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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);
delayMicroseconds(700);
if(digitalRead(Inicio)==HIGH)digitalWrite(Relay,HIGH);
if(digitalRead(Final)==HIGH)digitalWrite(Relay,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(){
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);
digitalWrite(dirPin,HIGH);
tiempoActual=millis();
do{
digitalWrite(stepPin,HIGH);
delayMicroseconds(700);
digitalWrite(stepPin,LOW);
delayMicroseconds(700);
}while((millis()-tiempoActual)/1000<tiempoBomba);
}//Oneseconddelay
digitalWrite(Relay,LOW);
}
Códigobaseprimerasecciónprueba(Demásbombas)
intRelay=7;
intInicio=6;
intFinal=5;
voidsetup(){
pinMode(Relay,OUTPUT);
pinMode(Inicio,INPUT);
pinMode(Final,INPUT);
digitalWrite(Relay,LOW);
}
voidloop(){
if(digitalRead(Inicio)==HIGH)digitalWrite(Relay,HIGH);
if(digitalRead(Final)==HIGH)digitalWrite(Relay,LOW);
}
Códigobasesegundaseccióndeprueba(Demásbombas)
intRelay=7;
intInicio=6;
intFinal=5;
doubletiempoBomba=54.96182567;
voidsetup(){
pinMode(Relay,OUTPUT);
pinMode(Inicio,INPUT);
pinMode(Final,INPUT);
digitalWrite(Relay,LOW);
}
voidloop(){
if(digitalRead(Inicio)==HIGH)
{
digitalWrite(Relay,HIGH);
delay(1000*tiempoBomba);
digitalWrite(Relay,LOW);
}
}