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DocumentoFinaldeProyectodeGrado

Caracterizacióndebombasdeprecisiónparasistemaderiegoencultivoshidropónicos

KevinArnoldGonzálezGarzón

Contexto

Parahablardehidroponiaesprecisomencionarqueesteterminohacereferenciaaunmétodo

paracultivarplantasenunmedioinertepormediodesolucionesmineralesdisueltasenagua

(Barbieri).Siendoasí,estaestrategiadecultivohatomadofuerzaatravésdelosañosdebidoa

laflexibilidadquerepresentaalmomentodeser implementaday losbeneficiosqueotorgala

misma. Estoultimoesdebidoaque lahidroponiapuede ser la soluciónpara los lugares con

condicionesdondelaagriculturatradicionalnopuedeserimplantada,dandolugaraunaumento

en la oferta de cultivos para cualquier sitio y así mismo,mejorando la productividad de los

cultivos.

Apesardeseruncampoconmuchaproyecciónybeneficiosgarantizados,noexisteaúnuna

caracterizaciónniespecificacióntécnicaenelárea.Porestarazón,esimportantecontarconun

banco de pruebas que permita detallar de manera técnica y verificar la precisión de los

instrumentos del sistema. Esto debido a que en la hidroponia uno de los factores más

importantes es la precisión en el volumen de los nutrientes entregados para garantizar la

productividadylacalidaddeloscultivos.

Teniendoestoencuenta,senecesitadeunsistemadedistribuciónprecisoydeestamaneranace

lanecesidaddeescogerunabombaqueotorgueprecisiónyseguridadenelsistema.Paraesto,

sedesarrollarálacaracterizaciónyeleccióndelabombaidealentrediferentesbombasteniendo

encuentalaquetengamejordesempeñoenlaprecisiónyoperación.

TrabajoPrevio

ElestudianteAndrésFelipeDíazrealizópruebascontresbombasdiferentesyrealizóuna

caracterizacióndecadaunadeellas.Serecomendórepetireltrabajorealizadodebidoa

queseincurrieronenvarioserroresalmomentodecaracterizarlasbombas.

Deltrabajopreviosepuedetomarencuentaloserrorescometidosparanoincurriren

ellos nuevamente y la experiencia en el manejo de las bombas para facilitar la

experimentaciónyasípoderfocalizarseenaspectosmásrelevantes.

Porotraparte,existendiferentesestrategiasquesepuedenimplementarparaobtener

unsistemadedistribuciónconfiableypreciso.Entreellosseencuentranlossistemasde

control automatizados a través de sensores y actuadores que monitorean

constantementeelestadodetodosloscomponentesasícomotambiénlasvariablesde

salidadelsistema,estossistemassonllamadossistemasdecontrolretroalimentado(ver

Ilustración1).Estetipodesistemasdecontrolsonutilizadosampliamenteenlaindustria

en procedimientos complejos y cualquier tipo de producción aunque por su misma

elaboraciónrequierendeunaaltainversiónparasuimplementación.

Ilustración1.Sistemadecontrolretroalimentado

Sumado a esto, existen los sistemas de control de lazo abierto el cual no requiere

sensoresniactuadoresyaquenocuentaconunaretroalimentación,loquelohaceser

un sistema económico pero de baja precisión. Para la aplicación del sistema de

distribucióndelcultivohidropónicosedeseatenerunsistemadelazoabierto,debidoa

sueconomía,quepuedaserconfiableytenerunaaltaprecisiónparagarantizarsubuen

rendimiento.Esporestoqueserequiereunabombaquepuedaotorgarleprecisiónal

sistemasinnecesidaddeteneractuadoresysensores.

