesto limitado $1´636.232,00 Pesos colombianos, mitad del
presupuesto para compras y mitad
para manufactura.
Tiempo 16 semanas - Tiempo para diseño y construcción
del sistema
Requerimientos de Ingeniería
Concentración Oxigeno >85% O2 Sensor concentración de oxigeno
Flujo de aire 10 < Q < 20 [l/min] Flujómetro
Sistema automatizado - Verificación manual
Cuantificar consumo energético - Multímetro
Cuantificar el costo - Tabla de gastos
Cuantificar performance del
sistema
[Minutos] Sensor concentración oxígeno y
temporizador
Tabla 3. Requerimientos del cliente e ingeniería.
Se espera entregar un generador de oxígeno que funcione de manera independiente y cumpla con
todos los requerimientos tanto de ingeniería como del cliente. El generador deberá ser un dispositivo
completamente funcional, el cual monitoree constantemente los niveles de oxigeno presentes en el
flujo y tome decisiones basadas en cambios sobre este valor. Por lo que se espera que realice los
redireccionamientos de flujo de aire necesarios para mantener un flujo rico en oxigeno a la salida
del sistema. En resumidas palabras, se espera entregar un sistema automatizado que ofrezca a el
cliente una solución optima y efectiva al problema de la concentración de oxigeno disuelto en el
agua.
Ejecución
La automatización de un sistema en cualquier aplicación demanda de una serie de procesos de
selección y diseño de ingeniería. Con los requerimientos establecidos para el proyecto, se procede
a seleccionar cada componente realizando una comparación entre los parámetros establecidos y
las soluciones que presenta la industria. Esto con el fin de evaluar las mejores alternativas o
soluciones. Este proceso se siguió para la selección de la placa electrónica, sensor de oxígeno,
electroválvulas, mangueras de distribución y componentes necesarios para la implementación física
de los anteriores.
• Placa electrónica
La placa electrónica sin duda es el componente mas importante en este proyecto, dado que va a
ser la responsable de tomar las decisiones y controlar los componentes eléctricos del sistema. Esta
placa se va a encargar de la comunicación con el sensor y controlar las electroválvulas de acuerdo
con los resultados de la concentración oxigeno censada a la salida del sistema. Arduino presenta
una atractiva alternativa para comenzar con el proceso de automatización, porque es una placa
electrónica de hardware libre que permite reprogramar el microcontrolador de esta y establecer
diferentes funcionalidades a través de sus puertos [6]. La plataforma de Arduino permite cargar una
gran variedad funciones y comandos a la placa a partir del lenguaje c++, el cual es un lenguaje
estructurado muy fácil de usar, debido a que utiliza palabras en ingles muy deductivas para las
funciones y comandos. En resumidas palabras, Arduino es la mejor opción en el mercado para dar
el primer acercamiento a la automatización del generador de oxígeno.
• Sensor de oxígeno
El sensor de oxígeno es una pieza fundamental del proceso de automatización, para esto fueron
seleccionados 6 opciones del mercado, donde rápidamente se limitaron las opciones a las 2 mejores
de acuerdo con el precio y características del producto. Los dos sensores seleccionados son dos
repuestos de dos generadores de oxígeno con aplicación en la medicina, los nombres de los
sensores son USOM-100 y JAY-110. Estos dos son sensores de alta precisión funcionan con el
método de detección ultrasónica, poseen una precisión de 0.1% en variaciones de la concentración
de oxígeno, un rango de medición de 20% a 96% y 20% a 99% de pureza de oxígeno en el flujo,
con una incertidumbre del +/-2% y +/- 3%, respectivamente. La detección ultrasónica funciona
enviando sonidos con una frecuencia mayor a 20000 Hertz, lo que produce un eco sobre el gas, a
partir de lo cual un elemento piezoeléctrico genera una variación del voltaje que permite determinar
la variación en la concentración del gas [7].
Por cuestiones de presupuesto y tiempo, solo se realizó la compra del sensor USOM-100. Este
sensor se alimenta con 5 voltios y una corriente de 60 mA, lo que lo hace ideal para trabajar con
Arduino. Adicionalmente, funciona mediante la comunicación de tipo serial a una velocidad de 19200
baudios. Esto significa que se comunica a través de bytes y específicamente en lenguaje
hexadecimal. Al ser una comunicación, se establece que amabas partes escriben y escuchan. Por
lo cual, en este caso Arduino deberá enviar un mensaje de 9 bytes establecidos por el fabricante y
el sensor responderá con una cadena de 11 bytes, en los que el byte 7 y 8 representan la
concentración de oxigeno presente en el flujo [8]. Es posible traducir un valor hexadecimal a un
valor decimal, a través del método de cambio de base [9], aunque Arduino realiza la conversión
automática al lenguaje decimal u otro lenguaje en caso de indicarle esto.
