2019 2 Im

DISEÑO DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA LA MEDICIÓN Y CONTROL DE
NIVEL, PRESIÓN Y CAUDAL PARA UN LABORATORIO DE

AUTOMATIZACIÓN
NEIDER STIVEN ARAGÓN HERNÁNDEZ

ALEJANDRO SUAN MEDINA
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2019
DISEÑO DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA LA MEDICIÓN Y CONTROL DE
NIVEL, PRESIÓN Y CAUDAL PARA UN LABORATORIO DE
AUTOMATIZACIÓN
NEIDER STIVEN ARAGÓN HERNÁNDEZ

ALEJANDRO SUAN MEDINA
Proyecto integral de grado para optar por el título de

INGENIERO MECÁNICO
Director
MIGUEL ALFONSO MORALES GRANADOS
Ing. Mecánico
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2019
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
____________________________________
Ing. Wilmar Martínez Urrutia Jurado 1
____________________________________
Ing. Eric Fabien Navarro Arquez Jurado 2
Bogotá, D.C., Julio 2019
3
DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD
Presidente Institucional y Rector del Claustro
Dr. MARIO POSADA GARCÍA-PEÑA
Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos
Dr. LUIS JAIME POSADA GARCÍA-PEÑA
Vicerrectora Académica y de Posgrados
Dra. ANA JOSEFA HERRERA VARGAS
Decano Facultad de Ingenierías
Ing. JULIO CESAR FUENTES ARISMENDI
Director Programa de Ingeniería Mecánica
Ing. CARLOS MAURICIO VELOZA VILLAMIL
4
Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo
docente no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente
documento. Estos corresponden únicamente a los autores.
5
DEDICATORIA
En primer lugar, agradezco a Dios por brindarme día a día salud, sabiduría,
paciencia y todo lo necesario para permitirme alcanzar un logro más en mi vida;
culminando de este modo el camino que me permite cumplir ese gran sueño de
convertirme en Ingeniero Mecánico.
Dedico este trabajo de grado de manera especial a mis padres, quienes siempre
han dado lo mejor de si para ayudarme a salir adelante, siempre me han
acompañado, entendido y aconsejado en cada paso que doy; a ustedes gracias
por todo su apoyo, porque gran parte de este logro es gracias a ustedes.
A mi tía Luz Marina, porque aunque solo pude compartir unos pocos años a su
lado, me enseñó el valor de la vida, el valor de amar a quienes nos rodean, de
luchar por lo que se quiere, me enseñó que nada es imposible, que todo se puede
lograr con esfuerzo, dedicación y sacrificio, dejó miles de recuerdos en mi mente y
en mi corazón; por ella y para ella.
A mi novia Angie, por acompañarme, motivarme y ser ese gran apoyo a lo largo
de este camino, gracias por estar siempre ahí, tanto en los momentos difíciles
como en los momentos de felicidad, gracias por ser esa persona especial que la
vida puso en mi camino.
A mi compañero de proyecto y amigo Alejandro, por su compromiso, disposición y

alegría, que hicieron de este proyecto una gran experiencia llena de aprendizaje y
buenos momentos.
A mis familiares y amigos por siempre creer en mí, por apoyarme, aconsejarme y
guiarme en todo momento.
Gracias a todas y cada una de las personas que hicieron parte de este proceso
aportándome siempre tanto a nivel personal como a nivel profesional,
permitiéndome alcanzar este gran logro.
Neider Stiven Aragón Hernández
6
DEDICATORIA
Primero que todo agradezco a Dios por permitirme continuar constante y con
animo a lo largo de mi carrera, en segunda medida a mi núcleo familiar que
siempre ha estado apoyándome a lo largo de todos mis procesos de vida, también
a mi novia Ingrid Manrique la cual fue una persona muy importante durante este
proceso, apoyándome tanto académica como sentimentalmente , por otro lado a
William Riveros y Gloria Medina por su apoyo durante la carrera permitiéndome
adentrar en el mundo de la ingeniería, a mi compañero y amigo Neider Aragón
quien estuvo en todo momento con la mejor actitud, disposición, compromiso y
energía para llevar este proyecto a feliz término, también a mi grupo de trabajo en
la pradera de potosí y a su fundación por el apoyo brindado a lo largo de esta
etapa académica.
Agradezco a mis compañeros que hicieron de este proceso una experiencia única
y maravillosa, por último a cada una de las personas que hizo parte de este
proceso y que sin su presencia no habría sido posible culminar mi etapa
académica profesional.
Alejandro Suan Medina
7
AGRADECIMIENTOS
Los autores del presente proyecto agradecen en primera instancia al cuerpo de

docentes de la Fundación Universidad de América por el acompañamiento brindado
a lo largo de nuestro proceso de formación, por los conocimientos compartidos en
las aulas de clase y por el apoyo a lo largo del desarrollo del proyecto mismo, en
especial al director del proyecto, el ingeniero Miguel Morales, a los ingenieros
Wilmar Martínez, Eric Navarro, Scherazada Calderón y Carlos Méndez;
adicionalmente agradecen al ingeniero Mauricio Veloza, director del programa de
ingeniería mecánica, por el acompañamiento y apoyo recibido a lo largo del
proyecto. Al personal de laboratorio por facilitar el uso de las instalaciones a su
cargo, la realización de diversas pruebas y toma de información necesaria para el
desarrollo del proyecto.
Por último y no menos importante, a cada uno de los amigos y compañeros que
fueron parte de este proceso brindado su apoyo, carisma y motivación en cada
etapa del proceso académico.
8
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 22
OBJETIVOS 23
1. MARCO TEÓRICO 24
1.1 MÓDULO DIDÁCTICO 24
1.2 FLUJO O CAUDAL 24
1.2.1 Perfiles de flujo 24
1.2.2 Medidores de flujo 25
1.2.3 Medidores de flujo volumétricos 25
1.2.3.1 Medición directa 25
1.2.3.2 Medición indirecta 26
1.2.4 Medidores de flujo másicos 27
1.3 NIVEL 27
1.3.1 Elementos usados para la medición de nivel 28
1.4 PRESIÓN 29
1.4.1 Instrumentos de medición de presión 29
1.5 CONTROL 30
1.5.1 Sistema de control 30
1.5.2 Estrategias de control industrial 31
2.FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL MÓDULO Y DIAGNÓSTICO DE

COMPONENTES DEL LABORATORIO 33
2.1 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL MÓDULO 33
2.2 EVALUACIÓN DE COMPONENTES PRESENTES EN EL LABORATORIO 34
2.2.1Tanques de almacenamiento 34
2.2.2 Bombas 37
2.2.3 Estructuras 41
2.2.4 Electroválvulas 43
2.2.5 Medidores de Nivel 46
2.2.5.1 Medidores de nivel de color negro 47
2.2.5.2 Medidores de nivel de color gris 49
2.3 Resumen del diagnóstico realizado 51
3. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS FUNCIONALES

DEL EQUIPO 54
3.1 PARÁMETROS Y RESTRICIONES DE DIMENSIONAMIENTO 54
3.2 PARÁMETROS Y RESTRICCIONES DEL SISTEMA DE PRESIÓN 54
3.3 PARAMETROS Y REQUERIMIENTOS PARA LA VARIABLE NIVEL 55
3.4 REQUERIMIENTOS PARA LA VARIABLE CAUDAL 55
3.5 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL DEL MÓDULO 55
3.6 REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS 56
9
4. PLANTEAMIENTO Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS 57
4.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE NIVEL 57
4.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE CAUDAL 63
4.3 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE PRESIÓN 65
5.DISEÑO DEL MÓDULO DIDÁCTICO 69

5.1 DISEÑO DE TANQUES DEL MÓDULO 69
5.1.1 Diseño tanque inferior 70
5.1.2 Diseño tanque superior 73
5.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE PRESIÓN 80
5.2.1 Elementos del laboratorio con posible utilidad en el sistema de presión 80
5.2.2 Comprobación de resistencia de los tanques tipo extintor 81
5.2.3 Parámetros de funcionamiento del sistema de presión 85
5.2.3.1 Prueba a tanque tipo extintor sin perturbación 85
5.2.3.2 Prueba a tanque tipo extintor con perturbación 86
5.2.4 Diagrama básico del sistema de presión 88
5.3 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE BOMBA CENTRÍFUGA 89
5.3.1 Cálculo de la potencia mínima requerida para la bomba 89
5.3.2 Selección de la bomba para el módulo 98
5.3.2.1 Prueba a bomba nueva presente en laboratorio 98
5.3.2.2 Selección final de la bomba 101
5.4 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN PARA EL MÓDULO 102
5.4.1 Selección de sensores de nivel 102
5.4.2 Selección de instrumentos para la medición de caudal 103
5.4.3 Selección de instrumentos para la medición de presión 104
5.4.4 Selección de válvulas 105
5.4.4.1 Selección de válvulas cuyo fluido de trabajo es agua 105
5.4.4.2 Selección de válvula cuyo fluido de trabajo es aire comprimido 106
5.5 DISEÑO Y COMPROBACIÓN ESTRUCTURAL 106
5.5.1 Diseño estructural 107
5.5.1.1 Diseño de placa para tanque inferior 107
5.5.1.2 Diseño de soporte para tanque superior 119
5.5.2 Comprobación estructural 145
5.5.3 Soporte para caja de conexionado 146
6. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS DE LA ESTRUCTURA 148

6.1 DISEÑO EN 3D, DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR (CAD) 148
6.2 APLICACIÓN DE LAS CARGAS 149
6.3 ESTABLECIMIENTO DE RESTRICCIONES 151
6.4 ESTABLECIMIENTO DE LA MALLA 151
6.5 REFINAMIENTO DE MALLA 152
6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS 153
7. ELABORACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL MÓDULO 156

7.1 CONTROL PARA LA VARIABLE NIVEL 156
10
7.1.1Control de la variable nivel adaptado a las tarjetas cDAQ 156
7.1.2Control de la variable nivel adaptado al PLC 159
7.2 CONTROL PARA LA VARIABLE PRESIÓN 161
7.2.1Control para variable presión adaptado a las tarjetas cDAQ 161
7.2.2Control para la variable presión adaptado al PLC 163
7.3 CONTROL PARA LA VARIABLE CAUDAL 165
7.4 CAJA PARA CONEXIONADO DE ELEMENTOS DEL MÓDULO 168
7.5 COMUNICACIÓN ENTRE MÓDULO Y TARJETAS cDAQ 172
7.5.1 Interfaz y conexiones de tarjeta de adquisición de datos. 172
7.5.2 Ejemplo de conexionado entre módulo y tarjeta de adquisición de datos 173
7.6 COMUNICACIÓN ENTRE MÓDULO Y PLC 173
7.6.1 Interfaz y conexiones PLC 173
7.6.2 Ejemplo de conexionado entre módulo y PLC 174
8. MANUALES 175
8.1 MANUAL DE OPERACIÓN DEL EQUIPO 175
8.1.1 Advertencias y precauciones 176
8.1.2 Operación del equipo 177
8.2 MANUAL DE INSPECCIÓN DE MANTENIMIENTO 180
9. IMPACTO AMBIENTAL 184
10. ANÁLISIS DE COSTOS 185

10.1 COSTO DE INSTRUMENTACIÓN Y COMPONENTES PARA EL
MÓDULO 185
10.2 COSTO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL 185
10.3 COSTOS DE FABRICACIÓN 186
10.4 COSTOS DE TALENTO HUMANO 186
10.5 COSTO TOTAL DEL PROYECTO 180
11. CONCLUSIONES 188
12. RECOMENDACIONES 190
BIBLIOGRAFÍA 191
ANEXOS 193
11
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Tanque 1 34
Tabla 2.Tanque 2 35
Tabla 5. Estructura 1 41
Tabla 9. Electroválvula 1 43
Tabla 13. Parámetros de nivel 55
Tabla 14. Atributo de facilidad en la instalación para nivel 59
Tabla 15. Atributo de capacidad de trabajo con agua y/o en ambientes húmedos 59
Tabla 16. Atributo de rango de medición 59
Tabla 17. Atributo de costo 60
Tabla 18. Atributo de probabilidad de bloqueo del sistema 60
Tabla 19. Evaluación de atributos medición de nivel analógica 60
Tabla 20. Ponderación de atributos medición de nivel analógica 61
Tabla 21. Evaluación de atributos medición de nivel digital 62
Tabla 22. Ponderación de atributos medición de nivel digital 62
Tabla 23. Atributo de facilidad de instalación para caudal 63
Tabla 24. Atributo de pérdida de carga 64
Tabla 25. Atributo de material de fabricación 64
Tabla 27. Atributo de probabilidad de bloqueo del sistema 64
Tabla 28. Scoring para medición de caudal 65
Tabla 29. Ponderación scoring para medición de caudal 65
Tabla 30. Atributo de facilidad en la instalación para presión 66
Tabla 31. Sensibilidad del instrumento 67
Tabla 32. Atributo de capacidad de medición de hasta 60 psi 67
Tabla 33. Precisión en la medición 67
Tabla 35. Scoring para medición de presión 68
Tabla 36. Ponderación de atributos del scoring para medición de presión 68
Tabla 37. Forma de domo o fondo del cilindro 83
Tabla 38. Esfuerzo máximo permisible para tipos de materiales y procesos de
fabricación 84
Tabla 39. Prueba a tanque tipo extintor sin perturbaciones 85
Tabla 40. Prueba a tanque de extintor con perturbación 86
Tabla 41. Prueba bomba centrifuga 98
12
Tabla 42. Parámetros de selección de bomba para el módulo 101
Tabla 43. Refinamiento de malla 152
Tabla 44. Caracterización del impacto ambiental 184
Tabla 45. Costo de componentes para el módulo 185
Tabla 46. Costo del sistema estructural 186
Tabla 47. Costos de fabricación 186
Tabla 48. Costo total del proyecto 187
13
LISTA DE IMAGENES
pág.
Imagen 1. Flujo laminar 24

Imagen 2. Flujo turbulento 25
Imagen 3. Flujo transicional 25
Imagen 4. Desplazamiento positivo 26
Imagen 5. Mirilla de vidrio 28
Imagen 6. Tubo Bourdon 30
Imagen 7. Sistema de control de lazo abierto 31
Imagen 8. Sistema de control de lazo cerrado 31
Imagen 9. Tanque 1 34
Imagen 13. Estado del fluido bombeado 40
Imagen 14. Estructuras 41
Imagen 15. Electroválvula 1 44
Imagen 19. Sensores de nivel encontrados en el laboratorio 47
Imagen 20. Bosquejo de diseño para módulo didáctico 69
Imagen 21. Dimensiones tanque inferior 70
Imagen 22. Dimensiones tanque superior 74
Imagen 23. Tapa superior tanque superior 79
Imagen 24. Tapa inferior tanque superior 80
Imagen 25. Tanque tipo extintor 80
Imagen 26. Dimensiones tanque tipo extintor 81
Imagen 27. Formulas para determinación de esfuerzos 83
Imagen 28. Esquema básico sistema de presión 88
Imagen 29. Esquema de pérdidas sistema de flujo 89
Imagen 30. Plano hidráulico del sistema de flujo 90
Imagen 31. Prueba de caudal para bomba encontrada 99
Imagen 32. Ubicación de tanque inferior y bomba centrífuga 107
Imagen 33. Ubicación de bomba y tanque en placa 109
Imagen 34. Diagrama de cuerpo libre placa inferior 110
Imagen 35. DCL convirtiendo carga distribuida 110
Imagen 36. Sección A-B 112
Imagen 37. Sección B-C 113
Imagen 38. Sección C-D 114
Imagen 39. Diagrama de esfuerzo cortante 114
Imagen 40. Diagrama de Momento Flector 115
Imagen 41. Ubicación Tanque Superior 119
Imagen 42. Diseño planteado para estructura de tanque superior 120
14
Imagen 43. Longitudes efectivas de columna 124
Imagen 44. Perfil columnas soporte superior 124
Imagen 45. Arrostramientos para columnas 128
Imagen 46. DCL Placa inferior soporte superior 129
Imagen 47. Diagrama de esfuerzo cortante placa inferior tanque superior 131
Imagen 48. Diagrama de momento flector placa inferior tanque superior 131
Imagen 49. Ubicación de los pernos 134
Imagen 50. Especificaciones métricas y resistencias para pernos de acero 135
Imagen 51. Factor de seguridad según el tipo de carga 135
Imagen 52. Distancia a bordes 140
Imagen 53. Formulas para esfuerzo por pulgada de soldadura dependiendo
del tipo de carga 142
Imagen 54. Esfuerzos cortantes y fuerzas sobre soldaduras 144
Imagen 55. Tamaño mínimo de cordón 145
Imagen 56. Soporte caja conexionado 147
Imagen 57. Diseño modelado en 3D de la estructura 149
Imagen 58. Ubicación del plano para dividir las cargas 150
Imagen 59. Aplicación de las cargas 150
Imagen 60. Ubicación de las restricciones 151
Imagen 61. Enmallado de la estructura 152
Imagen 62. Resultado Esfuerzo Von Misses Sin Promedio 154
Imagen 63. Esfuerzo Von Misses Promedio 155
Imagen 64. Desplazamiento en la estructura 155
Imagen 65. Diagrama de flujo de la variable nivel 157
Imagen 66. Diagrama de bloques variable nivel adaptado a tarjetas cDAQ 158
Imagen 67. Interfaz gráfica variable nivel en Software LabView 158
Imagen 68. Diagrama de bloques correspondiente a la variable nivel para PLC 159
Imagen 69. Diagrama de flujo variable nivel PLC 160
Imagen 70. Diagrama Ladder, medición y control de nivel con PLC 161
Imagen 71. Diagrama de flujo variable presión adaptado a tarjetas cDAQ 162
Imagen 72. Diagrama de bloques sistema de presión adaptado a tarjetas
cDAQ 162
Imagen 73. Interfaz gráfica variable presión en Software LabView 163
Imagen 74. Diagrama de flujo para la variable presión mediante PLC 164
Imagen 75. Diagrama de bloques para la variable presión mediante PLC 164
Imagen 76. Diagrama de PLC para sistema de presión 165
Imagen 77. Diagrama de flujo para la variable caudal 166
Imagen 78. Diagrama de bloques del sistema de caudal 167
Imagen 79. Interfaz gráfica variable caudal en software LabView 167
Imagen 80. Caja de conexionado eléctrico del módulo 168
Imagen 81. Intensidad lumínica PWM 169
Imagen 82. Configuración PWM LabView 171
Imagen 83. Esquema de comunicación para PWM 171
Imagen 84. Tarjeta de Adquisición de datos 172
Imagen 85. Ejemplo de conexionado con tarjeta de adquisición de datos 173
15
Imagen 86. Conexiones PLC 174
Imagen 87. Ejemplo de conexionado con PLC 174
Imagen 88. Módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal 175
Imagen 89. Precaución para manipulación de caja de conexionado eléctrico
del módulo 176
Imagen 90. Nivel mínimo en tanque inferior para activación de bomba 177
Imagen 91. Sección para alimentación de caja de conexionado del módulo 177
Imagen 92. Conexión DB25 178
Imagen 93. Manguera para aire comprimido 178
Imagen 94. Cables tipo banana 178
Imagen 95. Unidad FRL 179
16
LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1. Inspección y prueba bomba 1 37

