Automatización de un banco de pruebas experimentales, mediante software Labview y hardware ARDUINO, destinado al estudio de la transferencia de calor en estado estacionario en paredes planas

El presente trabajo hace referencia a la automatización de un banco de pruebas experimental para el estudio de la transferencia de calor en paredes planas comunicando el banco con el programa LabView en un computador por medio de una tarjeta ARDUINO. Buscando automatizar el banco de pruebas de la le...

Full description

Autores:
Reyes Aranguren, Juan Sebastian
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/21077
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/21077
Palabra clave:
Automation
Heat transfer
Labview
ARDUINO
Fourier's law
Newton's law of cooling
Tests
Control
PI controller
HMI
Temperature
Convection
Mechatronic
Automatic control
Machine theory
Energy transfer
Programming languages
Mecatrónica
Control automático
Teoría de las máquinas
Transferencia de energía
Lenguajes de programación
Automatización
Transferencia de calor
ARDUINO
Ley de Fourier
Ley de enfriamiento de Newton
Pruebas
Control
Controlador PI
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Temperatura
Convección
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description El presente trabajo hace referencia a la automatización de un banco de pruebas experimental para el estudio de la transferencia de calor en paredes planas comunicando el banco con el programa LabView en un computador por medio de una tarjeta ARDUINO. Buscando automatizar el banco de pruebas de la ley de Fourier y la ley de enfriamiento de Newton de las Unidades Tecnológicas de Santander, procedí con una metodología en V donde presente la revisión del estado del banco, el diseño del sistema de control para manipular la temperatura, el diseño de la HMI para la visualización de los datos más importantes y el control de la temperatura, la implementación de los componentes necesarios para el mejoramiento y control del banco y la realización de pruebas al banco automatizado. Con el trabajo realizado, se obtuvo un sistema donde se puede controlar la temperatura del sistema de calentamiento por medio de un controlador PI y de una HMI que recibe y muestra datos de temperatura y entrega el resultado de los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor por convección, concluyendo que se pueden implementar diferentes sistemas de control para una tarea en específico pero que dependiendo de lo que se desea obtener, es más favorable implementar unos que otros.
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Buscando automatizar el banco de pruebas de la ley de Fourier y la ley de enfriamiento de Newton de las Unidades Tecnológicas de Santander, procedí con una metodología en V donde presente la revisión del estado del banco, el diseño del sistema de control para manipular la temperatura, el diseño de la HMI para la visualización de los datos más importantes y el control de la temperatura, la implementación de los componentes necesarios para el mejoramiento y control del banco y la realización de pruebas al banco automatizado. Con el trabajo realizado, se obtuvo un sistema donde se puede controlar la temperatura del sistema de calentamiento por medio de un controlador PI y de una HMI que recibe y muestra datos de temperatura y entrega el resultado de los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor por convección, concluyendo que se pueden implementar diferentes sistemas de control para una tarea en específico pero que dependiendo de lo que se desea obtener, es más favorable implementar unos que otros.INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 12 1. OBJETIVOS ................................................................................................................ 13 1.1. Objetivo General .................................................................................................. 13 1.2. Objetivos específicos ........................................................................................... 13 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN.................................. 14 3. ANTECEDENTES....................................................................................................... 16 4. ESTADO DEL ARTE.................................................................................................. 17 5. MARCO TEÓRICO..................................................................................................... 19 5.1. Banco de pruebas ................................................................................................. 19 5.2. Ley de enfriamiento de Newton........................................................................... 22 5.3. Ley de conducción de Fourier.............................................................................. 22 5.4. Ley de Stefan-Boltzmann..................................................................................... 23 5.5. Relé de estado solido............................................................................................ 23 5.6. Relé electromecánico ........................................................................................... 23 5.7. Control Proporcional-Integral (PI)....................................................................... 24 5.8. Control Proporcional-Derivativo (PD)................................................................. 24 5.9. Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) ................................................. 24 5.10. Controlador ON-OFF........................................................................................... 25 5.11. Modelo de espacio de estados.............................................................................. 25 5.12. Control Lineal Cuadrático Gaussiano (LQG) ...................................................... 25 6. DISEÑO METODOLÓGICO...................................................................................... 