• Electroválvulas
Para el proceso de selección de las electroválvulas se solicitó asesoría de la compañía Arvax, la
cual es especialista en automatización industrial, neumática, hidráulica e instrumentación [10]. En
semestres anteriores, Arvax realizo la donación de tres kits neumáticos para su uso en la educación
e implementación de proyectos educativos. Dentro de estos kits se tienen electroválvulas 5/2, de
cinco vías y dos posiciones, las que se consideró podían implementarse en el sistema. No obstante,
se detectaron varios factores problemáticos para el proceso de adaptación. En primer lugar, la
configuración que este tipo de electroválvulas solo admite una entrada de aire, dos salidas y dos
vías de retroalimentación, estas dos últimas vías podrían dejarse cerradas. Sin embargo, la
configuración no puede hacerse en sentido opuesto, limitando su posicionamiento a una sola
ubicación, que sería la entrada del flujo de aire. En segundo lugar, este tipo de electroválvulas
necesitan de lubricación, la cual usualmente son grasas y aceites. Por lo tanto, es problemático y
riesgoso puesto que es común que parte de estos se fugen y se mezclen con el flujo de aire. Si se
evalúa posicionar la electroválvula antes de las columnas, representan un problema en tanto que,
si este aceite o grasa ingresan a los cilindros van a afectar las propiedades adsortivas de la zeolita.
Asimismo, el sistema busca generar un flujo rico en oxígeno que en presencia de un combustible
generan un alto riesgo de explosión.
Por estas razones, se evaluó la posibilidad de implementar seis electroválvulas 2/2, 2 vías y 2
posiciones, que no se van a ver afectas por la ubicación en que sean asignadas mientras se respete
el sentido de flujo de entrada a salida. Se seleccionaron las electroválvulas EMCS015, las cuales
son tipo poppet, lo que significa que no están lubricadas y funcionan mediante una válvula de disco
con movimiento vertical, que se mantiene en la posición normalmente cerra contra el asiento de la
válvula por la acción de un resorte y la presión del fluido. Al accionar la bobina, con 24 voltios y 0,54
amperios, esta empuja el disco permitiendo el paso del flujo [11]. Es importante reiterar en el hecho
de respetar el sentido del flujo a través de la electroválvula, ya que al invertir el sentido del flujo esta
se va a abrir automáticamente a partir de 3 bares, la presión critica para vencer la fuerza del resorte
según mediciones en el laboratorio.
• Componentes
El sistema debe ser adaptado tanto eléctrica como neumáticamente para lograr su correcto
funcionamiento y mantener el esquema de diseño original. El sistema estaba construido con tubería
de cobre flexible, racores, tees, y válvulas manuales [5]. Se propuso reemplazar todos estos
componentes por otros más amigables en temas de manufactura y adaptación. La industria
neumática utiliza racores de ajuste rápido, los cuales usan manguera de poliuretano y un anillo de
aprisionamiento para crear las conexiones entre componentes. Este anillo dentado funciona bajo el
principio de atrapamiento, donde la manguera pasa por este en un sentido, pero le impide
desplazarse en dirección opuesta, creando así un sello temporal que puede ser abierto y cerrado,
permitiendo modificar el sistema fácilmente [12]. Bajo el mismo principio funcionan las conexiones
de todos los demás componentes rápidos como las tees, yees, reguladores, etc. En consecuencia,
implementar este tipo de racores y componentes va a reducir los tiempos de manufactura, lograra
reducir el tamaño del arreglo en un 40% y va a permitir modificaciones en cualquier punto del
proyecto. La siguiente ilustración muestra el sistema modificado con las electroválvulas y
complementos.
Ilustración 2. Generador de oxígeno modificado.