Cuadro 5. Medidor de nivel de color negro número 1 47
Cuadro 9. Medidor de nivel de color gris número 1 49
Cuadro 13. Resumen del diagnóstico realizado 52
Cuadro 14. Distancia entre bordes 139
Cuadro 15. Manual e inspección de mantenimiento para módulo didáctico 180
Cuadro 16. Costos de talento humano del proyecto 186
17
LISTA DE ECUACIONES
pág.
Ecuación 1. Espesor tanque inferior 71

Ecuación 2. Fuerza sobre una pared rectangular 73
Ecuación 3. Relación entre espesor y radio interno 74
Ecuación 4. Presión a partir de la altura de un fluido 75
Ecuación 5. Esfuerzo tangencial promedio 75
Ecuación 6. Esfuerzo tangencial máximo 76
Ecuación 7. Esfuerzo longitudinal 76
Ecuación 8. Caudal a partir del volumen y tiempo 77
Ecuación 9. Tiempo de vaciado por acción de la gravedad 77
Ecuación 10. Esfuerzos en paredes de tanque tipo extintor 82
Ecuación 11. Relación de diámetro y altura para determinar el tipo de domo 82
Ecuación 12. Ecuación general de la energía 90
Ecuación 13. Pérdidas a la salida del tanque 92
Ecuación 14. Número de Reynolds 93
Ecuación 15. Ecuación de Darcy-Weisbach 94
Ecuación 16. Rugosidad relativa 94
Ecuación 17. Factor de fricción para flujo turbulento 95
Ecuación 18. Coeficiente de resistencia 96
Ecuación 19. Potencia de bomba centrífuga 98
Ecuación 20. Deflexión en vigas 111
Ecuación 21. Momento de inercia sección rectangular 118
Ecuación 22. Carga mayorada 123
Ecuación 23. Radio de giro en el eje X 125
Ecuación 24. Radio de giro en el eje Y 125
Ecuación 25. Chequeo por esbeltez 126
Ecuación 26. Categorización de la columna 126
Ecuación 27. Esfuerzo crítico para columnas cortas 127
Ecuación 28. Resistencia de diseño de la columna 127
Ecuación 29. Esfuerzo cortante para una carga concentrada 130
Ecuación 30. Esfuerzo admisible 136
Ecuación 31. Esfuerzo cortante 136
Ecuación 32. Esfuerzo por aplastamiento 138
Ecuación 33. Área efectiva de la soldadura 141
Ecuación 34. Momento resistente elástico de la soldadura 141
Ecuación 35. Esfuerzo Resultante 143
Ecuación 36. Tamaño mínimo para cordón de soldadura 144
18
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfica 1. Valores de α en las fórmulas para tanques rectangulares 72

Gráfica 2. Velocidad de llenado tanque tipo extintor sin perturbaciones 86
Gráfica 3. Velocidad de llenado tanque tipo extintor con perturbación 87
Gráfica 4. Convergencia de malla 154
19
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Características de cable AWG22 194

Anexo B. Propiedades del acrílico 195
Anexo C. Tubería PVC PAVCO 197
Anexo D. O-Ring seleccionado 198
Anexo E. Tabla de Coordenadas y nomograma para viscosidades de 199
diferentes fluidos
Anexo F. Rotámetro a usar en el módulo 201
Anexo G. Bomba Shenpeng P6017 203
Anexo H. Sensor de nivel ultrasónico Dingtek DF520 205
Anexo I. Sensor de nivel por flotador reed switch RGP 472-S 206
Anexo J. Sensor de nivel por flotador interruptor “L6-P” 207
Anexo K. Datasheet Turbina de medición de flujo 208
Anexo L. Sensor de presión Autonics PSA-1 1/8NPT 211
Anexo M. Manómetro Winters PFP824ZRR1 213
Anexo N. Electroválvula 24V-160-15 1/2NPTNC 215
Anexo Ñ. Catálogo Lámina Alfajor 217
Anexo O. Lámina del soporte superior 218
Anexo P. Dimensiones de soldadura 219
Anexo Q. Valor de momento de inercia para perfil en L 221
Anexo R. Diagramas P&ID módulo didáctico 222
Anexo S. Tarjeta de adquisición de datos CDAQ-9174 224
Anexo T. Especificaciones controlador lógico programable (PLC) FX1n 226
Anexo U. Guías de laboratorio 228
Anexo V. Listado de planos 239
Anexo W. Ficha técnica del módulo didáctico 240
Anexo X. Cotizaciones 241
20
RESUMEN
Para el desarrollo del proyecto inicialmente se realizó un diagnóstico de diferentes

componentes presentes en el laboratorio de instrumentación y control de procesos
que se consideraron podían ser de utilidad para el desarrollo del módulo didáctico,
posterior a esto se establecieron los diferentes parámetros y requerimientos
necesarios para el desarrollo del módulo y tomar decisión sobre los componentes
evaluados que se encontraron en buen estado.
Paso seguido, se realizó un proceso de evaluación a las diferentes alternativas para

la medición de las tres variables físicas manejadas en el módulo, lo cual dio paso a
la siguiente fase la cual consistió en el diseño de los diferentes sistemas del módulo
(dentro de los cuales se encuentra el sistema estructural cuyo diseño fue validado
mediante el uso de los elementos finitos) y la selección de componentes necesarios
para su correcto funcionamiento. Una vez definido el diseño y los componentes que
harían parte del módulo se procedió a realizar el correspondiente diseño del sistema
de control para el equipo, dicho sistema de control fue desarrollado de tal manera
que fuera compatible con una tarjeta de adquisición de datos y un controlador lógico
programable (PLC).
Adicionalmente, se realizaron planos del equipo, manual de operación e inspección

de mantenimiento y guías de laboratorio que serán de gran utilidad para el desarrollo
de las prácticas en las cuales se haga uso del equipo.
Finalmente, se realizó un análisis del impacto ambiental que generaría el módulo y

un análisis de costos del proyecto.
PALABRAS CLAVE: Módulo didáctico, nivel, presión, caudal, sistema de control,

tarjeta de adquisición de datos, PLC.
21
INTRODUCCIÓN
El desarrollo constante y la evolución de los procesos industriales ha provocado un

aumento en su capacidad y en algunos casos en su complejidad, lo cual ha
generado la necesidad de combinar los instrumentos de medición con los procesos
automatizados, esto ha permitido el desarrollo de productos y procesos que implican
mayor dificultad, asegurando condiciones estables de funcionamiento y
aumentando los índices de productividad y calidad en escenarios donde sería
imposible o muy difícil conseguir estos resultados mediante la operación y control
manual de los procesos.1
En todo proceso industrial es importante la medición, control y monitoreo de algunas

magnitudes como lo son nivel, presión, caudal, entre otras. Esto con el fin de
registrar sus valores, permitiendo la evaluación y control de todos los elementos del
sistema, aumentando de este modo la eficiencia del proceso al tener un diagnóstico
y total conocimiento de su rendimiento operativo.
De acuerdo a lo anterior, el presente proyecto surge con el objeto de brindar a los

estudiantes un equipo que permita su acercamiento e interacción con los procesos
de medición y control de variables físicas, la aplicación de conocimientos adquirido
en las aulas de clase y el desarrollo de nuevos conocimientos y competencias;
adicionalmente se busca fomentar los procesos de enseñanza teórico-prácticos
debido a que las actividades que implican el uso de varios sentidos al mismo tiempo
facilitan y fortalecen los procesos de aprendizaje.
1 CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. 7 ed. México.: Marcombo S.A, 2010. p.1. ISBN 10:
8426716687
22
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal para
un laboratorio de automatización.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Realizar el diagnóstico de los requerimientos funcionales para el módulo didáctico

de control industrial utilizado en las pruebas de medición y control de nivel, presión
y caudal.
• Establecer los parámetros y requerimientos funcionales necesarios para el diseño

del equipo.
• Plantear y evaluar alternativas de diseño
• Desarrollar el diseño de los subsistemas del módulo y de la alternativa

seleccionada.
• Realizar simulaciones por elementos finitos para la estructura del módulo
• Elaborar el sistema de control del módulo.
• Elaborar planos de construcción, manual de operación e inspección de

mantenimiento y guías de laboratorio.
• Analizar el impacto ambiental del módulo.
• Realizar análisis de costos.
23
1. MARCO TEÓRICO
1.1 MÓDULO DIDÁCTICO
Un módulo didáctico consiste en un elemento o material que aporta todas las

herramientas necesarias para fortalecer y apalancar el proceso de aprendizaje de
conceptos y desarrollo destrezas en el estudiante, a su propio ritmo y sin el
acompañamiento presencial o continuo del docente.
En cuanto a los módulos didácticos orientados a la instrumentación y control de

procesos industriales o a la automatización, buscan que el estudiante pueda
combinar el aprendizaje teórico con las habilidades prácticas mediante el diseño y
prueba de sistemas de control sencillos.
1.2 FLUJO O CAUDAL
Se define como la cantidad de fluido que circula a través de una sección o ducto por
unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido puede ser medida en masa o en volumen
por lo cual se puede tener flujo másico o flujo volumétrico.
1.2.1 Perfiles de flujo.
• Flujo laminar: Se define como el movimiento ordenado y con trayectorias definidas

de las partículas de un fluido, es decir, no se presenta entrecruzamiento de las
partículas del mismo.
Imagen 1. Flujo laminar
Fuente: NEETESCUELA. [sitio web]. Flujo

turbulento y laminar. [Consulta: 5
septiembre 2018]. Disponible en: https://n
eetescuela.org/flujo-turbulento-y-laminar/.
• Flujo Turbulento: Se presenta cuando las partículas de fluido se mueven de

manera errática o entrecruzada generando en ocasiones torbellinos.
24
Imagen 2. Flujo turbulento
Fuente: NEETESCUELA. [sitio web]. Flujo

turbulento y laminar. [Consulta: 5 septiembre
2018]. Disponible en: https://neetescuela.org/fluj
o-turbulento-y-laminar/.
• Flujo transicional: Es aquel comprendido en el paso de laminar a turbulento o

viceversa. Es decir, pueden presentarse ciertos entrecruzamientos de las
partículas del fluido.
Imagen 3. Flujo transicional
Fuente: NEETESCUELA. [sitio web].

Flujo turbulento y laminar. [Consulta: 5
septiembre 2018]. Disponible en:
https://neetescuela.org/flujo-turbulento-
y-laminar/.
1.2.2 Medidores de flujo. Dependiendo de la forma en que se mida el flujo

(volumen o masa) los medidores de flujo pueden ser clasificados en dos grupos:
1.2.3 Medidores de flujo volumétricos. Como su nombre lo indica, determinan

el caudal a partir del volumen de fluido, esta medida se da, bien sea, de manera
directa (medidores de desplazamiento positivo) o de manera indirecta (medidores
por presión diferencial, área variable, torbellino o vortex, velocidad, tensión inducida,
etc.)
1.2.3.1 Medición directa.
• Medición por desplazamiento positivo: Este tipo de medidores operan contando

el número de unidades de volumen desplazado en un periodo de tiempo
determinado.
25
Imagen 4. Desplazamiento positivo
Fuente: OMEGA A SPECTRIS COMPANY. [sitio web].

Lecciones sobre medidores de flujo de desplazamiento
positivo. [Consulta: 5 septiembre 2018]. Disponible en:
https://es.omega.com/technical-learning/medidor-de-flujo-de-
desplazamiento-positivo.html#.
1.2.3.2 Medición indirecta.
• Presión diferencial: La medición del flujo mediante la presión diferencial se lleva

a cabo teniendo en cuenta la relación directa entre la presión y la velocidad de un
fluido dentro de una tubería. Los medidores que funcionan por este método tienen
como principio un cambio de sección intencional para variar la velocidad y presión
del fluido. Algunos medidores por presión diferencial son:
− Medidor placa-orificio
− Tobera
− Tubo Venturi
− Tubo Pitot
• Área variable (Rotámetros): Este tipo de medidores se caracterizan por una

variación de área que se produce entre un elemento primario en movimiento, el
cual generalmente es un flotador que varía su posición de manera proporcional al
flujo del fluido, y el cuerpo del medidor. El caudal dependerá del peso específico
del fluido, la sección interna del medidor y de la viscosidad del fluido. 2
• De acuerdo a la velocidad del fluido: Dentro de los medidores de flujo a partir de

la velocidad se resalta el medidor de turbina, el cual se compone principalmente
de un rotor que es movido directamente por el fluido, el medidor toma la velocidad
de giro del rotor y la traduce en una lectura de caudal, la velocidad de giro del
rotor será directamente proporcional al valor del caudal3.
• Medición de flujo por frecuencia: Este principio de medición de la variable caudal

se basa en la determinación de la frecuencia de una serie torbellinos
2 Ibid, p.143.
3 Ibid, p.156.
26
(proporcionales a la velocidad de flujo) producidos por una hélice estática situada
dentro de la tubería por la cual pasa el fluido. Generalmente la detección de la
frecuencia de los torbellinos se realiza con sensores de presión piezoeléctricos4.
1.2.4 Medidores de flujo másicos. La medición del flujo másico puede ser
efectuada a partir de una pedida volumétrica compensada con variaciones de
densidad del fluido, o bien, determinada directamente del caudal de masa,
aprovechando características medibles de la masa del fluido. Dentro de este tipo de
medidores se resaltan los siguientes:
• Medidor tipo coriolis: Estos dispositivos permiten medir directamente el flujo de

masa. Se basa en la medida de la oscilación de una sección de la tubería
(mediante sensores al comienzo y final de la sección) por la cual pasa el fluido y
se toma el cambio de oscilación en términos de tiempo y espacio que se refleja
en la medida directa de la cantidad de fluido que circula por la tubería.
• Medidor térmico: También conocidos como medidores de caudal “Thomas”; el

principio de funcionamiento de este medidor se basa en el aumento de la
temperatura del fluido a medida que pasa por un cuerpo caliente. Está compuesto
de una fuente de alimentación eléctrica que brinda un calor constante en el punto
de medición mediante una resistencia eléctrica y de una serie de
termorresistencias ubicadas puntos paralelos para medir la temperatura del fluido.
Cuando el fluido se encuentre en estado de reposo la lectura de temperatura de
las termorresistencias será idéntica, mientras que al presentarse un flujo se
producirá un delta en la lectura de las temperaturas debido al calor que transporta
el fluido por su paso por el ducto, este delta de temperaturas será traducido por
el medidor en una lectura de caudal; de este modo, a mayor delta de temperatura,
mayor será el caudal del sistema.5
1.3 NIVEL
La medición de nivel consiste en identificar la altura a la que se encuentra la

superficie del líquido o sólido a partir de un punto de referencia.
De acuerdo con el tipo de señal que manejan, se pueden clasificar en:

• Continuos (Análogos): Monitorean la altura en todo momento dentro de un rango
determinado.
• Punto sencillo (Digitales): Presentan la lectura del nivel cuando este alcanza
determinadas alturas.
4 Ibid, p.179.
5 Ibid, p.186.
27
El nivel se puede medir de manera directa o indirecta (basado en otra variable
relacionada de forma directa con el nivel).
1.3.1 Elementos usados para la medición de nivel.
• Medidor de cinta: Se compone de una cinta métrica y una plomada que se

encuentra conectada a uno de los extremos de la cinta. Este tipo de medidor es
utilizado de manera manual en casos en los cuales se desea medir la distancia al
fondo de un tanque.
• Sensor conductivo: Este tipo de medidor se compone de varios electrodos,

ubicados a diferentes alturas, que a medida que son tocados por un fluido o solido
de trabajo entregan una variación de resistencia la cual posteriormente es
traducida en una lectura de nivel. Son medidores indirectos y de múltiples puntos.
• Sensor nuclear: Se compone de un transmisor (en este caso de rayos gama) y un

receptor que cuenta fotones recibidos desde el transmisor, el tanque en el cual se
encuentra debe ser metálico y recubierto de plomo.
• Sensor Flotador: Se compone de un flotador el cual se eleva a medida que

aumenta el nivel. El flotador es un imán y dentro de la guía del flotador se
encuentran sensores tipo “reed switch” que detectarán la presencia del flotador,
detectando de esta forma un valor determinado de nivel.
• Mirilla de vidrio: Se compone de un lente de vidrio con un fluido interno que

entrega un dato proporcional del nivel de acuerdo con el proceso. La mirilla de
vidrio mide un diferencial de presión del fluido para determinar el nivel.
Imagen 5. Mirilla de vidrio
Fuente: INDIAMART. [sitio web]. Bimco

level glass indicator. [Consulta: 5 septiembre
2018]. Disponible en: https://www.indiama
rt.com/prodetail/level-glassindicator1167635
2962.html.
28
• Sensor por burbujeo: Se compone principalmente de un tubo de alimentación, un
medidor de presión y una fuente de alimentación neumática, mide el nivel de
manera indirecta basado en la presión necesaria para producir burbujeo en el
fondo de un tanque, en este caso el medidor traduce la presión hidrostática
ejercida por la columna de fluido presente en el tanque en una lectura de nivel (a
mayor presión hidrostática mayor será el nivel del fluido).
• Sensor ultrasónico: Se compone de un transmisor de ondas que se encuentra

generalmente en la parte superior del tanque, este realiza medición indirecta del
nivel a partir de la medición del tiempo de recorrido de la onda producida, a mayor
tiempo de recorrido menor será el nivel del tanque.
1.4 PRESIÓN
Se define como la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa
dicha fuerza.
• Presión en líquidos La presión en el interior de un fluido se conoce como presión

hidrostática y esta se encuentra determinada por el peso que ejerce la columna
del propio fluido.
• Presión en gases: La presión en los gases es originada por el choque de sus

moléculas con las paredes del recipiente que lo contiene, mientras más moléculas
choquen mayor será la presión. La presión de un gas está directamente
relacionada con su volumen y su temperatura.
1.4.1 Instrumentos de medición de presión.
• Medidor de tubo Bourdon: Es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi
completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo,
este tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora,
por un sector dentado y un piñón.
29
Imagen 6. Tubo Bourdon
Fuente: SAPIENSMAN. [sitio web].