Alcance

Entre los propositos del proyecto se encuentra comometa principal la elección de una

bombaquecumplaconrequerimientosestablecidosparaunsistemaderiegodeuncultivo

hidropónico. Por ello, el alcance del proyecto puede verse reflejado en los principales

objetivosdelmismopresentadosacontinuación:

ObjetivoGeneral:

• Seleccióndebomba,atravésdelacaracterización,paraunsistemaderiegodeuncultivohidropónico

Objetivosespecíficos:

• Construcción de un banco de prueba para la caracterización de 4 bombasperistálticasy1bombadediafragma

• Caracterizacióndelasbombas

• Medicióndeldesempeñodelasbombas

• Selecciónfinaldelamejorbomba

Aunquedentrodelosobjetivosestélaconstruccióndeunbancodepruebasynoseauno

delosprincipalesobjetivos,serádemuchaayudaparapodercaracterizarlasbombas,medir

eldesempeñodelasmismasyfinalmenteserádeterminanteparalaeleccióndelabomba.

Atravésdeunprotocolopreviamenteestablecido,serealizaránlasdiferentespruebaspara

la escogencia de la bomba. Este protocolo se estableció de la siguientemanera el cual

comprende2secciones:

1Sección

1. Sepreparaelmontajecompleto,seestablecelaconfiguracióndelabombaquese

vaamediryseprocedeallenartodalatuberíaparatenerlasmismascondiciones

entodaslaspruebas.

2. Sevacíalaprobetademediciónysepuedeprocederarealizarlamedición

3. Se inicia laoperaciónde labombaalmismotiempoquese inicia lamedicióndel

tiempo

4. Cuandoelvolumenregistradolleguealos50mLsedetieneelregistrodeltiempo,

sedetienelaoperacióndelabombayseregistraeltiempomedido

5. Se registra el tiempo 3 veces por cada configuración y para 3 configuraciones

distintasporcadabombaparauntotalde9medicionesporbomba.

2Sección

1. Serealizatodalapreparacióndelmontaje(pasos1y2-sección1),conlos3registros

detiemporealizadosenlaprimerasecciónsetomaelpromediodelos3tiemposy

seconfiguralabombaparaqueopereporesetiempo

2. Se espera a que la bomba termine su operación con el tiempo previamente

configuradoysetomalamedicióndelvolumen.Serealizaestamedición3veces,al

igualqueenlasecciónprevia,paracadaunadelas3configuracionesdiferentes.

Siendoasí,pormediodelacaracterizacióndelasbombas,losresultadosseránevaluados

pormediodeunanálisisdondesetendráencuentaeldesempeño,laincertidumbredelas

medicionesylacercaníadelfuncionamientoalosvaloresesperados.Serealizaráunacurva

decaracterizaciónparacadabombalacualpermitiráconocerelcaudaldecadabombapara

cualquier configuración dada. Sumado a esto, por medio de la segunda sección de las

pruebasseestableceráelerrorparacadabombapormediodelasiguienteecuación:

𝑅𝑀𝑆𝐸% =𝑉( − 𝑉*+,-(., /0

(123

Donde:

𝑅𝑀𝑆𝐸%:Errorcuadráticomedioparalabombaj

𝑉*+,-(.,:Volumenteóricoquedeberíaregistrarlabomba(50mL)

𝑉(:Volmenrealregistradoenlamedicióni

Deestamanera,seobtendráunresumendelerrorcuadráticomediodelasbombasyasíse

podráanalizarlabombamásprecisa(menorerror).

Enconclusión,loquesequieredelproyectoeslaeleccióndeunabombaquecumplacon

losrequerimientosdeprecisiónydesempeñopormediodeanálisisdelaspruebasarealizar

enelbancodepruebasaconstruir.