Arduino tiene la capacidad de alimentar componentes a 5 voltios, pero el mayor problema es que
maneja bajas corrientes de alimentación. Por lo cual, para la alimentación de las electroválvulas se
debe utilizar un relé. El cual es un elemento de conmutación, y su función es abrir y cerrar circuitos
eléctricos. Esto lo hace energizando una bobina que crea un campo electromagnético para atraer
el contacto y cerrar el circuito [13]. Para este proyecto se va a utilizar el módulo de 2 relés SRD-
05VDC-SL-C el cual es compatible con Arduino, dado que sus bobinas y receptores se alimentan
con 5 voltios. Este relé puede tolera circuitos de 10 Amperios con 20-30 Voltios DC o 10 Amperios
con 110-220 Voltios AC. Adicionalmente, se va a implementar una váquela para organizar las
conexiones y distribuir cargas. En la ilustración 3, se expone el panel electrónico, y podemos
observar que a la izquierda esta la tarjeta Arduino, en medio el modulo de relés y a la derecha la
váquela. Adicionalmente, en la tabla 4 se describe el consumo eléctrico del sistema, el cual fue
calculado mediante la medición de corrientes y voltajes de los dispositivos. El esquema de
conexiones este mejor ilustrado en el anexo 2, sobre esquemático de conexiones del sistema.
Ilustración 3. Panel electrónico del sistema.
Dispositivo Voltaje Corriente Potencia
Cantidad Potencia total [Watts]
Consumo eléctrico
Electroválvula 24 0.57 13.68 6 82.08
Arduino 7.5 0.046 0.35 1 0.35
Relé 4.71 0.018 0.08 2 0.17
Sensor 4.89 0.06 0.29 1 0.29
Consumo Total 82.89 Tabla 4. Consumo eléctrico del sistema
• Presupuesto
El presupuesto es un requerimiento del cliente de alta prioridad. Se destino para el proyecto un
monto de $1´636.232,00, pesos colombianos de los cuales la mitad esta destinada a compras y la
otra mitad a manufactura. Al implementar los racores rápidos se logro reducir los costos de
manufactura a cero, por lo que se permitió exceder en $53.903,00 pesos colombianos los gastos
por compras. Este monto adicional surgió debido a percances en la compra e importación de los
sensores y fue necesario pagar un monto adicional para envió especial. La tabla de gastos se
presenta a continuación:
Articulo Precio
Unitario Descuento Cantidad
Precio Total con I.V.A(19%)
Acoples y manguera
Mangera tubing PU 6 mm OD $ 1,500.00 50% 5 $ 4,462.50
Racor rápido Recto 1/4" NPT, 6mm OD
$ 3,640.00 50% 14 $ 30,321.20
Racor rápido Unión Tee sin rosca,3X6mm OD
$ 6,930.00 50% 2 $ 8,246.70
Racor rápido Unión Tee;2X6mm OD ;1 macho 1/4" NPT
$ 7,980.00 50% 6 $ 28,488.60
Electroválvulas
Electroválvula 2/2. Tipo Poppet conexiones 1/4" NPT
$ 158,000.00 50% 6 $ 474,000.00
Sensor de oxígeno
Sensor USOM-100 Ultrasonic oxygen sensor
$ 189,000.00 0% 1 $ 189,000.00
Envió Sensor $ 124,000.00 0% 1 $ 124,000.00
Componentes Eléctricos
Módulo de relé, 2 relés $ 10,000.00 0% 1 $ 10,000.00
Jumpers X 10 $ 250.00 0% 10 $ 2,500.00
Váquela $ 1,000.00 0% 1 $ 1,000.00
Botón $ 500.00 0% 1 $ 500.00
Cable calibre 20 X2 $ 400.00 0% 5 $ 2,000.00
Manufactura
Costos manufactura $ 0,00 0% 0 $ 0,00
Total $ 872,019.00 Tabla 5. Tabla de costos
• Pruebas e implementación
El código de control y con el que Arduino quedo programado es el expuesto en el anexo 1, el cual,
dentro de las líneas en color gris, explica paso a paso la funcionalidad de cada orden y comando.
Dado que el sensor no funciona correctamente, se adiciono la variable “lado”, la cual almacena el
estado de un botón de dos posiciones con el que se va a controlar provisionalmente el sentido del
flujo, es decir, va a ordenar la activación del relé uno o dos, y estos en consecuencia las
electroválvulas conectadas a cada uno. Por lo tanto, el control en base al sensor quedo
deshabilitado. Por lo que solo se muestra la lectura y recolección de los datos, los cuales son
enviados a el computador a través del puerto USB de Arduino permitiendo la visualización de estos.