Dispositivos de control y medida de la
presión. [Consultado: 5 septiembre
2018]. Disponible en: http://www.sapi
ensman.com/neumatica/neumatica34
.htm.
• Barómetro
• Manómetros
• Medidores piezoeléctricos, extensiométricos, capacitivos, magnéticos
• Vacuómetro de McLeod
• Medidor de diafragma
1.5 CONTROL
1.5.1 Sistema de control. Es todo aquel sistema en el cual la salida de un proceso

se controla con el fin de obtener un valor o específico o cambiarlo según lo
determine su entrada.
• Sistema de control de lazo abierto: Es aquel en el cuál la entrada del proceso

actúa directamente sobre el controlador para producir el efecto deseado en la
variable de salida, aunque sin comprobar el valor que toma dicha variable.
30
Imagen 7. Sistema de control de lazo abierto
Fuente: elaboración propia
• Sistema de control de lazo cerrado: En estos sistemas de control el controlador

es alimentado con la señal de error, que se define como la diferencia entre la
señal de entrada y la salida, con el fin de reducir el error y llevar a la salida a un
valor conveniente.
Imagen 8. Sistema de control de lazo cerrado
1.5.2 Estrategias de control industrial. Son las encargadas de mantener una

variable controlada con el fin de operar dentro de rangos aceptables y cumplir las
funciones deseadas.
• Control por actuadores en paralelo: En esta estrategia se tienen carios actuadores

asociados a la misma variable manipulada para poder alterar la velocidad de
proceso.
• Control en cascada: Esta estrategia se basa en el diseño de un lazo de control

interno al lazo de control de la variable principal.
• Control anticipado o feed-forward: Es un control que mide las perturbaciones

externad que llegan al sistema y actúa para compensar los errores generados y
que estos no modifiquen la salida.
31
• Control de sobre mando o selectivo: Es aquel que establece un control sobre una
variable principal hasta que otra se vuelve demasiado importante y el selector del
lazo de control pasa a dedicarle la atención.
• Control de gama partida (Split range control): En este tipo de control existe una
única variable controlada y dos o más variables manipuladas que deben tener el
mismo efecto sobre la variable controlada.
• Control por relación: La estrategia por relación controla una variable en proporción
fija con respecto a otra la cual no se controla.
32
2. FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL MÓDULO Y DIAGNÓSTICO DE
COMPONENTES DEL LABORATORIO
2.1 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL MÓDULO
El presente módulo tiene como fin la medición y control de tres variables físicas,
presión, nivel y caudal; se encontrará conformado principalmente por dos tanques
a diferentes alturas, una bomba centrifuga, una estructura y una serie de indicadores
y sensores. El proceso básico que debe cumplir el módulo consiste en permitir a los
estudiantes el establecimiento de lazos de control para cada una de las variables
físicas mencionadas anteriormente; adicionalmente, cada uno de los lazos de
control establecidos debe estar en la capacidad de contrarrestar perturbaciones que
serán impuestas de manera deseada para cada lazo de control, bien sea por el
docente que se encuentre realizando el acompañamiento durante la práctica o por
el mismo estudiante.
El funcionamiento general del lazo de control que se establecerá para la variable

nivel se encontrará dado por el control y medición de la variable a lo largo del
proceso de llenado de dos tanques a diferentes alturas el uno del otro (con ayuda
de una bomba centrífuga) hasta una cota deseada; la perturbación básica en este
caso consistirá en permitir una fuga en el tanque superior, lo cual modificará
constantemente su nivel, con el fin de mantener el nivel en el tanque, el control
establecido debe actuar sobre la bomba para que esta compense la variación.
El lazo de control para la variable caudal ser realizará a lo largo de la tubería que
llevará el fluido de trabajo del tanque inferior al tanque superior, el control se
realizará con la ayuda de un sensor el cual debe regular la velocidad de giro de la
bomba centrífuga con el fin de regular el caudal a un valor deseado; la perturbación
de este lazo de control se dará por la apertura o cierre de una válvula, dicha acción
producirá una variación de caudal y esta variación debe ser contrarrestada mediante
el control del sensor sobre la velocidad de giro de la bomba.
La medición y control de la variable presión será realizada de forma adyacente al

proceso de medición de nivel y caudal, contando con un tanque sometido a presión
de aire comprimido proveniente de la red neumática del laboratorio, su lazo de
control debe ser capaz de llevar y mantener el tanque en una presión dada, la
perturbación en este caso se establecerá mediante la apertura de una válvula
reguladora que permitirá el escape de aire, el lazo de control debe ser capaz de
contrarrestar la perturbación y mantener la presión en el valor de consigna.
Finalmente, los procesos realizados en el módulo con cada una de las variables
físicas podrán ser visualizados por medio de un entorno grafico desarrollado con la
ayuda del software LabView permitiendo un alto nivel de interacción entre estudiante
y módulo.
33
2.2 EVALUACIÓN DE COMPONENTES PRESENTES EN EL LABORATORIO
Uno de los valores agregados del proyecto es el máximo aprovechamiento de los

recursos del laboratorio, por esta razón, el primer paso es realizar un diagnóstico de
elementos que no estén siendo utilizados en ningún tipo de práctica y que podrían
ser útiles para el desarrollo del módulo didáctico. En la presente sección se realizará
la evaluación de dichos elementos mediante tablas de evaluación de equipos, en
las cuales se evalúan las características más importantes del elemento.
2.2.1 Tanques de almacenamiento. Como primer elemento a evaluar se tienen

cuatro tanques, los cuales eran empleados en las prácticas de laboratorio, pero con
el paso del tiempo la práctica se dejó de realizar y los tanques dejaron de ser
utilizados. A continuación, se muestran los resultados del diagnóstico realizado a
cada uno de los cuatro tanques con el fin de evaluar su aplicación en el módulo.
• Tanque 1
Tabla 1. Tanque 1
Característica Si No Descripción
Existe fuga de agua por la parte inferior
Fugas X
del tanque.
No se considera funcional debido a las
fugas que presenta y a la opacidad de
Funcionalidad X
sus paredes que evitan la completa
visualización del proceso.
Se encuentra rayado y cristalizado en
Daños físicos X
algunas secciones.
Imagen 9. Tanque 1
34
• Tanque 2
Tabla 2. Tanque 2
Presenta fisuras que permiten el derrame
Fugas X
del agua.
No cumple con los requisitos funcionales
Funcionalidad X al no tener la capacidad de almacenar
correctamente el fluido.
Daños físicos X Presenta desgaste y algunas fisuras.
Imagen 10. Tanque 2

• Tanque 3
Tabla 3. Tanque 3
Fugas X No se evidencian fugas.
Cuenta con problemas de opacidad por
deterioro del material que impiden la
Funcionalidad X
correcta visualización del proceso que
ocurre dentro del tanque.
Se encuentra rayado y cristalizado en
Daños físicos X
algunas secciones.
A pesar de no presentar fugas, el tanque número tres cuenta con cierto nivel de
deterioro, esto podría afectar la durabilidad y confiabilidad del elemento a medida
que pase el tiempo y el tanque sea usado.
35
Imagen 11. Tanque 3
• Tanque 4
Tabla 4. Tanque 4
Fugas X No se evidencian fugas.
El tanque se encuentra en condiciones
Funcionalidad X adecuadas por lo cual puede ser
evaluada su funcionalidad.
Daños físicos X No presenta daños físicos.
Imagen 12. Tanque 4
36
Como se evidenció en los diagnósticos realizados a cada uno de los tanques, solo
uno de ellos se encuentra en buenas condiciones y podría ser tenido en cuenta
como posible opción para tanque de almacenamiento del fluido de trabajo del
módulo, sin embargo, para ser seleccionado definitivamente debe cumplir con las
restricciones y parámetros del diseño que se establecerán en el capítulo 3.
2.2.2 Bombas. Otros elementos encontrados en el laboratorio fueron cuatro

bombas centrífugas las cuales podrían ser de utilidad para transportar el fluido de
trabajo del tanque inferior al tanque superior del módulo cuando el proceso lo
indicara.
Las bombas presentes en el laboratorio cuentan con: un caudal máximo de 36 l/min

y una altura máxima (H) de 33m, funcionan con un voltaje de 110V AC, a una
frecuencia de 60Hz y cuentan con una potencia de 0.37Kw (Valores de placa).
A continuación, se observan los resultados de las evaluaciones realizadas para

conocer el estado actual de cada una de las bombas centrífugas.
• Bomba 1
Cuadro 1. Inspección y prueba bomba 1

Bombas
Al realizar la prueba funcional no se identificó
Presencia de fugas X
ningún tipo de fuga.
Se identificó la presencia de corrosión interna de
Presencia de
X gran magnitud, durante la prueba funcional el
corrosión
fluido se vio contaminado con dicha corrosión.
Característica Comentario y descripción
Se realizó inspección visual de conexiones del sistema
hidráulico las cuales se hallaron en buen estado.
Inspección visual y
En la prueba funcional se identificó que la bomba se
prueba funcional
encontraba pegada, por lo cual fue necesario manipular el
eje y realizar el despegue de esta; posterior a dicha
operación la bomba cumplió con su función, pero debido a
los niveles de corrosión contaminó el fluido de trabajo.
Estado conexiones Se realizó inspección visual y prueba funcional de las
eléctricas mismas encontrándose en buen estado.
Se presenta contaminación al fluido de trabajo con agentes
Características corrosivos presentes en la bomba.
HSE Se evidencia riesgo eléctrico al trabajar conexiones a 110V
y agua.
37
En términos funcionales, la bomba número uno no se encuentra en condiciones
óptimas de funcionamiento por dos razones principales; la primera razón es la
operación previa de despegue requerida para el funcionamiento de la bomba, la
cual desde un inicio indica un problema en alguno de los elementos móviles de
la misma y la segunda razón (que se considera la fuente del problema
anteriormente mencionado) es la identificación de altos niveles de corrosión en
componentes internos de la bomba, esto afectó gravemente el fluido de trabajo
lo cual es inaceptable para el correcto funcionamiento y prolongación de la vida
útil del módulo y sus componentes.
• Bomba 2

Bombas
Al realizar prueba funcional no se identificó
Presencia de
corrosión
Inspección visual y hidráulico las cuales se hallaron en buen estado.
prueba funcional La bomba pudo operar sin necesidad de realizar alguna
operación previa a su puesta en marcha, sin embargo, se
identificaron altos niveles de contaminación al fluido de
trabajo como producto de la corrosión interna que presenta.
y agua.
Aunque en términos funcionales la bomba número dos no requirió de una

operación previa para su funcionamiento, si se identificó contaminación del fluido
del trabajo en gran magnitud, esto, como se ha mencionado anteriormente es un
factor que no se puede tolerar debido al impacto que representa para cada uno
de los componentes del módulo y ambientalmente para el fluido de trabajo.
38
• Bomba 3

Bombas
Al realizar prueba funcional no se identificó
Presencia de
corrosión
hidráulico las cuales se hallaron en buen estado.
Inspección visual y
prueba funcional
eje y realizar el despegue de esta, posterior a dicha
eléctricas mismas siendo funcionales, aunque contando con un nivel
de deterioro considerable.
y agua.
El estado de la bomba número tres presenta las mismas características

mencionadas en la bomba número uno y adicionalmente su conexionado
eléctrico se encuentra deteriorado, implicando un mayor nivel de riesgo.
• Bomba 4

Bombas
Si No Descripción
Presencia de fugas Al realizar prueba funcional no se identificó
X
ningún tipo de fuga
Presencia de Se identificó la presencia de corrosión interna de
corrosión X gran magnitud, durante la prueba funcional el
39
Cuadro 4. (Continuación)
Bombas
Inspección visual y Se realizó inspección visual de conexiones del sistema
prueba funcional hidráulico las cuales se hallaron en buen estado.
eje y realizar el despegue de esta, posterior a esta
Características Se presenta contaminación al fluido de trabajo con agentes
HSE corrosivos presentes en la bomba.
Se evidencia riesgo eléctrico al trabajar conexiones a 110V
y agua.
Finalmente, en la bomba número cuatro se identifica nuevamente el problema

de corrosión de sus componentes internos, en los demás aspectos la bomba
opera de manera adecuada.
Imagen 13. Estado del fluido
bombeado
De acuerdo a la anterior evaluación se puede evidenciar que, aunque las bombas

lograron ser funcionales y llevar el fluido de un punto a otro, existen factores que las
descalifican. El primer factor es el impacto ambiental, inmediatamente se empezó a
realizar la operación de bombeo del fluido, este se vio afectado, tomó tonalidad
marrón y quedó con una gran cantidad de partículas en suspensión (como se
observa en la imagen 13), lo anterior reduce la cantidad de veces que puede ser
40
utilizada el agua, debido a que al estar contaminada puede ir afectando las líneas
de flujo o los instrumentos usados para la medición y control, por lo cual se tendría
un mayor gasto del recurso hídrico y un alto nivel de afectación al mismo; el segundo
factor y no menos importante es el aspecto de seguridad para los estudiantes que
operen el módulo, las bombas operan con un voltaje de 110V y existe un alto riesgo
eléctrico al operar con agua, teniendo en cuenta que el personal de operación se
encuentra en un proceso de aprendizaje, de acuerdo a lo anterior se recomienda
realizar un completo aislamiento de las conexiones eléctricas o realizar el cambio
de la bomba por una que trabaje a un menor voltaje y de esta manera mitigar el
riesgo.
2.2.3 Estructuras. La estructura es un componente esencial para el módulo, está

encargada de brindar soporte a cada uno de los dispositivos que lo conforman de
manera ordenada y funcional. En el laboratorio se encontraron cuatro estructuras
que podrían ser de gran utilidad para la conformación del módulo didáctico, con el
fin de corroborar su estado y su aplicabilidad se realizó el diagnóstico mediante un
procedimiento de inspección visual obteniendo los siguientes resultados. En la
imagen 14 se muestra la geometría básica de las estructuras encontradas.
Imagen 14. Estructuras
• Estructura 1
Tabla 5. Estructura 1
Estructura Si No Descripción
No hay evidencia de grietas o
Daños físicos X
deformaciones.
Cuenta con medidas y características
Funcionalidad X
adecuadas.
Corrosión X Se encuentra libre de corrosión.
41
La estructura número uno es funcional y adicionalmente no presenta evidencia
de uso inadecuado o deterioro, logrando ser útil para el desarrollo del módulo
didáctico.
• Estructura 2
No hay evidencia de grietas o
Daños físicos X
deformaciones.
Funcionalidad X
adecuadas.
Presenta inicios de corrosión, aunque en
Corrosión X
proporciones mínimas.
La estructura número dos en términos generales se encuentra en buen estado

por lo cual solo se recomienda, en caso de ser utilizada para el módulo, realizar
una limpieza general y mantenimiento para evitar el avance de la corrosión
identificada.
• Estructura 3
No se evidencia ninguna grieta o daño
Daños físicos X
físico alguno.
Funcionalidad X
adecuadas.
El material de la estructura se encuentra
Corrosión X
en buen estado.
La estructura número tres al igual que la número uno es funcional y adicionalmente

no presenta evidencia de uso inadecuado o deterioro, logrando ser útil para el
desarrollo del módulo didáctico si así se desea.
• Estructura 4
La estructura número cuatro, como se muestra en la evaluación realizada en la
tabla 8, no presenta ningún tipo de daño físico, se encuentra libre de corrosión y
funcionalmente cumple con las características necesarias para evaluar
aplicabilidad en el módulo didáctico.
42
No se evidencia ninguna grieta o daño
Daños físicos X
físico alguno.
Funcionalidad X
adecuadas.
Corrosión X Se encuentra libre de corrosión.
Al realizar el diagnostico de las cuatro estructuras se determina que se encuentran

en buenas condiciones, el deterioro identificado es mínimo, casi nulo, por lo cual se
recomienda simplemente realizar limpieza general de las mismas. Teniendo en
cuenta el buen estado de las estructuras se concluye que serán tenidas en cuenta
para el desarrollo del módulo, sin embargo, posteriormente se evaluará si se
requiere de alguna modificación a las mismas bien sea por razones estructurales
(resistencia de la estructura) o funcionales.
2.2.4 Electroválvulas. En el laboratorio se encontraron una serie de

electroválvulas que podrían ser de utilidad para regular y controlar flujo, ya sea para
permitir el llenado del tanque inferior o para drenar el tanque superior, haciendo que
el fluido de trabajo retorne al tanque inferior.
Las electroválvulas encontradas tienen como referencia 2W-160-15, normalmente

cerradas, 2/2 (2 vías/2 posiciones) y su voltaje de operación es de 110VAC. A
continuación, se evalúa el estado de cada electroválvula:
• Electroválvula 1
Tabla 9. Electroválvula 1
Característica Tipo de prueba realizada Descripción y comentario
Cierre del paso del fluido de No se identifica presencia
Presencia de fugas
trabajo. de fugas durante la prueba.
El solenoide cumple con su
Funcionalidad del Conexión a red a 110VAC función y es energizado con
solenoide para energizar solenoide. normalidad para permitir o
restringir el paso del fluido.
Las conexiones son
funcionales, sin embargo,
Estado de Inspección visual y conexión
en la inspección visual se
conexiones a red a 110VAC para
identifica deterioro de
eléctricas verificar funcionalidad.
estas, por tal razón se
recomienda su cambio.
43
En términos operativos la electroválvula uno se encuentra en óptimas
condiciones, pero teniendo en cuenta el aspecto de seguridad, para poder ser
implementada en el módulo, se recomienda realizar cambio de su conexionado
eléctrico debido a su alto nivel de deterioro, como se evidencia en la imagen 15.
Imagen 15. Electroválvula 1

Electroválvula Tipo de prueba realizada Descripción y comentario
Cierre del paso del fluido de No se identificó presencia
Presencia de fugas
solenoide para energizar solenoide. normalidad para permitir y
Sus conexiones funcionan,
Estado de Inspección visual y conexión pero se requiere realizar la
conexiones a red a 110VAC para adaptación para conectar la
eléctricas verificar funcionalidad electroválvula de manera
segura.
44
Para poder realizar la prueba de esta válvula se realizó una adaptación de la
conexión eléctrica de manera temporal, en términos operativos la válvula se
encuentra en condiciones óptimas por lo cual podría ser usada en los nuevos
módulos siempre y cuando se realice la correcta adaptación de la conexión
eléctrica.