Ejecución

Delaspruebasseobtuvieronlossiguientesresultadosenlaprimerasección:

Ilustración2.Resultados1SecciónBombaPerimax12

Ilustración3.Resultados1SecciónBomba15QQ

y=-1E-07x2 +0,0004x- 0,0042R²=1

00,050,10,150,20,250,30,35

0 200 400 600 800 1000 1200

Caud

al(m

L/s)

Digitos

CaudalVs.Digitos

y=5E-06x2 - 0,0091x+4,5764R²=1

00,51

1,52

2,53

3,5

0 200 400 600 800 1000 1200

Caud

al(m

L/s)

Delay(𝜇s)

CaudalVs.Delay

Ilustración4.Resultados1SecciónBombaPM203N

Ilustración5.Resultados1SecciónBombaBL10-1

y=0,3002x- 0,7933R²=0,99931

00,51

1,52

2,53

3,5

0 2 4 6 8 10 12 14

Caud

al(m

L/s)

Voltaje(V)

CaudalVs.Voltaje

y=-4,4048x2 +9,5066x- 2,7424R²=1

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Caud

al(m

L/s)

FlowRate(%)

CaudalVs.Flowrate

Ilustración6.Resultados1SecciónBombaMP12-SM4

Paralasegundasecciónsetienenlossiguientesresultados:

Tabla1.Resultados2Sección

RMSE +/-

MP12-SM4 1,911 0,268BL10-1 7,470 7,478PM203N 0,911 1,50615QQ 0,664 1,232

PERIMAX12 1,895 1,156

Ilustración7.Resultados2Sección

y=5E-06x2 - 0,0091x+4,5764R²=1

00,51

1,52

2,53

3,5

0 200 400 600 800 1000 1200

Caud

al(m

L/s)

Delay(𝜇s)

CaudalVs.Delay

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

0 1 2 3 4 5 6

RMSE

MP12- SM4 BL10- 1 PM203N 15QQ Perimax12

Análisis

Delosresultadosdelaprimerasecciónsepuedeobservarquetodaslasbombassepudieronajustaraunacurvaloquepermitedescribirelcomporamientodelabombaparacualquierconfiguracióndada.Estopuedeevidenciarseenlasecuacionesdelgráficoyaqueentodosellos el coeficiente de determinación es >0.9. Sin embargo, en la segunda sección secomprobó que no todas las bombas tienen un comportamiento estable y precisa. Enespecífico, la bomba BL10-1 (bomba de diagrágma) fue la que presentó un peorrendimientoenlasegundasección,estabombanopresentouncomportamientoestabledebidoaquesusmedicionesvariabandrásticamenteentodaslasconfiguraciones.Porellosepuedeenunciarqueelprincipiodefuncionamientodelabombanoeseladecuadoparaunsistemaquerequieraprecisión.

Por otra parte, se evidencia que las bombas de tipo peristalticas presentaron un buenrendimiento en ambas secciones de prueba siendo la bomba 15QQ la de mejorcomportamientoenambaspruebasdebidoaquesucoeficientededeterminacion(𝑅/)fuede1yenlasegundasecciónfuelademenorerrorcuadráticomedio(𝑅𝑀𝑆𝐸)0,664 ± 1,232

Adicionalmente, entre las complicaciones que se pudieron presentar por la falta deflexibilidadenla instalacióndelabombayportenerpocaadaptabilidadenlaaplicaciónfinal,labombaquepodríaadaptarsemejoradiferentesmontajeseslabombaperistáltica15QQ.Finalmente,porlasrazonesmencionadaslamejorbombaquepuededesempeñarseenuncultivohidropónicoconunsistemaderiegodealtaprecisióneslabomba15QQlacual presenta un cuadal máximo de aproximadamente 3,00 ± 0,06𝑚𝐿 𝑠 lo que lepermitiría facilmentedistribuirun tanquede500mLdesoluciónenaproximadamente3minutosconunaprecisión,enelpeordeloscasos,cercade±10𝑚𝐿.

Cierre

Sepudoseleccionarlamejorbombaparauncultivohidropónicoconunsistemaderiegodealtaprecisiónadaptableamutliplesescalasdadasucapacidadparadistribuirtantoaltoscomobajosnivelesdevolumen.Estabombaes labombaperistáltica15QQde lamarcaBoxerconuncaudalmáximode3,00 ± 0,06𝑚𝐿 𝑠,porpartedelaprecisiónseobtuvoelmínimoerrorregistradode~0,664 ± 1,232.