27 6.1. Modelo en V......................................................................................................... 27 7. RESULTADOS Y EVIDENCIAS............................................................................... 28 7.1. Componentes........................................................................................................ 28 7.2. Sistema de control................................................................................................ 32 7.2.1. Control ON-OFF.......................................................................................... 32 7.2.2. Control PI..................................................................................................... 33 7.2.3. Control LQG ................................................................................................ 43 7.2.4. Implementación física .................................................................................. 50 7.2.5. Análisis de resultados................................................................................... 56 7.3. Interfaz humano-maquina (HMI)......................................................................... 56 7.4. Pruebas de funcionamiento de cada parte ............................................................ 61 7.5. Pruebas del banco automatizado .......................................................................... 63 7.5.1. Análisis de resultados................................................................................... 66 7.6. Problemas durante el desarrollo........................................................................... 67 8. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 68 9. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO...................................................... 69 10. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 70 11. ANEXOS ................................................................................................................. 72PregradoThis paper deals with the automation of an experimental test bench for the study of heat transfer in flat walls, communicating the bench with the LabView program on a computer through an ARDUINO board. Seeking to automate the test bench of Fourier's law and Newton's law of cooling of the Santander Technological Units, I proceeded with a V methodology where I present the review of the state of the bank, the design of the control system to manipulate the temperature, the design of the HMI for the visualization of the most important data and the temperature control, the implementation of the necessary components for the improvement and control of the bench and the performance of automated bench tests. With the work done, a system was obtained where the temperature of the heating system can be controlled by means of a PI controller and an HMI that receives and displays temperature data and delivers the result of the heat transfer coefficients calculations by convection, concluding that different control systems can be implemented for a specific task but that depending on what you want to obtain, it is more favorable to implement some than others.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Automatización de un banco de pruebas experimentales, mediante software Labview y hardware ARDUINO, destinado al estudio de la transferencia de calor en estado estacionario en paredes planasAutomation of an experimental test bench, using Labview software and ARDUINO hardware, intended for the study of heat transfer in steady state on flat wallsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPAutomationHeat transferLabviewARDUINOFourier's lawNewton's law of coolingTestsControlPI controllerHMITemperatureConvectionMechatronicAutomatic controlMachine theoryEnergy transferProgramming languagesMecatrónicaControl automáticoTeoría de las máquinasTransferencia de energíaLenguajes de programaciónAutomatizaciónTransferencia de calorARDUINOLey de FourierLey de enfriamiento de NewtonPruebasControlControlador PIHMITemperaturaConvecciónLipez, C., Acuña, A., & Ordoñez, J. (2020). Demostración de la ecuación de calor en pared plana aplicando diferentes materiales basados en la ley de Fourier y la ley de enfriamiento de Newton.Bordon, A. C., Cabanillas, R. E., & Perez, J. B. (2010). Modelación y Simulación de la Transferencia de Calor en Muros de Bloque de Concreto Hueco.Villarreal, J. A. (2004). Estudio de Transferencia de Calor en componentes automotrices de alta tecnología.Xie, L., Deng, L., Li, J., Zeng, X., Yan, Y., Shi, Y., & Su, J. (2020). Simulation and experimental validation of heat and mass transfer during Chinese stir-frying considering shrinkage.Magoda, C. M., Gryzagoridis, J., & Kanyarusoke, K. (2021). Effective heat conductivity of Honeycomb (porous) composite panel.Liu, Y., Hansen, A., Shaha, R. K., Frick, C., & Oakey, J. (2020). Bench scale glass-to-glass bonding for microfluidic prototyping.Shcherbakov, I., Gorbatenko, N., Polyakov, R.,& Shirokov, K. (2020). Development and research of a virtual test bench for electric impedance tomography channel main components simulation.Arjun Subramaniyan, K. S., Tarunkumar, S., Vinish, Y., Sanchana, K. Chanu, O. R., Gnanavel, S., Muthu, P., Ashokkumar, D., & Karthik Raj, V. (2018). Low-cost automated nurse call system for improving patient care using labview.Kubarev, V. A., Bogdanovskaya, T. V., Ignatenko, O. A., & Gallyamova, O. R. (2020). Automated test bench for researching the characteristics of an AC motor based on the altivar variable-frequency drive.Espinel, E., Arévalo, J., & Florez, E. (2020). Development of an automated system for the determination of thermal conductivity in granular materials.Escaño, J., Garcia, J., & Nuevo, A. (2019). Integración de sistemas de automatización industrial.Incropera, F., & Dewitt, D. (2000). Fundamentos de transferencia de calor.Ramírez, J. A. (2000). Refrigeración.Jutglar, L., & Miranda, A. (2009). 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