Cierre del paso del fluido de No se identificó presencia
Presencia de fugas
solenoide para energizar el solenoide. normalidad para permitir o
Estado de Inspección visual y conexión Sus conexiones funcionan
conexiones a red a 110VAC para – Se evidencia buen estado
eléctricas verificar funcionalidad. físico de estas.
De acuerdo con las pruebas realizadas, la electroválvula tres se encuentra en

buenas condiciones por lo cual se considera puede ser tenida en cuenta para
ser utilizada en el módulo.
En términos operativos la electroválvula cuatro se encuentra en óptimas
condiciones, pero teniendo en cuenta el aspecto de seguridad y para poder ser
implementada en el módulo, se recomienda realizar cambio de su conexionado
eléctrico debido a su alto nivel de deterioro, como se evidencia en la imagen 18.
45
Llenado de tanque superior No se identificó presencia
Presencia de fugas
en condiciones operativas de fugas durante la prueba
solenoide para energizar el solenoide normalidad para permitir y
Operativamente las
conexiones funcionan, pero
Estado de Inspección visual y en la inspección visual se
conexiones conexión a red a 110VAC identifica deterioro de
eléctricas para verificar funcionalidad estas, por lo cual se
recomienda realizarles
mantenimiento.
En general, el estado de las electroválvulas encontradas en el laboratorio es bueno

por lo cual se recomienda tener en cuenta las recomendaciones individuales antes
de ser tenidas en cuenta; adicionalmente, en términos de seguridad sería importante
poder cambiar el solenoide de las válvulas para que pasen de operar a 110V a
operar con 24V, teniendo en cuenta que el fluido de trabajo es agua, lo cual
representa un riesgo que podría ser mitigado con este cambio.
2.2.5 Medidores de Nivel. Como último elemento, se encontraron en el

laboratorio unos medidores de nivel tipo interruptor flotador (reed switch) que
podrían ser considerados para el módulo didáctico. Por esta razón se procedió a
realizar la inspección de estos con el fin de validar su condición tanto física como
funcional.
Con el objeto de evaluar el aspecto físico, se verificó el estado de sus componentes

y conexionado eléctrico, en cuanto al aspecto funcional, se realizó una prueba de
46
continuidad con la ayuda de un multímetro con el finde verificar que los sensores
indicaran la posición de nivel alto y de nivel bajo.
Dentro de los sensores encontrados todos funcionan bajo el mismo principio de

funcionamiento, sin embargo, en el presente documento se clasificarán en dos
grupos diferenciados básicamente por su color (con el fin de brindar una fácil
identificación) y su rango de medición. Los medidores clasificados como medidor de
color negro cuentan con un rango de medición de 23cm y los clasificados como
medidor de color gris con un rango de medición de 19cm. En la imagen 19 se
observan los dos tipos de medidores.
Imagen 19. Sensores de nivel encontrados en

el laboratorio
A continuación, se realiza la evaluación para cada uno de los medidores de nivel

encontrados:
2.2.5.1 Medidores de nivel de color negro
Cuadro 5 Medidor de nivel de color negro número 1

Medidores de nivel Buena Mala Descripción
Las conexiones eléctricas se
Conexión X encuentran en buen estado física y
funcionalmente.
Funcionalidad
El medidor cuenta con todos sus
Estado X componentes y no se evidencia
físico deterioro de estos.
47
Medidores de nivel Descripción
Si No
Se realiza prueba de continuidad con
Indica nivel alto X ayuda de un multímetro, evidenciando
su correcto funcionamiento.
Indica nivel bajo X ayuda de un multímetro, evidenciando
Fuente: elaboración popia
Cuadro 6. Medidor de nivel de color negro número 2

Conexión encuentran en buen estado física y
X funcionalmente.
Funcionalidad
Si No

funcionalmente.
Funcionalidad
Si No
48
Si No

funcionalmente.
Funcionalidad
Estado
X componentes y no se evidencia
físico
deterioro de estos.
Si No
ayuda del multímetro, pero se
Indica nivel bajo X identifica que el “reed switch”
encargado de indicar el nivel bajo no
identifica la posición del flotador.
De acuerdo a la información presentada en los cuadros anteriores, se identificó la

completa funcionalidad de tres de los cuatro sensores clasificados como sensores
de nivel de color negro, dependiendo de los parámetros y requerimientos
funcionales que se identifiquen en el capítulo 3, se determinará el uso de alguno de
estos sensores en el módulo didáctico.
2.2.5.2 Medidores de nivel de color gris
Cuadro 9 Medidor de nivel de color gris número 1

Funcionalidad Conexión X encuentran en buen estado física y
funcionalmente.
49
Estado
físico
deterioro de estos.
Si No
Cuadro 10. Medidor de nivel de color gris número 2

funcionalmente.
Funcionalidad
Estado
físico
deterioro de estos.
Si No
ayuda de un multímetro, pero se
identifica que el “reed switch”
Indica nivel bajo X
encargado de indicar el nivel bajo se
encuentra desfasado, indica el nivel
más arriba de lo que debería.

funcionalmente
Funcionalidad
Estado
físico
deterioro de estos.
50
Si No
ayuda de un multímetro, pero se
Indica nivel bajo X identifica que el “reed switch”
encargado de indicar el nivel bajo no
identifica la posición del flotador.

encuentran en buen estado física y
Conexión X funcionalmente.
Funcionalidad
Estado componentes y no se evidencia
físico X deterioro de estos.
Si No
Indica nivel alto ayuda de un multímetro, evidenciando
X su correcto funcionamiento.
Indica nivel bajo ayuda de un multímetro, evidenciando
X su correcto funcionamiento.
Luego de las inspecciones y pruebas realizadas se puede asegurar que dos de los
cuatro sensores de nivel clasificados como sensores de color gris se encuentran en
óptimas condiciones, de acuerdo a esto y dependiendo de los parámetros y
requerimientos funcionales que se identifiquen en el capítulo 3, se determinará el
uso de alguno de estos sensores en el módulo didáctico.
2.3 RESUMEN DEL DIAGNÓSTICO REALIZADO
Como se observó en las secciones previas del presente capítulo, dentro de los
componentes encontrados algunos se consideraron en buen estado y funcionales,
mientras que otros no, con el fin de brindar un vistazo general de los resultados del
proceso de evaluación llevado a cabo se muestra el siguiente cuadro resumen:
51
Cuadro 13. Resumen del diagnóstico realizado
Considerado
Componente funcional Razón principal
Si No
Tanque 1 X Presenta daños físicos y fugas.
Se encuentra en buenas condiciones, sin
Tanque 4 X embargo, se pondrá en consideración su uso con
base en los requerimientos del siguiente capítulo.
No se tendrá en cuenta principalmente por los
altos niveles de corrosión presentes que pueden
Bomba 1 X
afectar negativamente el proceso y los demás
componentes del módulo.
Bomba 2 X
Bomba 3 X
Bomba 4 X
Estructura 1 X Se encuentra en condiciones operativas.
Estructura 2 X Se encuentra en condiciones operativas
Cumple operativamente, sin embargo, se
Electroválvula
X recomienda cambiar el solenoide por uno cuyo
1
funcionamiento sea a 24VDC.
Electroválvula
2
Electroválvula
3
Electroválvula
4
52
Considerado
Componente funcional Razón principal
Si No
Indica el nivel alto y bajo de manera correcta,
Sensor de
X adicionalmente se encuentra físicamente en
nivel negro 1
buenas condiciones
Sensor de
nivel negro 2
buenas condiciones
Sensor de
nivel negro 3
buenas condiciones
Sensor de Se descarta su uso debido a que no indica nivel
X
nivel negro 4 bajo
Sensor de
nivel gris 1
buenas condiciones
Sensor de Se descarta su uso debido a que no indica nivel
X
nivel gris 2 bajo
Sensor de X Se descarta su uso debido a que no indica nivel
nivel gris 3 bajo
Sensor de
nivel gris 4
buenas condiciones
53
3. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS FUNCIONALES DEL
EQUIPO
En presente capítulo se establecerán y definirán todos los parámetros y

requerimientos que deben ser tenidos en cuenta a la hora de realizar el diseño del
módulo didáctico, estos parámetros han sido establecidos directamente como
requerimiento del laboratorio de automatización e instrumentación y control de
procesos.
3.1 PARÁMETROS Y RESTRICIONES DE DIMENSIONAMIENTO
Las restricciones y pautas en cuanto a dimensionamiento del módulo respectan

serán las siguientes:
• Dimensionamiento Estructural: Como se evidenció en la sección destinada a la

evaluación de los componentes encontrados en el laboratorio, se encontraron
cuatro estructuras que fueron evaluadas con el fin de considerar su uso. Las
estructuras fueron encontradas en buenas condiciones, razón por la cual se
utilizarán como base de diseño para el módulo (el diseño se encontrará
restringido por las dimensiones que brinda la estructura). En el presente
documento se plantea el diseño de un solo módulo y debido a que todas las
estructuras se encuentran en buen estado y tienen las mismas dimensiones se
plantea que en caso de construcción del módulo se podrá seleccionar cualquiera
de las estructuras encontradas.
• Tanques: De acuerdo al parámetro anterior los tanques de almacenamiento del

módulo deben aprovechar al máximo el espacio que brinda la estructura
encontrada y de este modo contener el máximo volumen posible de fluido de
trabajo, aunque sin sobredimensionarse; adicionalmente no deben representar
ningún tipo de interferencia u obstáculo a la hora de realizar las lecturas y/o
mediciones de la variable nivel y permitir la completa visualización del proceso
al estudiante. De acuerdo a lo anterior, ninguno de los tanques evaluados en el
capítulo anterior cumple con los requisitos mínimos para ser parte del módulo.
3.2 PARÁMETROS Y RESTRICCIONES DEL SISTEMA DE PRESIÓN
La presión total de la red neumática con la que cuenta el laboratorio de

automatización es de 90 psi; por efectos de seguridad y debido a que el módulo
será manipulado por estudiantes que se encuentran en su proceso de
familiarización con diversos de los elementos que se encuentran en el módulo y en
el laboratorio en general (existencia de riesgo de realizar malas conexiones que
pueden resultar en accidentes), la presión de trabajó del módulo se encontrará por
debajo del 50% de la presión total de la red neumática, teniendo un rango de presión
de trabajo entre los 35 – 45 psi.
54
3.3 PARAMETROS Y REQUERIMIENTOS PARA LA VARIABLE NIVEL
Los requerimientos para la variable nivel están regidos por los factores que se
muestran en la tabla 13, en la cual se exponen características correspondientes al
sistema para medición de nivel, al fluido de trabajo, el tipo de medición
(analógica/digital) y de la ubicación del sensor.
Tabla 13. Parámetros de nivel

Cualidad Valor Descripción
Esta será la distancia de medición
aproximada entre puntos para el
Distancia de medición
20-30 cm proceso de medición, teniendo en
entre puntos
cuenta las medidas de la estructura.
El sensor debe estar en la capacidad
de realizar mediciones teniendo como
Trabajo con agua No aplica
fluido de trabajo agua.
Se debe aprovechar al máximo el
Dado por la espacio que brinda la estructura para
Tamaño de tanques
estructura la ubicación y diseño de los tanques.
Para este módulo se requiere un
sensor análogo y uno digital para la
Medición de señal Análogo/Digital medición en puntos específicos y a lo
largo del tanque.
Debe estar situado en un lugar que
Ubicación del sensor evite bloqueos e interferencias al
No aplica
momento de la medición.
3.4 REQUERIMIENTOS PARA LA VARIABLE CAUDAL
El caudal que será manejado en el módulo estará restringido principalmente por el

tiempo de llenado del tanque superior, el cual debe encontrarse en un rango de
entre 30 – 60 segundos, este tiempo es proporcionado como requisito por parte del
laboratorio de automatización para permitir que la interacción módulo-estudiante
sea adecuada, logrando la visualización del proceso sin que este sea demasiado
rápido o por el contrario sea lento y genere dispersión del estudiante.
3.5 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL DEL MÓDULO
La programación y conexionado para el monitoreo y control del módulo debe ser

adaptable tanto para el PLC, el cual cuenta con 14 entradas digitales y 10 salidas
análogas, como para la tarjeta de adquisición de datos de National Instruments, la
cual cuenta con 5 entradas digitales, 5 salidas digitales, 5 entradas análogas y 4
salidas análogas, elementos con los que cuenta el laboratorio de automatización.
55
Adicionalmente, se debe tener en cuenta que los sensores o instrumentos
seleccionados para el envío de señales hacia el PLC deben enviar una señal digital
de 0 a 10V y que la señal de los sensores o instrumentos que interactúen con la
tarjeta de adquisición de datos puede ser análoga o digital, siempre y cuando se
encuentre en un rango de 0 a 10V.
3.6 REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS
Como recomendación se tiene que los elementos del módulo deberían trabajar a
una tensión de 24VDC para mitigar el riesgo eléctrico que se presenta al ser agua
el fluido de trabajo. Adicionalmente, el conexionado eléctrico debe realizarse con
cable AWG 22, las especificaciones para este tipo de cable pueden observarse en
el anexo A.
56
4. PLANTEAMIENTO Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Previo al diseño del módulo es indispensable evaluar diferentes alternativas que se

pueden encontrar, en este caso, para la forma en la cual se realizará la medición y
control de cada una de las variables físicas presentes en los procesos del módulo,
para ello se tomarán los tipos de medición que más se ajusten al proceso
dependiendo de la variable a medir y se empleará un método que permita identificar
los atributos de cada alternativa mediante escalas numéricas con el fin de
seleccionar la mejor; para esto, en el presente capítulo se empleará el método
“Scoring” el cual permite la identificación de alternativas de solución a partir de un
valor ponderado obtenido como resultado de la calificación de cada atributo, siendo
la calificación mayor aquella alternativa a seleccionar.
Dentro del proceso de selección de las alternativas para cada variable física, hay
que tener en cuenta que los procesos que se llevarán a cabo en el módulo son
procesos de aprendizaje en condiciones de laboratorio y no en condiciones
industriales reales, lo anterior representa un parámetro fundamental a tener en
cuenta como filtro de selección para las alternativas planteadas debido a que
muchos de los métodos de medición existentes pueden llegar a ser muy robustos o
simplemente ineficientes para las condiciones que se manejarán en el módulo.
Por otro lado, es importante resaltar que para la variable nivel se realizarán dos
procedimientos de selección, uno para la medición de tipo analógica y otro para la
medición de tipo digital (con el objeto de cumplir con el requerimiento establecido
en el capítulo tres para la variable nivel), mientras que para las variables presión y
caudal solo se requerirá de un único proceso de selección.
4.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE NIVEL
La medición de la variable nivel es de gran importancia en diversos procesos

industriales permitiendo el monitoreo y control de la altura de un fluido o sólido de
trabajo, con el fin de asegurar el buen desarrollo del proceso o incluso servir de
protección para equipos como lo son bombas, calderas, entre otros.
Para el funcionamiento del módulo es importante la medición y control de esta

variable debido a que permite la toma de decisión por parte del sistema partiendo
de la lectura de nivel del fluido de trabajo; adicionalmente ayuda con la protección
de diversos elementos que hacen parte del equipo.
A continuación, se realiza la selección de cada tipo de medición (analógica y digital)

mediante el uso del método “Scoring “. Como alternativas para medición de nivel
analógica se tendrán en cuenta las siguientes:
• Medición de nivel por capacitancia: Este tipo de medición tiene como principio
de funcionamiento el perteneciente a los condensadores eléctricos (dos placas
57
separadas por un fluido dieléctrico), en este caso el condensador es formado por
un electrodo y el tanque, cuando el tanque es conductor eléctrico, o en caso de
que el tanque no sea conductor es formado entre dos electrodos y el fluido
dieléctrico estaría representado por el fluido de trabajo o fluido a medir. La
medición de nivel se da de manera indirecta al medir las variaciones del valor
admitancia del circuito, lo cual se verá traducido en una lectura de nivel.
• Medición de nivel tipo burbujeo: El principio de este proceso se basa en la

medición de la variación en el valor de la presión hidrostática ejercida por la
columna de fluido a medir, lo cual puede ser traducido en un cambio de nivel.
Los equipos que conforman un proceso de medición de tipo burbujeo
generalmente son tubo sumergido (por el cual se da el paso aire para producir
el burbujeo) en el fluido de trabajo, un rotámetro con regulador de caudal
constante y un manómetro de fuelles o un transductor de presión en el cual se
realizará la lectura de la presión de aire en la tubería, es decir, el nivel6.
• Medición de nivel por ultrasonidos: La medición de la variable nivel por

ultrasonidos se basa en la estimación del tiempo de viaje de ondas ultrasónicas
entre un emisor y un receptor (generalmente ubicados en la parte superior del
tanque), estas ondas son reflejadas en el fluido de trabajo y lo que realmente se
mide en este proceso es el tiempo de viaje de las ondas desde el emisor hasta
el receptor, este tiempo se traduce con la ayuda de un transductor en nivel,
conociendo la geometría del tanque (a mayor tiempo de viaje de las ondas,
menor nivel tendrá el tanque)7.
• Medición de tipo radar: La medición de nivel de tipo radar o también conocida

como medición por microondas se basa en una emisión continua de ondas
electromagnéticas cuya frecuencia se encuentra en un intervalo cercano a los
10GHz, su funcionamiento parte del envío de las microondas desde la parte
superior del tanque hacia la superficie del fluido de trabajo, parte de la energía
emitida se refleja en la superficie del líquido retornando al sensor, por último el
tiempo de viaje de las microondas es traducido en un valor de nivel en el tanque8.
Conocidas las alternativas para el proceso de “Scoring”, el siguiente paso consiste

en definir los atributos a evaluar para cada una de las alternativas: Facilidad en la
instalación o de adaptación de la alternativa al proceso del módulo, capacidad de
trabajo con agua y en ambientes húmedos, capacidad de medición entre puntos de
20-30cm entre puntos, costo y probabilidad de bloqueo del sistema. Los atributos
anteriormente mencionados y su correspondiente peso ponderado son establecidos
directamente por el laboratorio de automatización de acuerdo a sus requerimientos;
la calificación que se asignará a cada atributo dependerá de las características de
6 CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. 7 ed. México.: Marcombo S.A, 2010. p.202. ISBN 10:
8426716687
7 Ibid, p.215
8 Ibid, p.217
58
cada tipo de medición y se establecerá un rango de 1 a 5, siendo 1 el no
cumplimiento del requisito y 5 el total cumplimiento de este.
A continuación, se muestran los criterios de calificación para cada tipo de atributo y

se procede con el proceso de evaluación.
Tabla 14. Atributo de facilidad en la instalación para nivel

