Implementación de una técnica para la medición en tiempo real de caudal másico de sólidos en sistemas de transporte neumático
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Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación
Resumen
Resumen elaborado con IA:
Este documento detalla el desarrollo y la implementación de un prototipo experimental para la medición en tiempo real del caudal másico de sólidos en un sistema de transporte neumático por presión (fase diluida). Desarrollado en la Planta Piloto de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología (UNT), el proyecto propone una alternativa de bajo costo, robusta y automatizada frente a los costosos métodos industriales tradicionales.1. Fundamentos y Objetivos del ProyectoEl Problema: Los métodos comerciales para medir el peso y caudal de sólidos en tránsito (como balanzas dinámicas o sensores láser) son costosos, complejos y suelen interrumpir el flujo del proceso.La Solución: Una técnica basada en el principio de Bernoulli utilizando tubos de Venturi. Al medir la presión diferencial ($\Delta P$) en el flujo de aire antes y después de inyectar el sólido, es posible estimar matemáticamente el caudal másico del material en tiempo real.Alcance y Limitaciones: Al ser un desarrollo académico con presupuesto acotado, posee componentes artesanales y restricciones de espacio físico (proximidad a codos que generan turbulencias). El fin principal es validar experimentalmente la coherencia de la técnica.2. Bloques del Sistema de Transporte NeumáticoEl diseño mecánico e industrial implementado consta de tres etapas esenciales:A. Generación del Flujo de AireEquipamiento: Un motor trifásico industrial de 3 CV (2,2 kW) acoplado a un soplador/forzador mediante poleas (relación de transmisión 2:1).Control: Se utiliza un variador de frecuencia Danfoss VLT 2800 controlado manualmente con un potenciómetro (0-10 V). Esto permite regular con precisión la velocidad del motor, optimizar la energía y evitar sobrecalentamientos analizados mediante pinza amperimétrica.B. Sistema de Dosificación y TuberíasConductos: Línea principal construida con caños de PVC de 110 mm de diámetro con ventanas transparentes para inspección visual.Dosificador (Válvula Rotativa): Mecanismo metálico artesanal de 4 aletas acoplado a un atornillador inalámbrico para regular el giro.Cálculo Teórico: Usando polenta ($\rho = 650 \text{ kg/m}^3$), se estimó un desalojo de 26 g por aleta (104 g por vuelta completa).Resolución de Fallas (Aire de Resuspensión): Inicialmente, el aire a presión del sistema escapaba hacia arriba por la tolva bloqueando la caída del material. Se solucionó sellando la tolva con una tapa y elevándola a 1,5 metros sobre la válvula; de este modo, el propio peso de la columna de sólido actúa como un "tapón" físico contra la contrapresión.C. Recuperación de MaterialSe dispuso un separador ciclónico de chapa al final de la línea para separar por fuerza centrífuga el material sólido del aire transportador, logrando un circuito limpio.3. Arquitectura del Sistema de MediciónPara transformar las variables físicas en datos lógicos se estructuró la siguiente cadena de instrumentación:Elemento Primario (Tubo Venturi): Se prefirió frente a placas de orificio o tubos Pitot debido a que no acumula sólidos, no se obstruye y tiene baja pérdida de carga. Su entrada es de 110 mm y se reduce en la garganta a 63 mm para asegurar un $\Delta P$ medible sin frenar las partículas.Transductores: Sensores de presión diferencial analógicos que convierten el diferencial de presión físico en señales eléctricas de voltaje.Procesamiento y Control: Un microcontrolador ESP32 configurado como un PLC (mediante la plataforma OpenPLC en lenguaje de Texto Estructurado - ST) realiza la adquisición de datos, acondicionamiento de señal y cálculo del algoritmo de estimación.Monitoreo: Los resultados se transmiten de manera inalámbrica vía Wi-Fi a una interfaz de supervisión SCADA para el control operativo a distancia.