Porotraparte, sepuedenexplorardiferentesbombasde tipoperistálticaparaobservarotrosfactorescomolosdetipoeconómico,adaptabilidad,ergonomíaydemás.

Se recomienda para futuros proyectos acoplar al sistema la red de riego, el tanque dealmacenamiento, loscultivosydemáselementosparacompletarel sistemahidropónicoconel findemedir y observar el rendimientodel sistema completo y así determinar laviabilidaddelmismo.

BIBLIOGRAFÍA

Barbieri, G. (s.f.). A Small-Scale Flexible Test Bench for the Investigation of FertigationStrategiesinSoillessCulture.

Rauhermi.(2017).ObtenidodeEselagua:http://eselagua.com/2017/01/30/caracteristicas-de-las-bombas-peristalticas-y-apartado-especial-para-conocer-las-duplex/

Lan, H., & Folch, A. (2010). HHS Author Manuscript. Obtenido de NCBI:

ANEXOS

Imágenesdelmontaje

Códigobaseprimeraseccióndeprueba(BombasconmotorNema)

//definespinsnumbers

constintdirPin=2;

constintstepPin=3;

constintenPin=1;

intRelay=7;

intInicio=6;

intFinal=5;

voidsetup(){

pinMode(Relay,OUTPUT);

pinMode(Inicio,INPUT);

pinMode(Final,INPUT);

digitalWrite(Relay,LOW);

//SetsthetwopinsasOutputs

pinMode(stepPin,OUTPUT);

pinMode(dirPin,OUTPUT);

pinMode(enPin,OUTPUT);

digitalWrite(enPin,LOW);

}

voidloop(){

if(digitalRead(Inicio)==HIGH)digitalWrite(Relay,HIGH);

if(digitalRead(Final)==HIGH)digitalWrite(Relay,LOW);

digitalWrite(dirPin,HIGH);//Enablesthemotortomoveinaparticulardirection

//Makes200pulsesformakingonefullcyclerotation

for(intx=0;x<1600;x++){

digitalWrite(stepPin,HIGH);

delayMicroseconds(700);

digitalWrite(stepPin,LOW);




}//Oneseconddelay

}

Códigobasesegundaseccióndeprueba(BombasconmotorNema)

//definespinsnumbers

constintdirPin=2;

constintstepPin=3;

constintenPin=1;

doubletiempoBomba=51.89288023;

intRelay=7;

intInicio=6;

intFinal=5;

doubletiempo=0;

doubletiempoActual=0;

voidsetup(){





//SetsthetwopinsasOutputs

pinMode(stepPin,OUTPUT);

pinMode(dirPin,OUTPUT);

pinMode(enPin,OUTPUT);

digitalWrite(enPin,LOW);

}

voidloop(){

if(digitalRead(Inicio)==HIGH)

{

digitalWrite(Relay,HIGH);

digitalWrite(dirPin,HIGH);

tiempoActual=millis();

do{

digitalWrite(stepPin,HIGH);


digitalWrite(stepPin,LOW);


}while((millis()-tiempoActual)/1000<tiempoBomba);

}//Oneseconddelay


}

Códigobaseprimerasecciónprueba(Demásbombas)

intRelay=7;

intInicio=6;

intFinal=5;

voidsetup(){





}

voidloop(){



}

Códigobasesegundaseccióndeprueba(Demásbombas)

intRelay=7;

intInicio=6;

intFinal=5;

doubletiempoBomba=54.96182567;

voidsetup(){





}

voidloop(){

if(digitalRead(Inicio)==HIGH)

{

digitalWrite(Relay,HIGH);

delay(1000*tiempoBomba);


}

}