Facilidad en la instalación
Valor Característica
Requiere de equipos y elementos especiales,
1 adaptaciones y conocimientos específicos para su
instalación.
Se requiere de equipos o elementos especiales y
2
adaptaciones para su instalación.
Son necesarias adaptaciones al tanque para su
3
instalación.
4 Se requiere un soporte para instalar el sensor.
Ensamblado sencillo sin necesidad de elementos o
5
herramientas especiales adicionales.
Tabla 15. Atributo de capacidad de trabajo con agua y/o en ambientes

húmedos
Capacidad de trabajo con agua y/o ambientes húmedos

1 Se requiere una protección especial contra el agua.
2 No trabaja con agua, buena resistencia ante humedad.
Presenta limitaciones en el trabajo con agua y/o ante
3
humedad.
Los medidores de dicha clasificación cuentan con un
4
nivel de protección IP65.
Los medidores de dicha clasificación cuentan con un
5
nivel de protección superior IP65.
Tabla 16. Atributo de rango de medición

Capacidad de medición entre puntos de 20-30cm
1 No permite medición entre puntos de 20-30cm
5 No permite medición entre puntos de 20-30cm
59
Tabla 17. Atributo de costo
Costo
1 Mayor a 250.000
2 200.000 - 250.000
3 150.000 - 200.000
4 100.000 - 150.000
5 50.000 - 100.000
Tabla 18. Atributo de probabilidad de bloqueo del sistema

Probabilidad de bloqueo del sistema
1 80% - 100%
2 60% - 80%
3 40% - 60%
4 20% - 40%
5 0% - 20%
Tabla 19. Evaluación de atributos medición de nivel analógica

Medición Medición Medición Medición
Atributo Peso Capacitiva por burbujeo ultrasónica tipo radar
Facilidad de
A. 20% 3 1 4 4
instalación.
Capacidad de
trabajo con
B. agua y/o en 30% 4 4 4 4
ambientes
húmedos.
Capacidad de
medición
C. 20% 5 5 5 1
entre puntos
de 20-30cm.
D. Costo. 20% 3 3 4 1
Probabilidad
E. de bloqueo 10% 4 3 5 4
del sistema.
Total 100% 19 16 22 16
60
Tabla 20. Ponderación de atributos medición de nivel analógica
Medición Medición Medición Medición
Atributo Peso Capacitiva por burbujeo ultrasónica tipo radar
Facilidad de
A. 20% 0,6 0,2 0,8 0,8
instalación.
Capacidad de
trabajo con
B. agua y/o en 30% 1,2 1,2 1,2 1,2
ambientes
húmedos.
Capacidad de
medición entre
C. 20% 1 1 1 0,2
puntos de 20-
30cm.
D. Costo. 20% 0,6 0,6 0,8 0,2
Probabilidad
E. de bloqueo del 10% 0,4 0,3 0,5 0,4
sistema.
Total 100% 3.8 3,3 4.3 2,8
Como resultado del proceso de selección se puede observar que el tipo de medición
que mejor cumple con los requisitos y se adapta a las condiciones de trabajo
exigidas el proceso a llevar a cabo en el módulo es la “Medición ultrasónica”, por lo
cual, a partir de esta se realizará el diseño del proceso de medición para la variable
nivel de tipo analógica y se seleccionará el sensor a utilizar para el establecimiento
del lazo del correspondiente lazo de control.
Como alternativas para medición de nivel digital se tienen:
• Medición de punto sencillo por “reed switch” o por flotador: Este tipo de medición
funciona bajo el principio de desplazamiento; ya sea de tipo reed switch o de tipo
flotador, este tipo de medición se basa en la elevación que da el fluido de trabajo
a un elemento flotante que, al llegar a determinado punto, para el caso del reed
switch, con ayuda de un imán identificará la posición y para el caso de flotador,
cerrará o abrirá un contacto que indicará el nivel requerido.
• Medición por conductividad o resistencia: Para este tipo de medición se requiere

de uno o más electrodos con diferentes longitudes, los cuales en sus extremos
cuentan con un material que al ser tocado con algún líquido lo suficientemente
conductor, genera una señal traducida en una lectura puntual del nivel de fluido9.
9 Ibid, p.211.
61
• Medición por oscilación: Este tipo de medición es bastante sencillo, consiste en
mantener un elemento oscilando de manera constante, una vez el elemento ha
entrado en contacto con el fluido de trabajo la frecuencia de oscilación cambiará
por el aumento de la densidad del entorno en el cual se encuentra, anunciando
de este modo un cambio en el nivel al cual se encuentra el fluido de trabajo.
A continuación, se realizará el método de Scoring para seleccionar la mejor

alternativa, cabe resaltar que los atributos y criterios de calificación serán los
mismos utilizados para la selección del tipo de medición de nivel analógica.
Tabla 21. Evaluación de atributos medición de nivel digital

Medición Medición por Medición
Atributo Peso por Conductividad de punto
vibración sencillo
A. Facilidad de instalación. 20% 3 3 3
Capacidad de trabajo con
B. agua y/o en ambientes 30% 4 4 5
húmedos.
Capacidad de medición 20%
C. 5 5 5
entre puntos de 20-30cm.
D. Costo. 20% 3 3 5
Probabilidad de bloqueo
E. 10% 3 4 3
del sistema.
Total 100% 18 19 21
Tabla 22. Ponderación de atributos medición de nivel digital

Medición Medición
Medición por
Atributo Peso por de punto
Conductividad
vibración sencillo
A. Facilidad de instalación. 20% 0.6 0.6 0.6
Capacidad de trabajo con 30%
B. agua y/o en ambientes 1.2 1.2 1.5
húmedos.
Capacidad de medición
C. 1 1 1
entre puntos de 20-30cm.. 20%
D. Costo. 20% 0.6 0.6 1
Probabilidad de bloqueo
E. 0.3 0.4 0.3
del sistema. 10%
Total 100% 3.7 3.8 4.4
62
Al realizar la ponderación de cada uno de los atributos se obtiene que el tipo de
medición de punto sencillo por reed switch o flotador obtiene el mayor valor
ponderado, siendo esta la mejor alternativa para el proceso de medición digital.
4.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE CAUDAL
Para el correcto funcionamiento del módulo es fundamental el proceso de medición

y control de caudal debido a que esta variable regulará la velocidad de llenado de
los tanques que hacen parte del módulo y adicionalmente forma parte de una de las
variables principales de uno de los lazos de control como lo es el lazo de control de
caudal. Los tipos de medición escogidos para el proceso de scoring fueron los
siguientes:
• Medición de caudal por velocidad angular: Este tipo de medición generalmente

se realiza en equipos compuestos por un rotor principal que gira al ser chocado
por el fluido de trabajo, en este caso la medición se realiza en términos de la
velocidad de giro del rotor representado mediante pulsos que serán traducidos
en caudal, la velocidad angular del rotor tendrá una relación directamente
proporcional al caudal del proceso.
• Medición de caudal por frecuencia: Este tipo de medición se lleva a cabo

ubicando un elemento en forma de vértice dentro de la tubería por la cual pasa
el fluido de trabajo, dicho elemento tiene la función de producir torbellinos a
medida que el flujo pasa por el mismo, el proceso de medición continúa al ubicar
un medidor de frecuencia justo después del elemento que produce los
torbellinos, dicho medidor traducirá la frecuencia con la cual se producen los
torbellinos para finalmente representarla en una medición del caudal del
proceso, esta frecuencia será directamente proporcional al caudal del proceso.
A continuación, se procede a realizar la evaluación de los tipos de medición

mediante el método de scoring teniendo en cuenta los atributos necesarios para
escoger a nivel cuantitativo y cualitativo la mejor opción.
Tabla 23. Atributo de facilidad de instalación para caudal

Requiere de equipos y elementos especiales,
1 adaptaciones y conocimientos específicos para su
instalación.
Se requiere de equipos o elementos especiales y
2
adaptaciones para su instalación.
Son necesarias adaptaciones al tanque para su
3
instalación.
4 Se requiere un soporte para instalar el sensor.
63
Tabla 23. (Continuación)
Ensamblado sencillo sin necesidad de elementos o
5
herramientas especiales adicionales.
Tabla 24. Atributo de pérdida de carga

Pérdida de carga
1 Alta
2 Media
3 Baja
4 Muy baja
5 Ninguna
Tabla 25. Atributo de material de fabricación

Material anticorrosivo
1 No está fabricado con un material anticorrosivo.
5 Está fabricado con un material anticorrosivo.

Costo
1 250.000 - 300.000
2 200.000 - 250.000
3 150.000 - 200.000
4 100.000 - 150.000
5 50.000 - 100.000
Tabla 27. Atributo de probabilidad de bloqueo del sistema

Probabilidad de bloqueo del sistema
1 80% - 100%
2 60% - 80%
3 40% - 60%
4 20% - 40%
5 0% - 20%
64
Tabla 28. Scoring para medición de caudal
Medición por Medición por velocidad
Atributo Peso
frecuencia angular
Facilidad de
A. 20% 3 5
instalación
B. Perdida de carga 30% 2 1
Material
C. 20% 5 5
anticorrosivo
D. Costo 20% 2 4
Bloqueo en el
E. 10% 3 4
sistema
Total 100% 17 19
Tabla 29. Ponderación scoring para medición de caudal

Medición por Medición por velocidad
Atributo Peso frecuencia angular
Facilidad de
A. 20% 0.6 1
instalación
B. Perdida de carga 30% 0.6 0.3
Material
C. 20% 1 1
anticorrosivo
D. Costo 20% 0.4 0.8
Bloqueo en el
E. 10% 0.3 0.4
sistema
Total 100% 2.9 3.5
Con base en los resultados obtenidos se selecciona el tipo de medición por

velocidad angular al obtener el mayor valor ponderado, siendo la misma el tipo de
medición más adecuada para cumplir con los requerimientos del módulo.
4.3 SELECCIÓN DEL TIPO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE PRESIÓN
El proceso de medición y control de presión en el módulo didáctico es de gran

importancia para permitir una adecuada interacción con el estudiante, se debe llevar
a cabo el proceso utilizando el tipo de medición adecuada, que permita la correcta
lectura y manipulación de la variable y adicionalmente brinde seguridad a lo largo
del proceso para todo el personal que manipule el equipo.
65
A continuación, se muestran las alternativas postuladas para la medición de la
variable presión, del mismo modo se hará uso del método “Scoring” con el fin de
seleccionar la alternativa más adecuada.
• Medición mediante diafragma: Consiste en la unión de una o varias capsulas de

geometría circular que se conectan la una a la otra por soldadura; en este
principio de medición a medida que se aplica una presión sobre las cápsulas, se
produce cierta deformación y por consiguiente un desplazamiento, la suma de
estos desplazamientos se amplifica por medio de un juego de palancas, las
cuales serán las encargadas de mostrar la lectura de presión del proceso.10
• Medición mediante un material piezoeléctrico: Este tipo de medición tiene como

principio de funcionamiento el efecto de polarización de un material, este
fenómeno se produce solo en determinados materiales, en especial cristales, los
cuales al ser sometidos a un esfuerzo adquieren una polarización eléctrica lo
cual resulta en una diferencia de potencial, esta señal eléctrica posteriormente
se transformará con la ayuda de un transductor a una lectura de presión
determinada.11
Tabla 30. Atributo de facilidad en la instalación para presión

Requiere de equipos y elementos
1 especiales, adaptaciones y conocimientos
específicos para su instalación.
Se requiere de equipos o elementos
2 especiales y adaptaciones para su
instalación.
Son necesarias adaptaciones al tanque
3
para su instalación
Se requiere un soporte para instalar el
4
sensor.
Ensamblado sencillo sin necesidad de
5 elementos o herramientas especiales
adicionales.
10Ibid, p.93.
11PALLAS ARENY, Ramón. Sensores y acondicionadores de señal. 4 ed. Barcelona.: Marcombo.
2003.p474. ISBN 9788426713445.
66
Tabla 31. Sensibilidad del instrumento
Sensibilidad
1 16.1 – 20 mV/KPa
2 12.1 – 16 mV/KPa
3 8.1 – 12 mV/KPa
4 4.1 – 8 mV/KPa
5 0.01 – 4 mV/KPa
Tabla 32. Atributo de capacidad de medición de hasta 60 psi

Capacidad de medición de hasta 60 psi
1 No permite medición de hasta 60 psi.
5 Permite la medición de hasta 60 psi.
Tabla 33. Precisión en la medición

Precisión en la medición
1 >4%- <5%
2 >3%- <4%
3 >2%- <3%
4 >1%- <2%
5 <=1%

Costo
1 400.001 - 500.000
2 300.001 - 400.000
3 200.001 - 300.000
4 100.001 - 200.000
5 0 - 100.000
67
Tabla 35. Scoring para medición de presión
Medición por
Medición por
Atributo Peso material
diafragma
piezoeléctrico
A. Facilidad de instalación. 20% 5 5
B. Sensibilidad. 10% 3 4
C. 20% 5 5
hasta 45 psi.
D. Precisión. 20% 4 4
E. Costo. 30% 3 3
Total 100% 20 21
Tabla 36. Ponderación de atributos del scoring para medición de presión
Medición por
Medición por
Atributo Peso material
diafragma
piezoeléctrico
A. Facilidad de instalación. 20% 1 1
B. Sensibilidad. 10% 0.3 0.4
C. 20% 1 1
hasta 45 psi.
D. Precisión. 20% 0.8 0.8
E. Costo. 30% 0.9 0.9
Total 100% 4 4.1
De acuerdo con los resultados obtenidos, se escoge el tipo de medición por material
piezoeléctrico, siendo esta la alternativa que mejor cumple con las características
necesarias y mejor se adapta al proceso que se llevará a cabo para la medición y
control de la variable presión en el módulo didáctico.
68
5. DISEÑO DEL MÓDULO DIDÁCTICO
En el presente capítulo se realizará el diseño para cada uno de los sistemas que
conforman el módulo didáctico, cabe resaltar que durante el desarrollo del diseño
de cada sistema se tendrán en cuenta los parámetros y restricciones establecidos
en el capítulo número tres. En la imagen 20 se muestra el bosquejo del diseño
general que se plantea para el módulo didáctico con el fin de brindar un mayor
entendimiento de lo expuesto en las siguientes secciones del presente capítulo.
Imagen 20. Bosquejo de diseño para módulo didáctico
Fuente: elaboración propia con base en Solid Edge ST9
5.1 DISEÑO DE TANQUES DEL MÓDULO
Como se evidenció en el capítulo número tres, ninguno de los tanques encontrados

en el laboratorio cumple con los parámetros funcionales para ser usado en el
módulo, por esta razón, en la presente sección se procede a realizar el diseño de
los tanques que se encargarán de almacenar el fluido de trabajo durante los
procesos de medición y control de las variables nivel y caudal.
Un parámetro fundamental para el diseño de los tanques es el material del cual se

construirán, para este caso, el material seleccionado será acrílico por diversas
ventajas que dicho material presenta, como lo son: una adecuada resistencia
mecánica para el proceso a llevar a cabo, nivel de transparencia apropiado que
69
permite la visualización del proceso por parte del estudiante, es un material liviano
lo cual ayuda a reducir el peso del tanque y por consiguiente el peso que soportará
la estructura, cuenta con una excelente resistencia química que ayuda a reducir su
nivel de deterioro y evitar corrosión, finalmente, es un excelente aislante eléctrico
gracias a su elevada constante dieléctrica. En el Anexo B se encuentran expuestas
algunas de las propiedades del acrílico comparadas con otros materiales.
5.1.1 Diseño tanque inferior. A pesar de que un tanque rectangular requiere

mayor cantidad de material a la hora de su fabricación comparado con un tanque
cilíndrico de la misma capacidad y que su resistencia estructural es menor, en este
caso es de utilidad debido al aprovechamiento del espacio de la estructura que este
permite.
El diseño del tanque inferior tiene como base las dimensiones que brinda la
estructura en la cual se encontrará ubicado, buscando el máximo aprovechamiento
de dicho espacio, de acuerdo a esto se plantean las siguientes medidas:
Imagen 21. Dimensiones tanque inferior
Fuente: elaboración propia con base en Solid