Descripción
ÍNDICE
CAPÍTULO I: GENERALIDADES................................................................................. 1
1.1 INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 1
1.2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN A LA PROBLEMÁTICA...................................... 2
1.3 OBJETIVOS............................................................................................................. 3
1.3.1 Objetivo general............................................................................................... 3
1.3.2 Objetivos particulares.......................................................................................3
1.4 MOTIVACIÓN......................................................................................................... 4
1.5 ALCANCE................................................................................................................5
CAPÍTULO II : DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO........................... 7
2.1 IMPLEMENTACIÓN INDUSTRIAL DEL PROTOTIPO...................................... 7
2.2 DISEÑO DEL TRANSPORTE NEUMÁTICO POR PRESIÓN............................. 8
2.2.1 Generación del flujo de aire..............................................................................9
2.2.2 Selección de tuberías para el transporte de material...........................14
2.2.3 Sistema de dosificación de material............................................................... 16
2.2.4 Sistema de recuperación de material.............................................................. 22
2.3 MEDICIÓN DEL CAUDAL.................................................................................. 24
2.3.1 Tubo Venturi................................................................................................... 25
2.3.2 Sensores de presión diferencial...................................................................... 33
Calibración.........................................................................................................35
2.3.3 Acondicionamiento de señal...........................................................................37
2.4 CONSTRUCCIÓN DE UN TABLERO PRINCIPAL............................................ 45
2.5 SISTEMA DE MONITOREO Y ESTIMACIÓN DEL CAUDAL MÁSICO........48
2.5.1 Características del microcontrolador utilizado...............................................49
2.5.2 Sistema de estimación de caudal.................................................................... 52
Adquisición de datos..........................................................................................52
Procesamiento de datos en el microcontrolador................................................ 53
Código del procesamiento de datos en ST.........................................................56
Configuración de variables en Open PLC..........................................................59
2.5.3 Sistema de monitoreo de datos SCADA.........................................................59
CAPÍTULO III: CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE CAUDAL 66
3.1 METODO DE CALIBRACION.............................................................................66
3.2 ENSAYOS DE CALIBRACIÓN............................................................................69
3.2.1 Ensayo 1......................................................................................................... 69
3.2.2 Ensayo 2......................................................................................................... 70
ÍNDICE
3.2.3 Ensayo 3......................................................................................................... 71
3.3 TABLA DE ENSAYOS.......................................................................................... 72
CAPÍTULO IV: COMPROBACIÓN DE LA TÉCNICA DE MEDICIÓN................ 75
4.1 PRUEBAS REALIZADAS.....................................................................................75
CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS...................................83
5.1 CONCLUSIONES.................................................................................................. 83
5.2 POSIBLES MEJORAS DEL SISTEMA................................................................ 84
REFERENCIAS................................................................................................................86
ANEXO A..........................................................................................................................88
MARCO TEÓRICO.........................................................................................................88
A.1 EL TRANSPORTE DE SÓLIDOS........................................................................ 88
A.2 CLASIFICACIÓN................................................................................................. 89
A.2.1 Cinta transportadora.......................................................................................89
A.2.2 Transportadores de cadena.............................................................................92
A.2.3 Transportes de tornillos................................................................................. 94
A.2.4 Transporte neumático.................................................................................... 95
A.3 DESARROLLO SISTEMA NEUMÁTICO.......................................................... 96
A.3.1 Introducción...................................................................................................96
A.3.2 Fase diluida....................................................................................................97
A.3.3 Fase densa......................................................................................................98
A.3.4 Sistema de soplado........................................................................................ 99
A.3.5 Sistema de succión.......................................................................................100
A.3.6 Partes del sistema.........................................................................................101
Forzador de aire............................................................................................... 102
Alimentadores.................................................................................................. 104
Recuperadores de material............................................................................... 111
Cañerías............................................................................................................112
A.4 MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDAL....................................................... 114
A.4.1 Medidores volumétricos.............................................................................. 115
A.4.2 Medidores másicos...................................................................................... 115
A.4.3 Caudalímetros volumétricos de presión diferencial.....................................116
Tipo de caudalímetros volumétricos de presión diferencial.............................117
ANEXO B: Layout..........................................................................................................122
Placa de acondicionamiento de señal..........................................................................122
Plano inferior......................................................................................................... 122
Plano de masa........................................................................................................ 123
ÍNDICE
Serigrafía............................................................................................................... 123
Esquemático...........................................................................................................124
Placa microcontrolador............................................................................................... 125
Esquemático...........................................................................................................125
Layout....................................................................................................................126
Serigrafía........................................................................................................................ 126
ANEXO C........................................................................................................................127
Manual de Usuario...................................................................................................... 127
Introducción...........................................................................................................127
Objetivo del sistema.............................................................................................. 127
Descripción general del sistema............................................................................ 128
Componentes principales.......................................................................................128
Componentes mecánicos..................................................................................128
Componentes eléctricos y electrónicos............................................................128
Requisitos previos de operación............................................................................129
Puesta en marcha del sistema................................................................................ 129
Operación normal.................................................................................................. 130
Consideraciones de seguridad............................................................................... 131
Mantenimiento básico............................................................................................131
Limitaciones del sistema....................................................................................... 132
Observaciones finales............................................................................................132
ANEXO D: Links............................................................................................................133