Durante el desarrollo del proyecto se realizaron varias pruebas que buscaban la implementación de
nuevos componentes al sistema o comprobar el correcto funcionamiento de este y sus
componentes. Las pruebas realizadas se enlistan a continuación:
1. Capacitación del sistema: Ariel Capote, realizo una capacitación sobre el sistema y su
performance. Realizando una prueba en los puntos de optima operación de sistema y se
detectó que el sensor de oxigeno CY-12C estaba imprimiendo datos erróneos, estableciendo
que debía hacerse un proceso de calibración.
2. Primera prueba de calibración del sensor CY-12C: Luego de seguir con el procedimiento de
calibración propuesto por el fabricante, se realizaron diferentes mediciones en el laboratorio
controlando la concentración, presión y caudal. Pero los datos presentaron errores de hasta
50% en el valor de la medición.
3. Implementación compresor: Se realizo un banco de prueba alimentando el sistema con un
compresor de 2HP y 24 Litros de capacidad. Se estableció que el compresor tiene dos
puntos de operación en los que se prende y se apaga, son 3,92 y 5,88 Bares. Estableciendo
un caudal de 18 litros por minuto a la salida del generador de oxígeno, el compresor puede
suplir la demanda de flujo. Así entonces permitiendo presiones en los cilindros de 5 y 1
Bares. El principal problema del compresor son las fugas de aceite en el pistón, lo que como
con las electroválvulas representa un problema y un riesgo.
4. Segunda prueba de calibración del sensor CY-12C: Para esta prueba se cambiaron las
baterías del sensor y se permitió tiempos de estabilización mas prolongados. El error se
logro reducir hasta un máximo de 10%, lo cual sigue siendo muy elevado. Por otra parte, y
lo que deja dudas sobre el sensor, es que al mantener la concentración y variando el caudal
el sensor imprime diferentes valores, lo que demuestra la baja confiabilidad del sensor.
5. Sistema implementado: Se implementaron las electroválvulas y componentes, junto con el
sistema eléctrico. Se comprobó la correcta apertura de las electroválvulas, corrección de
fugas en el sistema y la correcta secuencia para el direccionamiento del flujo.
6. Prueba sensor USOM-100: Dado que el sensor ha presentado fallas, se decide realizar
mediciones de concentración de oxigeno en condiciones controladas. EL sensor se probo
con el generador de oxigeno y no marco valores consistentes, presumiendo que los valores
de presión y caudal no son los adecuados para las mediciones. Al controlar la presión y el
caudal se registran valores adecuados al valor teórico. Las mediciones se hicieron con un
caudal máximo de 0.5 l/min y una presión de 20 Kpa.
Prueba sensor de oxígeno USOM-100
Medición
Concentración Oxígeno [l/min]
Argón [l/min] Teoría Resultado
1 99% 96.80% 0.5 0
2 70.6% 70.1% 0.3 0.1
3 54.6% 53.4% 0.3 0.2
4 0% 3.0% 0 0.2 Tabla 6. Prueba Sensor de oxígeno USOM-100
Análisis
En la ilustración 2, se observa que se reorganizaron las conexiones para reducir el tamaño del
arreglo, logrando reducirlo en un 40%. En definitiva, este tipo de conexiones facilitan la manufactura
del producto y brindan al sistema mayor adaptabilidad . Lo que permite organizar el arreglo en
geometrías mas compactas. En la prueba 5 se detectaron algunas fugas de gas en la rosca NPT
de los racores, pero fueron corregidas y el sistema quedo funcionando en optimas condiciones. Se
temía que este tipo de componentes no fueran adecuados para el flujo de oxígeno, pero no
represento ningún problema.
Se verifico con éxito el correcto funcionamiento de las electroválvulas y su activación en los ciclos
correctos. En la prueba de verificación se estableció una presión de 5 bares en el cilindro A y 1 bar
en el cilindro B, al realizar el redireccionamiento del flujo se comprobaron varias cosas, en primer
logar no hubo una apertura errónea de la electroválvula de salida contraria a la activada por el
contraflujo. En segundo lugar, se mantiene constante las presiones del sistema garantizando la
optima operación. Finalmente, al apagar este grupo de válvulas y prender sus contrapares se
evidencio un cambio en la presión de los cilindros estabilizándose en 5 bares para el cilindro B y 1
bar para el cilindro A, así entonces demostrando que se está realizando el redireccionamiento
esperado.