Edge ST9
Altura (H) = 32 cm = 0.32 m

Largo (L) = 40 cm = 0.4 m
Ancho (B) = 25 cm = 0.25 m
Con base en las medidas anteriores y teniendo en cuenta la normativa ASME para
recipientes sujetos a presión, sección Vlll, división 1, se procede a calcular el
espesor mínimo que debe tener el tanque para soportar las cargas previstas durante
el almacenamiento del fluido de trabajo el cual se encuentra dado por la ecuación
número uno. Es importante resaltar que este tipo de normativas generalmente
hacen uso de factores de conversión dentro de sus ecuaciones, esto con el fin de
70
reducir la longitud de las mismas y brindar practicidad en los procedimientos de
cálculo, por esta razón al ingresar los valores iniciales a la ecuación número uno no
se cumple el análisis dimensional de la misma; teniendo en cuenta lo anterior, el
procedimiento de cálculo debe ser realizado exclusivamente en unidades del
sistema inglés para asegurar la obtención de resultados confiables.
Ecuación 1. Espesor tanque inferior

√𝛼𝐻0,036𝐺
𝑡 = 2,45𝐿
𝑆
Fuente: AMERICAN SOCIETY
MECHANICAL ENGINEERS. Boiler
& pressure vessel code. Section Vlll
Division 1. New York.: ASME, 2015.
p.184.
Donde:
t = Espesor de placa (in)
L= Longitud del tanque (in)
H = Altura del tanque (in)
α = Factor dependiente de la altura y la longitud del tanque.
G = Gravedad específica del fluido.
S = Valor de esfuerzo máximo admisible a tensión del material (psi)
A continuación, se procede a realizar el cálculo:

Inicialmente se convierten las medidas a las unidades requeridas en la fórmula.
1𝑖𝑛
𝐿 = 0,4 𝑚 ( ) = 15,75 𝑖𝑛
0,0254𝑚
1𝑖𝑛
𝐻 = 0,32𝑚 ( ) = 12,60 𝑖𝑛
0,0254
Luego se procede a calcular el valor de α:
𝐻 12,60
= = 0,8
𝐿 15,75
Conocida la relación entre la altura y la longitud del tanque se procede a usar la

gráfica 1 para obtener el valor de α.
Obteniendo que α = 0,014
Adicionalmente, la gravedad específica del fluido de trabajo (agua) es igual a:

G=1
71
Conocidos todos los factores se procede a calcular el espesor mínimo del tanque:
√(0,014)(12,60𝑖𝑛)0,036(1)
𝑡 = 2,45(15,75𝑖𝑛) ( ) = 0,049 𝑖𝑛
(6.290𝑝𝑠𝑖) 12
25,4𝑚𝑚
𝑡 = 0,049 𝑖𝑛 ( ) = 1,25 𝑚𝑚
1𝑖𝑛
Gráfica 1. Valores de α en las fórmulas para tanques rectangulares
Fuente: AMERICAN SOCIETY MECHANICAL ENGINEERS. Boiler & pressure

vessel code. Section Vlll Division 1. New York.: ASME, 2015. p.183.
Según la norma, para tanques apoyados en toda su superficie, el espesor de su

base podrá ser el mismo que el de las paredes, siendo este el caso, se opta por
tomar el mismo espesor.
Como resultado, se obtuvo un espesor mínimo para las paredes y base del tanque
de 1.25mm, sin embargo, por términos de facilidad comercial del material, se
selecciona un espesor de lámina de 3mm.
Adicionalmente, no se realiza el cálculo de “elementos atiesadores” para el tanque

debido a que la normativa plantea que solo se realizará cálculo de estos para taques
con volúmenes superiores a 30 pies cúbicos de capacidad.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐻 ∗ 𝐿 ∗ 𝐵
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = (0,32𝑚 ∗ 0,34𝑚 ∗ 0,25𝑚)
3
35,3147𝑓𝑡 3
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 0,0272 𝑚 ( ) = 0,96 𝑓𝑡 3 < 30 𝑓𝑡 3
1𝑚3
12 Ver anexo B
72
Por último con ayuda de la siguiente ecuación se procede a realizar el cálculo de la
presión y las fuerzas máximas a las cuales se encontrarán sometidas las paredes
del tanque (encontrándose completamente lleno) con el fin de caracterizar su
comportamiento.
Ecuación 2. Fuerza sobre una pared rectangular
ℎ
𝐹𝑅 = ( )𝐴
2
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6
ed. México.: Pearson Education, 2006. p.87.
ISBN 0130618853
Donde:
 = Peso específico del fluido
h = Altura del fluido en la pared
A = Área total de la pared
• Fuerza en la pared comprendida entre B y H
𝐾𝑔 𝑚 0,32𝑚
𝐹𝑅 = ((998,56 3
∗ 9,81 2 ) ) (0,32𝑚 ∗ 0,25𝑚)
𝑚 𝑠 2
𝐹𝑅 = (1567,34 𝑃𝑎 )(0,112 𝑚2 )
𝐹𝑅 = 175,54 𝑁
• Fuerza en la pared comprendida entre L y H
𝐾𝑔 𝑚 0,32𝑚
𝐹𝑅 = ((998,56 ∗ 9,81 ) ) (0,32𝑚 ∗ 0,40𝑚)
𝑚3 𝑠2 2
𝐹𝑅 = (1567,34 𝑃𝑎 )(0,128 𝑚2 )
𝐹𝑅 = 200,62 𝑁
Como se observa, la máxima fuerza que soportarán las paredes del tanque será
de 200, 62 N.
5.1.2 Diseño tanque superior. A diferencia del tanque inferior, el tanque superior
tendrá geometría cilíndrica por requerimiento del laboratorio de automatización.
Como requerimiento adicional se tiene que el tanque debe contar con una tubería
interna que permita el drenado del fluido de trabajo de vuelta al tanque inferior, en
caso de superarse el caudal máximo esperado, esto con el fin de evitar cualquier
tipo de sobrellenado del tanque que puede llegar a afectar componentes del módulo
u otros elementos del laboratorio.
73
En este caso la resistencia del tanque se calculará con base en la teoría de tanques
a presión expuesta en el libro de diseño de ingeniería mecánica de Shigley,
partiendo de los siguientes valores:
Imagen 22. Dimensiones tanque superior
Fuente: elaboración propia con base en

Solid Edge ST9
Diámetro tanque = 20 cm = 0,2m

Altura del tanque = 30 cm = 0,3m
Espesor de pared del tanque = 3mm = 3x10-3m
Diámetro tubería de vaciado de emergencia = 1 in = 2,54 cm = 0,0254m
Altura tubería vaciado de emergencia = 24 cm = 0,24 m
El primer paso en el proceso de diseño consiste en evaluar la relación entre el

espesor y el radio interno del tanque, la cual debe ser menor a un vigésimo, para
proceder a realizar el cálculo mediante la teoría de recipientes de pared delgada.
Espesor = t = 3x10-3m
Radio externo = ro = 0,1 m
Radio interno = ri = ro – t = 0,1m – 3x10-3m = 0,097m
Ecuación 3. Relación entre espesor y radio interno

𝑡
𝑟𝑖
Fuente: BUDYNAS, Richard G y NISBETT. J.
Keith. Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.
8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008. p.108. ISBN-
10: 9701064046
74
𝑡 3𝑥10−3 𝑚 3 1
= = <
𝑟𝑖 0,097𝑚 97 20
Como se observa, el espesor del tanque es menor a un vigésimo de su radio por lo

cual es correcto realizar el cálculo de los esfuerzos a los cuales se encontrará
sometido el tanque mediante la teoría de recipientes de pared delgada; a
continuación, se calculará la presión máxima a la cual se encontraría sometido el
tanque (evento en el cual estuviese completamente lleno de agua) y posteriormente
se calcularán los esfuerzos tangencial y longitudinal a los cuales se encontraría
sometido.
Ecuación 4. Presión a partir de la altura de un fluido
𝑃 = ∗𝑔∗ℎ
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed.

México.: Pearson Education, 2006. p.55. ISBN
0130618853
Donde:
 = Densidad del fluido
g = Valor de la gravedad
h = Altura del fluido
P = (998,56 kg/m3) (9,81m/s2) (0,3m)

P = 2938,76 Pa
Cálculo de esfuerzos tangenciales:
Ecuación 5. Esfuerzo tangencial promedio

𝑃𝑑𝑖
𝜎𝑡 (𝑝𝑟𝑜𝑚) =
2𝑡
10: 9701064046
Donde:
P = Presión del tanque
di = Diámetro interno del tanque
t = Espesor del tanque
𝑃𝑑𝑖 (2938,76 𝑃𝑎)(2(0,097𝑚))

𝜎𝑡 (𝑝𝑟𝑜𝑚) = = = 95.019,9 𝑁/𝑚2
2𝑡 (2)(3𝑥10−3 𝑚)
75
Ecuación 6. Esfuerzo tangencial máximo
𝑃(𝑑𝑖 + 𝑡)
𝜎𝑡 (𝑚𝑎𝑥) =
2𝑡

10: 9701064046
𝑃(𝑑𝑖 + 𝑡) (2938,76 𝑃𝑎)((2)(0,097𝑚) + (3𝑥10−3 ))

𝜎𝑡 (𝑚𝑎𝑥) = = = 96.489,28 𝑃𝑎
2𝑡 2(3𝑥10−3 )
Cálculo de esfuerzo longitudinal:
Ecuación 7. Esfuerzo longitudinal

𝑃𝑑𝑖
𝜎𝑙 =
4𝑡
10: 9701064046
𝑃𝑑𝑖 (2938,76𝑃𝑎)(2(0,097𝑚))
𝜎𝑙 = = = 47.509,95 𝑃𝑎
4𝑡 (4)(3𝑥10−3 )
Finalmente se realiza la comparación de los esfuerzos obtenidos con el límite de

fluencia (σy) del material, en este caso acrílico.
σy = 64,8 MPa 13
σ prom = 95019,9Pa < 64,8MPa

σ max =96489,28 Pa < 64,8MPa
σ l = 47509,95 Pa < 64,8MPa
Con base en lo anterior se corrobora que, al no superar el límite de fluencia del

material, el tanque tiene la capacidad de soportar satisfactoriamente los esfuerzos
producidos sin que sufra ningún tipo de deformación.
Una vez confirmado el diseño del tanque se procede a calcular el caudal mínimo
que se debe bombear para cumplir con el requerimiento de tiempo de llenado (30s
< Tiempo de llenado < 60s), este valor será fundamental en la siguiente sección
correspondiente a la selección de la bomba.
13 Fuente: MATWEB. [sitio web]. Matweb material property data. [Consulta: 10 abril 2019]. Disponible en:
http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?bassnum=O1303&ckck=1
76
Ecuación 8. Caudal a partir del volumen y tiempo
𝑉
𝑄=
𝑡
ISBN 0130618853
Donde:
V = Volumen del tanque (m3) (Será igual al volumen total del tanque menos el
volumen de la tubería de vaciado).
t = Tiempo de llenado máximo permitido (s)
(𝜋 ∗ (0,1𝑚)2 ∗ 0,3𝑚) − (𝜋 ∗ (0,0127𝑚)2 ∗ 0,24𝑚)

𝑄=
60𝑠
9,2878𝑥10−3 𝑚3
𝑄= = 1,55𝑥10−4 𝑚3 /𝑠
60𝑠
Con el objeto de confirmar que la tubería de vaciado de emergencia es capaz de

cumplir la función de drenar el fluido de trabajo en caso de superar la cota máxima
admisible en el tanque, se realizará la comparación del tiempo que toma drenar 6cm
de agua por la tubería (altura desde la parte superior del tanque hasta la tubería)
con el tiempo que toma llenar dicho espacio bombeando el caudal máximo
admisible.
El tiempo que toma drenar los 6cm de agua se calculará a partir de la siguiente
ecuación:
Ecuación 9. Tiempo de vaciado por acción de la gravedad
𝐴𝑙
2 (𝐴𝑗)
⁄2
𝑡2 − 𝑡1 = ∗ (ℎ1 1 − ℎ21/2 )
√2𝑔
0130618853.
Donde:
t2 -t1 = Tiempo de drenaje
Al = Sección transversal tanque del acrílico
Aj = Sección transversal tubería de vaciado de emergencia
h1 = Diferencia de altura
h2 = Punto de referencia
77
Previo al cálculo del tiempo de drenaje se calculan las secciones transversales del
tanque y de la tubería.
𝐴𝑙 = 𝜋 ∗ (𝑟𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 )2 = 𝜋 ∗ (0.097𝑚)2
𝐴𝑙 = 0,02946 𝑚2
El diámetro de la tubería es extraído del Anexo C.

𝐴𝑗 = 𝜋 ∗ 𝑟𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 2 = 𝜋 ∗ (0.01424𝑚)2
𝐴𝑗 = 6,37𝑥10−4 𝑚2
Una vez calculados los valores de las áreas transversales se procede a calcular el
tiempo que le toma a la tubería de 1 pulgada drenar 6cm de agua.
0.02946 𝑚2
2( )
6,37𝑥10−4 𝑚2
𝑡2 − 𝑡1 = ∗ (√0,06𝑚 − √0𝑚)
𝑚
√2 ∗ (9.81 2 )
𝑠
𝑡2 − 𝑡1 = 5,1 𝑠
El tiempo requerido para drenar los 6cm entre la parte superior del tanque y el borde
del tubo es de 5,1 segundos, ahora se procederá a calcular el tiempo que toma
llenar el espacio de 6cm con el máximo caudal admisible del proceso (caudal para
llenar el tanque en 30 segundos). Para realizar el cálculo de máximo caudal
admisible del proceso se utiliza nuevamente la ecuación 8, teniendo en cuenta que
el volumen será igual al volumen total del tanque menos el volumen de la tubería de
vaciado:
𝑉 (𝜋 ∗ (0,1𝑚)2 ∗ 0,3𝑚) − (𝜋 ∗ (0,0127𝑚)2 ∗ 0,24𝑚)

𝑄= =
𝑡 30𝑠
𝑄 = 3,1𝑥10−4 𝑚3 /𝑠
El tiempo que toma llenar dicha sección del tanque se calculará de la siguiente
manera transformando la ecuación 8.
𝑉 (0,02926𝑚2 )(0,06𝑚)
𝑡= =
𝑄 3,1𝑥10−4 𝑚3 /𝑠
𝑡 = 5,7 𝑠
Como se observa el tiempo de drenaje es menor al tiempo de llenado a un caudal

máximo el cual se considera como el peor escenario, por lo tanto, se puede afirmar
que la tubería de vaciado de emergencia cumplirá con su función.
78
• Tapas para el tanque: Las tapas del tanque no se realizarán del mismo material
y espesor que sus paredes debido a la necesidad de acoplar la tubería de
alimentación del fluido de trabajo y los elementos de medición en la tapa superior
del tanque y acoplar la tubería de drenaje de emergencia, una tubería para
drenaje deseado y una tubería para provocar el efecto de perturbaciones en la
tapa inferior. Adicionalmente, el material seleccionado no debe permitir la fuga
de agua ni generar corrosión alguna. Por lo tanto, el material seleccionado para
las tapas del tanque será polietileno UHMW o también conocido como Empack,
debido a las excelentes propiedades del mismo, que le permiten el cumplimiento
de los requisitos mencionados.
En cuanto a la tapa del tanque superior esta contará con tres agujeros, uno de
ellos será un agujero roscado pasante para realizar el acople del sensor de nivel
tipo flotador, los otros dos serán agujeros pasantes sin rosca, uno de ellos para
introducir la tubería que llevará el fluido de trabajo y el otro, para ubicar el sensor
de tipo ultrasónico, adicionalmente la tapa cuenta con una pestaña que permite
el acople del cuerpo tanque con la tapa y una sección destinada a un o-ring que
asegurará el sello entre tanque y tapa (El o-ring seleccionado se muestra en el
anexo D).
La geometría de la tapa superior se muestra en la imagen 23 y sus medidas

exactas se muestran en el anexo V en su correspondiente plano.
Imagen 23. Tapa superior

tanque superior
Fuente: elaboración propia con

base en Solid Edge ST9
La tapa inferior al igual que la superior contará con tres agujeros roscados
pasantes, en este caso, uno de los agujeros se encontrará destinado a la tubería
de vaciado de emergencia del tanque, el segundo se utilizará para ubicar una
tubería para vaciado deseado y el ultimo estará destinado a ubicar la tubería
para el establecimiento de la perturbación en el lazo de control de nivel; al igual
que la tapa superior cuenta con una pestaña que permite el acople del cuerpo
tanque con la misma y una sección destinada a un o-ring que asegurará el sello
79
entre tanque y tapa. La geometría de la tapa inferior se muestra en la imagen 24
y sus medidas exactas se muestran en el anexo V en su correspondiente plano.
Imagen 24. Tapa inferior tanque superior
Fuente: elaboración propia con base

en Solid Edge ST9
5.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE PRESIÓN
5.2.1 Elementos del laboratorio con posible utilidad en el sistema de presión.

Una vez más, buscando el máximo aprovechamiento de los recursos del laboratorio,
se han identificado tres tanques tipo extintor adaptados en su parte superior con
elementos que permiten realizar mediciones de presión, actualmente los tanques
no están siendo utilizados en ninguna de las prácticas que se llevan a cabo en el
laboratorio, por esta razón se plantea evaluar la posibilidad de usarlos para el
sistema de presión del módulo didáctico.
Imagen 25. Tanque

tipo extintor
Fuente: Elaboración
propia
80
La configuración básica de los sistemas encontrados consiste en un tanque tipo
extintor con una adaptación en su parte superior mediante racores que permite
realizar diferentes conexiones de entrada o salida de aire a presión, adicionalmente
cuenta con una válvula de alivio de presión, una válvula para entrada/salida de aire
que permite regulación, dos conexiones para entrada/salida de aire sin regulación y
una conexión roscada que permite la instalación de algún elemento adicional si se
desea. En la imagen 25 se observa el sistema encontrado en el laboratorio.
5.2.2 Comprobación de resistencia de los tanques tipo extintor. Antes de

poder determinar si el sistema encontrado es apropiado para el proceso que se
llevará a cabo en el módulo, se requiere comprobar que el mismo soportará las
cargas establecidas por el aire a presión manejado, para esto se tomará como base
de cálculo las pautas establecidas en la norma NTC 652 en la cual se establecen
parámetros de diseño para los tanques tipo extintor.
Previo al cálculo, es necesario conocer algunos aspectos como la presión máxima

a la cual podría estar sometido el sistema, que en este caso será de 90psi
(620,53KPa) la cual es la presión máxima de la red neumática del laboratorio, la
geometría y dimensiones del tanque (Diámetro = 0,125m, altura = 0,36m, altura del
domo= 0,02m, Espesor de pared= 0,71x10-3m, Tipo de fondo = Plano) y el material
del cual se encuentra fabricado el tanque (Acero soldado).
Con estos parámetros se procederá con el cálculo de esfuerzos tanto de la pared,
como del fondo y del domo del tanque.
Imagen 26. Dimensiones tanque tipo extintor

Edge ST9
81
• Cálculo de esfuerzos en las paredes del tanque: Mediante la ecuación 10
presente en la normativa mencionada, se procede a calcular el esfuerzo máximo
al cual se encontrarán sometidas las paredes del tanque tipo extintor. Como se
observa dicha ecuación tiene relación con la ecuación correspondiente a la
teoría para tanques a presión expuesta en el libro de diseño de ingeniería
mecánica de Shigley, utilizada para el cálculo del tanque superior del módulo.
Ecuación 10. Esfuerzos en paredes de tanque tipo extintor
𝑃𝑑
𝑆=
2𝑡
Fuente: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS
TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Extintores de polvo
químico seco. NTC 652. Bogotá D.C.: El instituto, 2005.
p.4.
Donde:
P = Presión a la cual se encontrará sometido el tanque (Pa)
d= Diámetro interior del tanque (m)
t = Espesor del tanque (m)
S= Esfuerzo en las paredes del tanque (Pa)
𝑃𝑑𝑖 ( 620.530𝑃𝑎)(0,125𝑚 − 2(0,71𝑥10−3 𝑚))
𝑆= = = 51,82𝑥106 𝑃𝑎
2𝑡 (2)(0,71𝑥10−3 𝑚)
= 51,82 𝑀𝑃𝑎
Del cálculo anterior se obtiene que el esfuerzo máximo al cual se encontrarán

sometidas las paredes será de 51,82 MPa.
• Cálculo de esfuerzo en el domo del tanque: Previo a la realización del cálculo

del esfuerzo al cual se encontrará sometido el domo del tanque, con base en la
norma, es importante conocer su geometría, para ello, en la norma se expone
una relación entre el diámetro del tanque y la altura del domo en la ecuación 11,
que permite caracterizar el domo del tanque.
Ecuación 11. Relación de diámetro y altura para determinar el tipo de domo

𝐷
𝑟=
2ℎ
Fuente: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y
CERTIFICACIÓN. Extintores de polvo químico seco. NTC 652. Bogotá D.C.:
El instituto, 2005. p.5.
Donde:
r = Rango del radio
82
D = Diámetro exterior del tanque
h = Altura del domo
𝐷 12𝑐𝑚
𝑟= = =3
2ℎ 2 ∗ 2𝑐𝑚
Con la relación encontrada se procede a ubicar el tipo de geometría del domo

de acuerdo a la siguiente tabla.
Tabla 37. Forma de domo o fondo del cilindro

Rango del radio Forma
1,00 – 1,50 Hemisférica
1,51 – 3,00 Elipsoidal
3,01 – 3,50 Torisférica
Mayor de 3,50 Plana
Fuente: elaboración propia con base en INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS
TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Extintores de polvo químico seco. NTC 652. Bogotá D.C.:
El instituto, 2005. p.4.
Como se observa, al tener una relación igual a 3, la forma del domo será elipsoidal.
Conocida la geometría del domo, de la Imagen 27 se selecciona la fórmula de

cálculo correcta para conocer el esfuerzo máximo en el mismo.
Imagen 27. Formulas para determinación de esfuerzos
Fuente: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y

CERTIFICACIÓN. Extintores de polvo químico seco. NTC 652. Bogotá D.C.: El
instituto, 2005. p.4.
Finalmente, se aplica la ecuación correspondiente al domo elipsoidal que se

muestra en la imagen 27, con el fin de realizar el cálculo correspondiente al esfuerzo
máximo al cual se encontrará sometido el domo.
83
Donde:
P = Presión a la cual se encontrará sometido el tanque (Pa)
S = Esfuerzo en el domo del tanque
D = Diámetro exterior del tanque (m)
t = espesor
𝑃 ∗ 𝐷 620.530𝑃𝑎 ∗ 0,12𝑚
𝑆= = = 52,44𝑀𝑝𝑎
2𝑡 2 ∗ 0,71𝑥10−3 𝑚
Como resultado se obtiene que el esfuerzo máximo que soportará el domo será de
52,44 MPa.
Una vez calculados los esfuerzos máximos a los cuales se encontrará sometido el
tanque, se procede a realizar la comparación de sus valores con los presentados
en la tabla 38, en la cual se establecen los valores de esfuerzo máximo admisibles
dependiendo del material del cual se encuentra fabricado el tanque, según la norma
el valor del esfuerzo máximo calculado para el tanque debe encontrarse por debajo
del 80% del esfuerzo máximo presentado en la tabla.
En este caso el esfuerzo máximo calculado será el del domo (52,44 MPa) y se
procede a comparar dicho valor con el 80% de 186MPa (Esfuerzo máximo para el
material Acero soldado) con el fin de comprobar la resistencia del tanque.
Tabla 38. Esfuerzo máximo permisible para tipos de materiales y procesos de fabricación
Material Esfuerzo máximo (MPa)
Acero unido con bronce 172
Acero soldado 186
Aluminio extraído 6061-T6, 6351-T6 186
Aluminio extraído 3003 110
Fuente: elaboración propia con base INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS
Y CERTIFICACIÓN. Extintores de polvo químico seco. NTC 652. Bogotá D.C.: El instituto,
2005. p.3.
186𝑀𝑃𝑎 ∗ 80% = 148,8 𝑀𝑃𝑎

52,44 𝑀𝑝𝑎 < 148,8 𝑀𝑃𝑎
Como se observa, el esfuerzo máximo al cual se encontrará sometido el tanque es

menor al 80% del esfuerzo máximo admisible por norma, por lo cual, se puede
asegurar que el tanque soportará sin problemas los esfuerzos a los cuales se
encontrará sometido durante el proceso a llevar a cabo en el módulo.
84
5.2.3 Parámetros de funcionamiento del sistema de presión. Con el fin de
conocer los tiempos aproximados de llenado para los tanques tipo extintor, se
realizaron dos pruebas en el laboratorio de automatización, una de ellas sin
perturbación y otra con la presencia de una perturbación. En la presente sección se
explica el procedimiento a seguir en cada prueba y se muestran los resultados
obtenidos.
5.2.4 Prueba a tanque tipo extintor sin perturbación. La prueba realizada sin
la presencia de perturbaciones consistió en conectar el tanque tipo extintor, al cual
se incorporó un manómetro previamente, a la unidad FRL de la red neumática del
laboratorio, verificando inicialmente la no presencia de fugas en el sistema; luego
de esto, se procedió a regular de manera manual la presión a la cual se deseaba
mantener el tanque tipo extintor (presión leída en el manómetro), una vez regulada
la presión se realizó la despresurización del sistema, verificando el completo
vaciado del tanque, finalmente, con presión conocida y regulada, se procedió a
presurizar el sistema y realizar la toma del tiempo que le tomaba llegar a la presión
establecida. En la tabla 39 se muestran los resultados obtenidos de la primera
prueba.
Adicionalmente, con base en los resultados obtenidos de la prueba, se realizó la

construcción de la gráfica 2, la cual permite establecer una aproximación del tiempo
que le toma al sistema llegar hasta una determinada presión.
Tabla 39. Prueba a tanque tipo extintor sin perturbaciones

Presión de la fuente Presión a alcanzar en
Tiempo (s)
(Kgf/cm2) el tanque (Kgf/cm2)
1 0,5 6,43
1,5 1 5,49
2 1,5 6,74
2,5 2 7,13
3 2,5 9,15
3,5 3 11,17
4 3,5 13,59
4,2 4 13,4
85
Gráfica 2. Velocidad de llenado tanque tipo extintor sin perturbaciones
Velocidad de llenado tanque tipo extintor sin

perturbaciones
16
Tiempo de llenado (s)

14
12
10
8
6
4
2
0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Presión a alcanzar (Kgf/cm^2)
5.2.5 Prueba a tanque tipo extintor con perturbación. Debido a que la finalidad
del módulo es el establecimiento de lazos de control capaces de contrarrestar
perturbaciones, es necesario realizar una segunda prueba para brindar una
aproximación del tiempo requerido por el sistema para alcanzar y mantenerse en
un valor de presión específico con la presencia de una perturbación; en este caso
la perturbación se realizará permitiendo el escape de aire de manera controlada en
el tanque tipo extintor, dicho escape se logrará mediante la válvula reguladora con
la que cuenta el tanque tipo extintor en la parte superior.
Con el propósito de conocer el porcentaje de apertura de la válvula se realiza el

conteo del número de giros permitidos de su perilla de apertura desde la posición
“completamente cerrada” hasta la posición “completamente abierta”, obteniendo un
total de 18 giros; para la prueba se planteó establecer una perturbación con el 30%
de la válvula abierta, es decir 5,4 giros.
El procedimiento seguido en la segunda prueba fue exactamente el mismo utilizado

para la primera, con la variación de establecer una apertura del 30% en la válvula
reguladora para permitir el escape de aire y de este modo crear la perturbación
requerida en el sistema. En la tabla 40 se muestran los resultados obtenidos de la
segunda prueba.
Tabla 40. Prueba a tanque de extintor con perturbación

Tiempo (s)
1 0,5 5,64
1,5 1 6,08
86
Tiempo (s)
2 1,5 6,9
2,5 2 8,83
3 2,5 8,03
3,5 3 10,06
4 3,5 12,67
4,2 3,85 17,05
Con base en los resultados obtenidos de la prueba, se realizó la construcción de la

siguiente gráfica que permite establecer una aproximación del tiempo que le toma
al sistema llegar hasta una determinada presión.
Gráfica 3. Velocidad de llenado tanque tipo extintor con perturbación
Velocidad de llenado tanque tipo extintor con

perturbaciones (30%)
20
Tiempo de llenado (s)
15
10
0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 3,85
Presión a alcanzar (Kgf/cm^2)
Como resultado de las pruebas se establecieron las dos gráficas mostradas

anteriormente, estas gráficas permiten establecer una aproximación experimental
del tiempo que le tomará al sistema llegar a una presión establecida, caracterizando
de este modo parte del funcionamiento del sistema.
Adicionalmente, se comprobó durante las pruebas realizadas que la presión máxima

que se puede obtener en el laboratorio de automatización es de 4Kgf/cm2
(Aproximadamente 60 psi), es decir se corrobora que el sistema de tanques a
presión soportará sin ningún problema los esfuerzos a los que se encontrará
sometido.
87
5.2.6 Diagrama básico del sistema de presión. En la imagen 28 se observa el
esquema básico del sistema de presión planteado para el módulo.
Imagen 28. Esquema básico sistema de presión
Fuente: elaboración propia basado en software FluidSIM
Donde:
a) Fuente de alimentación de aire comprimido (Alimenta el sistema con el fluido de
trabajo)
b) Unidad FRL (Ayuda a eliminar impurezas del aire comprimido, regular la presión
de trabajo y lubricar los diferentes elementos neumáticos del sistema)
c) Valvual de paso (Permite la apertura o cierre a partir de la señal enviada por el
controlador de presión)
d) Manómetro (Permite la lectura de la presión a la que se encuentra el tanque)
e) Válvula reguladora de flujo (Permite el establecimiento de perturbaciones en el
lazo de control si se desea)
f) Válvula de seguridad o de alivio (Evita sobrepresiones en el sistema)
g) Sensor – Controlador de presión (Realiza la medición y control de la presión en
el lazo de control)
h) Tanque tipo extintor (Almacena el fluido de trabajo)
i) Valvual de paso (Permite la apertura o cierre a partir de la señal enviada por el
controlador de presión)
El esquema anterior ayuda a brindar un mayor entendimiento de la configuración

básica que se plantea para el sistema de presión, en la sección 5.4.3 se realizará la
selección de los elementos específicos que formarán parte del sistema de presión
con sus respectivas referencias y características principales.
88
5.3 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE BOMBA CENTRÍFUGA
Como se ha mencionado previamente, para el funcionamiento general del módulo

es necesario llevar el agua del tanque inferior al tanque superior; para suplir dicha
necesidad, en la presente sección se realizará el cálculo y selección de una bomba
que cumpla con los requerimientos del proceso y se adapte de la mejor manera al
mismo.
5.3.1 Cálculo de la potencia mínima requerida para la bomba. Inicialmente, en

la imagen 29, se muestra el bosquejo de la situación a la cual se enfrentará la
bomba durante su funcionamiento, incluyendo elementos como lo son tubería y
accesorios que estarán a lo largo del paso del fluido, provocando oposición al flujo
y por consiguiente pérdidas de carga.
Imagen 29. Esquema de pérdidas sistema de flujo
89
En este caso con el fin de conocer la potencia mínima requerida para la bomba
centrífuga se realizará el cálculo de la altura con la que debe contar la bomba,
partiendo del bosquejo mostrado en la imagen 29, el plano hidráulico mostrado en
la imagen 30 y de la ecuación general de la energía, la cual permite calcular
inicialmente las pérdidas generadas a lo largo de la línea de flujo y posteriormente
despejar la altura de la bomba.
Imagen 30. Plano hidráulico del sistema de flujo
Teniendo en cuenta lo anterior, a continuación, se realizará como paso inicial el

cálculo de las pérdidas de carga a lo largo de la línea de flujo.
Ecuación 12. Ecuación general de la energía

𝑉𝐴2 𝑃𝐴 𝑉𝐵2 𝑃𝐵
𝑍𝐴 + + − ℎ𝐿 + ℎ𝐴 = 𝑍𝐵 + +
2𝑔 𝛾 2𝑔 𝛾
ISBN 0130618853.
90
Donde:
ZA = Altura tanque A (m)
VA = Velocidad en punto A (m/s)
g = Valor de la gravedad (9,81m/s2)
hL = Pérdidas de carga (m)
hA = Altura de la bomba (m)
ZB = Altura tanque B (m)
VB = Velocidad en el punto B (m)
PB = Presión en el punto B (m/s)
ɣ = Volumen específico del fluido
De la formula anterior se pueden simplificar los siguientes términos:

• Al tomar como punto de referencia el punto A se cancela el factor ZA debido a
que esta toma valor igual a cero.
• La velocidad en el punto A, a pesar de disminuir el nivel de agua durante la

operación de bombeo debido al tamaño del tanque este término tiende a cero
por lo cual se considera despreciable.
• La presión en el punto A y el punto B serán las mismas al ser tanques abiertos

(no están sometidos a una presión interna propia, la presión que actúa es la
presión atmosférica) por lo cual estas se anulan mutuamente y pueden ser
canceladas de la fórmula.
De acuerdo a lo anterior la fórmula inicial se reduce de la siguiente manera:
𝑉𝐵2
−ℎ𝐿 + ℎ𝐴 = 𝑍𝐵 +
2𝑔
Una vez reducida la ecuación de general de la energía a su mínima expresión, se

procede a conocer cada uno de los términos que la integran para de este modo
calcular el valor de altura de la bomba.
Como consideración previa a la realización de los cálculos es importante mencionar

que el material seleccionado para la tubería de flujo es PVC RDE 9, a partir de esta
referencia se obtendrán valores como diámetro interno y rugosidad que serán de
gran importancia (Anexo C); se selecciona el PVC teniendo en cuenta parámetros
como durabilidad, bajo peso en relación con otros materiales, facilidad de
instalación, buena resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, esta última de
vital importancia para el buen funcionamiento y prolongación de la vida útil de
componentes y del módulo en general.
Teniendo en cuenta lo anterior se procede a realizar el cálculo de cada una las

pérdidas identificadas, en la imagen 29, a lo largo del camino del flujo:
91
a) Pérdida a la salida del tanque inferior: Como base para el cálculo de esta pérdida
se tomará lo expuesto en el libro de mecánica de fluidos de Robert Mott en el cual
se plantea la ecuación adecuada para el tipo de pérdida como se muestra a
continuación.
Ecuación 13. Pérdidas a la salida del tanque
𝑉2
ℎ𝐿 = 𝐾
2𝑔
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos.
6 ed. México.: Pearson Education, 2006.
p.202. ISBN 0130618853.
Donde:
hL = Valor de pérdidas en metros
K = Coeficiente de resistencia
V = Velocidad en el punto de interés
De acuerdo con el diseño planteado la tubería se encontrará proyectada dentro del

tanque, por lo cual el valor del coeficiente de resistencia será igual a 1 (K=1) 14 y la
velocidad del punto de interés se calculará a partir del diámetro interno de la tubería
(16,66mm) y el valor del caudal calculado previamente.
𝑄
𝑉𝑎 =
𝐴
Donde:
Va= Velocidad en el punto “a” (m/s)
Q = Caudal (m3/s)
A = Área de la sección transversal de la tubería (m)
𝑄 1,55𝑥10−4 𝑚3 /𝑠
𝑉𝑎 = =( ) = 0,7101 𝑚/𝑠
𝐴 (𝜋 ∗ (8,33𝑥10−3 )2 )
Una vez conocidos todos los factores, se procede a realizar el cálculo de la pérdida
a la salida del tanque inferior.
(0,7101𝑚/𝑠)2
ℎ𝐿 = (1) = 0,0257 𝑚
2(9,81𝑚/𝑠 2 )
14 MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education, 2006. p.293. ISBN 0130618853.
92
b) Pérdidas en tubería de 1/2”: Para el cálculo de esta pérdida inicialmente se
evaluará el número de Reynolds del flujo presente en el módulo, esto para identificar
la mejor forma de calcular las pérdidas.
Ecuación 14. Número de Reynolds