El sistema fue cuantificado eléctricamente, por lo que se determinó que este consume 82,89 Watts,
lo que es un valor menor a una bombilla incandescente que consume 100 Watts. Esto significa que
el sistema puede ser alimentado en múltiples formas a bajos costos. Es posible alimentar las
electroválvulas con una fuente de 24 voltios o un arreglo de baterías, en caso de no ser accesible
estos dos, se puede energizar con corriente alterna implementando conversores de corriente y
reductores de voltaje. Otra posibilidad es comprar las electroválvulas con alimentación de 110
voltios, simplificando los circuitos.
Al cuantificar el consumo eléctrico del sistema se tuvo en cuenta el sensor de oxígeno, aunque este
no funcionara correctamente. En la prueba 6, se demostró que el sensor no trabaja óptimamente
con la presión y caudal de salida del generador de oxígeno, ya que el arreglo da una presión de
salida de 3 a 7 bares y un caudal de 10 a 20 litros por minuto. En la prueba el caudal fue posible
cuantificarlo hasta valores de 0,7 litros por minuto, dado que los equipos no controlaban tasas de
flujo mayores, y una presión de 20 kPa o 0,2 bares, la cual corresponde a la presión máxima de
trabajo recomendada por el fabricante [8]. Por lo cual para adaptar este sensor se debe desviar una
pequeña parte del flujo y utilizar un aumento de área en la tubería para reducir la presión.Por otra
parte, persiste un error en la traducción de los bytes el cual debe ser comprobado, ya que con el
método de cambio de base presento valores erróneos y para continuar con la prueba se
recolectaron los datos y se realizó la traducción manual. Pero como se evidencia en la tabla 6, el
sensor midió valores adecuados y dentro del rango de incertidumbre.
Cierre
Dado el problema con el sensor, la automatización completa del sistema quedo pendiente y en
consecuencia se entrega un sistema semiautomatizado, controlado por el accionamiento del botón.
Por esta razón, se sugiere realizar una caracterización mas profunda del sensor para lograr
establecer el rango de caudales óptimos para su operación y emparejarlo con el sistema
correctamente. Asimismo, verificar la correcta traducción de los datos recibidos en Arduino desde
el sensor. Controlando estos factores, es posible terminar con el proceso de automatización del
sistema. Logrando un sistema que monitoree constantemente el oxigeno y tome decisiones basado
en esto. Dado que no funciono, no se realizó la medición del performance del generador. Lo cual es
muy importante debido a que esto va a establecer el tiempo máximo de operación continua de las
columnas.
Por otra parte, el requerimiento de tamaño puede ser mejorado. Aunque se logro reducir el tamaño
se estima que puede reducirse un 20% adicional. Probar diferentes geometrías va a hacer al sistema
más ergonómico y estáticamente armónico. Asimismo, se propone sustituir la alimentación de aire
de la línea con la de un compresor, tal como en la prueba 2. Para esto se debe tener en cuenta
adicionar un filtro de aceite a la salida del compresor, dado que la unidad de mantenimiento del
compresor solo posee de polvo. Finalmente, es importante estudiar la difusión del oxigeno en el
agua, dado que hay gran serie de factores pueden afectar las tasas de adsorción.
Referencias
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[2] A. C. Reig, «INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y LA SALINIDAD SOBRE,» Universitat de Barcelona,
Barcelona, 2001.
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tropicales.idoneos.com/generalidades/aireacion/. [Último acceso: 16 05 2019].
[5] A. Capote, «Diseño de un generador de oxígeno para su aplicación en piscicultura,» Universidad de los
Andes, Bogota, 2018.
[6] Arduino, «Arduino.cl,» [En línea]. Available: http://arduino.cl/que-es-arduino/. [Último acceso: 22 05
2019].
[7] Silver Instruments, «Silver Instruments,» [En línea]. Available:
https://es.silverinstruments.com/blog/the-working-principle-of-ultrasonic-level-sensor.html. [Último
acceso: 22 05 2019].
[8] Keyhub, «Keyhub,» [En línea]. Available:
http://www.keyhub.cn/productshow_en.asp?ID=54&SortID=35&Sequence=0. [Último acceso: 24 05
2019].
[9] Mates Facil, «Mates Facil,» [En línea]. Available: https://www.matesfacil.com/ESO/sistemas-
numeracion/base-hexadecimal/sistema-numeracion-hexadecimal-base-16-ejemplos-teoria-
propiedades-cambio-base-decimal-ejercicios-resueltos.html. [Último acceso: 22 05 2019].
[10] Arvax, «Arvax,» [En línea]. Available: http://www.arvax.com/home1. [Último acceso: 26 05 2019].
[11] Sapiensman, «Sapiensman,» [En línea]. Available:
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica31.htm. [Último acceso: 24 05 2019].
[12] Festo, Catalogo Racores rápidos roscados QB, NPT, Festo, 2019.
[13] L. M. C. Liriu, Electricidad y automatismos eléctricos, Primera Edición ed., Madrid: Parainfo, 2012.
Anexo 1
//Librería para facilitar la comunicación Serial mediante otros pines diferentes a 0 y 1.
#include<SoftwareSerial.h>
//Establecimiento de los puertos implementados para la comunicación serial.
SoftwareSerial myserial(6,7);//RX,TX
//Constante de bytes establecida por el fabricante para el enviar al sensor.
const byte data[]= {0x55,0xAA,0x7E,0x02,0x4F,0x43,0x94,0x0E,0x0D};
//Creación de la variable incomingByte para guardar el mensaje del sensor.
char incomingByte;
//Creación de las variables "byte7", "byte8" y "total".
byte byte7,byte8,total;
//Creación de la variable lado.
int lado;
void setup()
{
//Inicialización de los puertos de comunicación.
Serial.begin(19200); //”Serial” es el puerto para la comunicación con un ordenador PC.
myserial.begin(19200); //”myserial” es el puerto de comunicación con el sensor.
//Indicación de la función de los pines,2-4 para la comunicación analógica con el relé.
pinMode(2, OUTPUT); //Relé número 1.
pinMode(4, OUTPUT); //Relé número 2.
//Indicación de funcionalidad para el pin 12 como receptor de señal del botón.
pinMode(12, INPUT_PULLUP);
}
void loop()
{
//Lectura y almacenamiento señal del botón.
lado = digitalRead(12);
//Función condicional "if" para comprobar señal del botón apagado. Lo que activa el relé 1.
if(lado == LOW) {
digitalWrite(2, HIGH); //Estado de salida prendido puerto 2.Prende relé 1.
digitalWrite(4, LOW); //Estado de salida apagado puerto 4. Apaga relé 2.
}
//Función condicional "if" para comprobar señal del botón encendido. Lo que activa el relé 2.
else if(lado == HIGH){
digitalWrite(2, LOW); //Estado de salida apagado puerto 2. Apaga relé 1.
digitalWrite(4, HIGH); //Estado de salida prendido puerto 4. Prende relé 2.
}
//Envió de la constante de bytes requeridos por el sensor para establecer comunicación.
myserial.write(data, sizeof(data));
delay(100); // demora de 100 milisegundos.
//La función condicional “if" se usa para esperar la respuesta del sensor.
if(myserial.available()){
//Función "for" se usa para crear un loop y repetir las instrucciones entre las llaves
//del mismo, variando el valor de i desde cero hasta 10, con un total de 11 repeticiones.
for (int i=0; i<11; i++) {
//Función "while" funciona para esperar la llegada de la señal, en este caso el byte.
while(!myserial.available());
//Guardar el byte recibido en la variable char. Lectura mediante función ".read()".
incomingByte = myserial.read();
//Función condicional para procesar el byte 7.
if(i==6){
byte7 = incomingByte; //Guardar el byte recibido en la variable byte7.
//Función condicional para procesar el byte 8.
}else if(i==7){
byte8 = incomingByte; //Guardar el byte recibido en la variable byte8.
}
}
//Variable en que se realiza el procesamiento de los bytes 7 y 8, mediante la siguiente
//operación matemática establecida por el método de cambio de base.
total = (byte7 * 256) + byte8;
Serial.println(total); //Orden de impresión del resultado en el ordenador PC.
}
}
Anexo 2
Ilustración 4. Esquemático de conexiones eléctricas sin sensor
Ilustración 5. Esquema de dimensiones y conexiones sensor USOM-100
Nota: Para la conexión del sensor de debe conectar el pin 2 TXD del sensor al pin 6 RXD Arduino, pin e RXD
al pin 7 TXD Arduino, estos pines de Arduino fueron programados como RX y TX mediante la librería
“Software.Serial”. Pin 1 VDD a la alimentación de 5 Voltios de Arduino y pin 4 GND al común GND de
Arduino.