𝐷𝑉
𝑁𝑅𝐸 =
𝜇
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de
fluidos. 6 ed. México.: Pearson
Education, 2006. p.230. ISBN
0130618853.
Donde:
NRE = Número de Reynolds
D = Diámetro interno de la tubería (m)
V = Velocidad de flujo (m/s)
 = Densidad del fluido (m/s)
µ = Viscosidad del fluido (Pa*s)
El valor de la viscosidad del fluido se obtiene de un nomograma para viscosidades

de fluidos de la siguiente manera.
De la tabla de coordenadas del nomograma (Anexo E) se obtienen las coordenadas

dependiendo del fluido de trabajo, en este caso Agua.
Coordenadas para el Agua: X10,2; Y12
Una vez obtenidas las coordenadas se procede a ubicar el punto respectivo y a

trazar una línea desde el eje de la temperatura (Ubicando la respectiva temperatura
a la cual se encuentra el fluido) que pase por la coordenada ubicada y hasta el punto
de corte del eje de viscosidades del nomograma, este punto de corte final
corresponderá al valor de viscosidad en centipoises (Ver Anexo E).
µ = 0,85 Centipoise
µ = 0,85 * 0,001= 8,5x10-4 Pa * s
Una vez conocido el valor de la viscosidad se procede a calcular el número de

Reynolds. (Si NR<2000 régimen laminar, 2000<NR<4000 régimen transitorio,
NR>4000 régimen turbulento)
(0,0166𝑚)(0,7101𝑚/𝑠)(998,56𝐾𝑔/𝑚3 )
𝑁𝑅𝐸 = = 13.847,86 (𝑇𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜)
(8,5𝑥10−4 𝑃𝑎 ∗ 𝑠)
93
Caracterizado el tipo de régimen, se procede a calcular la pérdida de carga
mediante la ecuación de Darcy-Weisbach, la cual permite el cálculo de la pérdida
de carga producida por la fricción en una tubería.
Ecuación 15. Ecuación de Darcy-Weisbach

𝐿 𝑉2
ℎ𝐿 = 𝑓 ∗ ∗
𝐷 2𝑔
fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education,
2006. p.233. ISBN 0130618853.
Donde:
hL = Pérdida de carga (m)
f = Factor de fricción
L = Longitud de la tubería (m)
V = Velocidad de flujo (m/s)
g = Valor de la gravedad (m/s2)
Previo al cálculo de la pérdida por fricción en la tubería es necesario conocer el valor

del factor de fricción (f), este se obtiene a partir de la ecuación 17, conociendo los
valores de rugosidad relativa de la tubería (Ecuación 16) y número de Reynolds
previamente calculado.
Ecuación 16. Rugosidad relativa

𝐷
𝜀𝑅 =
𝜀
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica
de fluidos. 6 ed. México.: Pearson
Education, 2006. p.235. ISBN
0130618853.
Donde:
εR = Rugosidad relativa
ε = Rugosidad de la tubería / material (m)
(0,0166𝑚)
𝜀𝑅 = = 11.066,67
(1,5𝑥10−6 𝑚) 15
15 Anexo C
94
Obtenidos los valores correspondientes al número de Reynolds y la rugosidad
relativa de la tubería, se procede a utilizar la ecuación 17 con el fin de hallar el valor
correspondiente al factor de fricción como se muestra a continuación.
Ecuación 17. Factor de fricción para flujo turbulento

0,25
𝑓=
1 5,74 2
(log (3,7𝜀 + ))
𝑅 𝑁𝑅 0,9
0130618853.
Donde:
ER = Rugosidad relativa
NR = Número de Reynolds
0,25
𝑓= 2
1 5,74
(log ( + ))
3,7(11.066,67) (13.847,86)0,9
𝑓 = 0,0285
Del procedimiento de cálculo se obtiene un valor para el factor de fricción de 0,0285

y finalmente se procede a calcular la pérdida de carga con ayuda de la ecuación de
Darcy-Weisbach como se muestra a continuación.
(1,4𝑚) (0,7101𝑚/𝑠)2
ℎ𝐿 = (0,0285) ∗ ∗
(0,0166𝑚) 2(9,81𝑚/𝑠 2 )
ℎ𝐿 = 0,0618𝑚
c) Pérdidas en codos de 1/2”: Este tipo de pérdida es denominada como una pérdida
por accesorios o acoplamientos y su método de cálculo se basa al igual que la
pérdida a la salida del tanque (calculada anteriormente) en la Ecuación 15, sin
embargo, cuenta con una variación para el cálculo del coeficiente de resistencia (K),
en este caso el valor para el coeficiente de resistencia es calculado a partir de la
teoría de la longitud equivalente. El termino de longitud equivalente hace referencia
a la longitud de tubería recta del mismo diámetro nominal que el acoplamiento, la
cual tendría la misma resistencia al flujo que dicho accesorio y su valor es ofrecido
por algunos fabricantes o puede ser encontrado en la literatura correspondiente.
A continuación, se procede a calcular el coeficiente de resistencia y posteriormente

la pérdida producida por los codos a 90º usados en el camino del flujo del módulo.
95
Ecuación 18. Coeficiente de resistencia
𝐿𝑒
𝐾 = ( )∗𝑓
𝐷
Fuente: MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos.
6 ed. México.: Pearson Education, 2006.
p.296. ISBN 0130618853.
Donde:
K = Coeficiente de resistencia
Le/D = Valor de longitud equivalente del acople o accesorio16
Al tener la misma sección transversal y ser del mismo material el valor del factor de
la fricción será el mismo que el calculado anteriormente y al tener tres codos en total
el valor obtenido es multiplicado por tres.
𝑉2
ℎ𝐿 = 𝐾
2𝑔
(0,7101𝑚/𝑠)2
ℎ𝐿 = (30) ∗ (0,0285) ∗
2(9,81𝑚/𝑠 2 )
ℎ𝐿 = 0,0220𝑚 ∗ 3 = 0,066𝑚
d) Pérdida en válvula de bola: La pérdida de carga por válvulas también corresponde

al grupo de pérdidas por accesorios o acoplamientos por lo cual se procederá a
realizar su cálculo siguiendo la teoría de la longitud equivalente planteada en el ítem
anterior. En este caso el valor para la longitud equivalente será de 15017.
𝑉2
ℎ𝐿 = 𝐾
2𝑔
(0,7101𝑚/𝑠)2
ℎ𝐿 = (150) ∗ (0,0285)
2(9,81𝑚/𝑠 2 )
ℎ𝐿 = 0,1098 m
e) Pérdida en turbina de medición de flujo: En este caso la pérdida de carga será

calculada a partir de la pérdida de presión encontrada en un catálogo de fabricante
del instrumento a utilizar en el módulo18, esta pérdida de presión será transformada
en altura mediante la siguiente ecuación.
𝑃 =∗𝑔∗ℎ
16 MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education, 2006. p.296. ISBN 0130618853.
17 Ibid., p. 295.
18 FLOW TECHNOLOGY. [sitio web]. Metros de turbina. [Consulta: 20 marzo 2019]. Disponible en:
https://ftimeters.com/products/turbine-meters/#link_tab-fto-series.
96
Donde:
P = Presión (Pa)
 = Densidad del fluido (kg/m3)
h = Altura (m)
𝑃
ℎ=
𝛿∗𝑔
(60.000 𝑃𝑎)
ℎ= = 6,125 𝑚 (𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)
(998,56𝑘𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 )
f) Pérdida en rotámetro: Al igual que en el caso anterior, la pérdida de carga será

calculada a partir de la pérdida de presión encontrada en un catálogo de fabricante
del instrumento a utilizar en el módulo (Anexo F), esta pérdida de presión será
transformada en altura mediante la siguiente fórmula.
𝑃 = ∗𝑔∗ℎ
𝑃
ℎ=
∗𝑔
(41.000 𝑃𝑎)
ℎ= = 4,185 𝑚 (𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)
(998,56𝑘𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 )
Posterior al cálculo de cada una de las pérdidas, se procede a realizar la sumatoria

de las mismas para obtener el valor total de pérdidas de carga.
ℎ𝐿𝑇 = ℎ𝑎 + ℎ𝑏 + ℎ𝑐 + ℎ𝑑 + ℎ𝑒 + ℎ𝑓
ℎ𝐿𝑇= 0,0257𝑚 + 0,0618𝑚 + 0,0660𝑚 + 0,1098𝑚 + 6,125𝑚 + 4,185 𝑚
ℎ𝐿𝑇 = 10,5733 𝑚
Una vez conocido el valor total de las pérdidas se retoma la ecuación general de la
energía simplificada y se despeja la altura que debe dar la bomba a seleccionar
como se muestra a continuación.
𝑉𝐵2
−ℎ𝐿 + ℎ𝐴 = 𝑍𝐵 +
2𝑔
(0,7101𝑚/𝑠)2
−(10,5733𝑚) + ℎ𝐴 = 1𝑚 +
2(9,81𝑚/𝑠 2 )
−(10,5733𝑚) + ℎ𝐴 = 1,1257𝑚
ℎ𝐴 = 11,7 𝑚
Finalmente, conocida la altura de la bomba se calcula la potencia mínima para la

bomba a partir de la siguiente ecuación:
97
Ecuación 19. Potencia de bomba centrífuga
ℎ𝐴 ∗  ∗ 𝑔 ∗ 𝑄
𝑃=
𝜀
fluidos. 6 ed. México.: Pearson Education,
2006. p.207. ISBN 0130618853.
Donde:
P = Potencia de la bomba (Watts)
hA = Altura de la bomba (m)
 = Densidad del fluido (kg/m3)
Q = Caudal (m3/s)
ε = Eficiencia de la bomba 19
(11,7𝑚) ∗ (998,56𝑘𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 ) ∗ (1,55𝑥10−4 𝑚3 /𝑠)

𝑃= = 22,18 𝑊
(80%)
5.3.2 Selección de la bomba para el módulo.
5.3.2.1 Prueba a bomba nueva presente en laboratorio. Como se ha mencionado

a lo largo del documento, uno de los valores agregados del proyecto es tratar de
utilizar al máximo los recursos con los que cuenta el laboratorio, teniendo en cuenta
esto, se encontró una bomba centrífuga que se consideró podría ser utilizada para
el nuevo módulo, sin embargo, no se contaba con ningún tipo de información de la
misma, la única característica conocida era su operación con un voltaje igual a 24V;
con el fin de conocer los atributos de la bomba y verificar su aplicabilidad en el
módulo se realizaron pruebas de caudal y presión que se encuentran caracterizadas
a continuación.
La prueba de caudal consistió en realizar el llenado de una probeta graduada hasta

su capacidad de 800mL y tomar de manera precisa el tiempo que le tomaba al fluido
bombeado llegar a la cota indicada (Imagen 31). El procedimiento utilizado para
conocer la presión de la bomba consistió en realizar la conexión de la tubería de
descarga de la bomba a un manómetro y tomar la lectura correspondiente.
Cada prueba fue realizada cuatro veces. Y los resultados obtenidos fueron los
siguientes:
Tabla 41. Prueba bomba centrifuga

Tiempo de llenado probeta Presión
Número de Prueba
(Segundos) (Psi)
1 16.02 50
19 MOTT. Op.Cit., p.208.
98
Tiempo de llenado probeta Presión
Número de Prueba
(Segundos) (Psi)
2 16.25 50
3 15.48 50
4 16.12 50
Imagen 31. Prueba de caudal

para bomba encontrada
A continuación, se muestra el cálculo realizado para conocer el caudal de la bomba

a partir del tiempo de llenado y el volumen de la probeta.
𝑉
𝑄=
𝑡
Donde:
Q= Caudal
V = Volumen
t = Tiempo
0,8𝐿 1𝑚3
𝑄1 = = 0,05𝐿/𝑠 ∗ ( ) = 5𝑥10−5 𝑚3 /𝑠
16,02𝑠 10000𝐿
0,8𝐿 1𝑚3
𝑄2 = = 0,04938 𝐿/𝑠 ∗ ( ) = 4,938𝑥10−5 𝑚3 /𝑠
16,20𝑠 10000𝐿
0,8𝐿 1𝑚3
𝑄3 = = 0,05168𝐿/𝑠 ∗ ( ) = 5,168𝑥10−5 𝑚3 /𝑠
15,48𝑠 10000𝐿
0,8𝐿 1𝑚3
𝑄4 = = 0,04969 𝐿/𝑠 ∗ ( ) = 4,962𝑥10−5 𝑚3 /𝑠
16,12𝑠 10000𝐿
99
Como se evidencia en los cálculos realizados, el valor máximo de caudal obtenido
durante las pruebas fue de 5,168x10-5 m3/s, este valor será fundamental para
calcular la potencia con la que cuenta la bomba; antes de realizar el cálculo de
potencia de la bomba es necesario conocer la altura neta de la misma, este valor
será calculado de la siguiente manera, a partir de la presión obtenida en las pruebas
llevadas a cabo.
𝑃 =∗𝑔∗𝐻
Donde:
P = Presión de la bomba (Pa)
 = Densidad del fluido bombeado (Kg/m3)
H = Altura de la bomba (m)
Antes de realizar el cálculo de la altura de la bomba es necesario convertir la presión

a la unidad apropiada de la siguiente manera y teniendo en cuenta que:
1 Bar = 14,7 Psi 20

1 Bar = 100.000 Pa 21
1𝐵𝑎𝑟 100.000𝑃𝑎
50 𝑝𝑠𝑖 ∗ ( )∗( ) = 340.136,05 𝑃𝑎
14,7𝑝𝑠𝑖 1𝐵𝑎𝑟
Una vez con la presión en unidades equivalentes se procede a calcular la altura de

la bomba.
𝑃 340.136,05 𝑃𝑎
𝐻= = = 34,72𝑚
 ∗ 𝑔 (998,56𝑘𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 )
Por último, se calculará la potencia de la bomba, valor necesario para seleccionar o

descartar el uso de esta en el módulo (se tomará el valor máximo obtenido de caudal
para obtener la potencia máxima de la bomba).
𝑃 = ∗𝑔∗𝑄∗𝐻
Donde:
P = Potencia de la bomba (Watts)
𝑃 = (998,56 𝐾𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 ) ∗ (5,158𝑥10−5 𝑚3 /𝑠) ∗ (34,72𝑚) ∗ (80%)

𝑃 = 14,03 𝑊
20 REITEC SERVICIOS DE INGENIERIA. [sitio web]. Tablas de conversión. [Consulta: 28 marzo 2019].
Disponible en: http://www.reitec.es/Pdf/tabla2.pdf.
21 Ibíd., p.1.
100
5.3.2.2 Selección final de la bomba. En la presente sección se realizará la
selección de la bomba a usar en el módulo didáctico, esta selección se encontrará
basada en los requerimientos mínimos para la bomba, calculados en la sección
“5.3.1 Cálculo de la potencia mínima requerida para la bomba”, los cuales
inicialmente serán comparados en la siguiente tabla con los valores obtenidos de la
sección anterior en la cual se llevó a cabo la prueba realizada a la bomba con la que
cuenta el laboratorio.
Tabla 42. Parámetros de selección de bomba para el módulo

Parámetros Parámetros
mínimos bomba laboratorio
Caudal (Q) 1,55x10-4 m3/s 5x10-5 m3/s
Altura (H) 11,7 m 34,72 m
Potencia (P) 22,17W 14,03W
Como se evidencia, la bomba presente en el laboratorio no cumple con los requisitos

mínimos de potencia y de caudal para poder ser seleccionada, estos valores afectan
exigencias operativas como lo es el tiempo máximo que se tiene para el llenado del
tanque superior (60s); como conclusión la bomba encontrada en el laboratorio no
es adecuada para el proceso y no puede ser seleccionada como componente para
el módulo.
Del mismo modo, al no poder seleccionar la bomba encontrada en el laboratorio, se

realizó una búsqueda en el mercado con el fin de encontrar la bomba que se ajuste
a las necesidades y requerimientos del proyecto encontrando la bomba “Shenpeng
P6017”, la cual cuenta con las siguientes características principales (Para
información adicional ver Anexo G).
Tensión nominal (V) = 24V

Caudal máximo (Q) = 21 L/min = 0,00035 m3/s
Altura (H) = 12m
Con los valores de altura y caudal podemos calcular la potencia de la bomba o

extraerla de la gráfica correspondiente a la curva de la bomba (Anexo G).
𝑃 = ∗𝑔∗𝑄∗𝐻
Donde:
P = Potencia (W)
Q = Caudal (m3/s)
101
𝑃 = (998,56 𝐾𝑔/𝑚3 ) ∗ (9,81 𝑚/𝑠 2 ) ∗ (0,00035 𝑚3 /𝑠) ∗ (12𝑚) ∗ (80%)
𝑃 = 32,91 𝑊
Como se observa la bomba encontrada cumple de manera satisfactoria con los

requisitos mínimos, del mismo modo, se pueden resaltar algunas ventajas
adicionales como el voltaje de operación de 24V, el cual contribuye a mitigar el
riesgo eléctrico expuesto anteriormente en el documento o por otro lado que los
componentes internos que se encontraran en contacto con agua están fabricados
de materiales no corrosivos como plástico o cerámico, ayudando a prevenir futura
corrosión que puede afectar las líneas de flujo, instrumentos de medición y la
operación general del módulo.
De acuerdo a lo anterior se concluye que la bomba seleccionada para el módulo

será la bomba “Shenpeng P6017”.
5.4 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN PARA EL MÓDULO
En la presente sección se realizará la selección de los correspondientes sensores

e instrumentos a utilizar en el módulo, estos elementos permitirán realizar la
medición y control de las variables nivel, presión y caudal; en el proceso de
selección se tendrán en cuenta los requerimientos establecidos en el capítulo tres y
las calificaciones resultantes del proceso de scoring para cada variable.
5.4.1 Selección de sensores de nivel.
• Sensor de nivel análogo: De acuerdo al resultado del scoring para la medición

de nivel analógica se conoce que el tipo de medición será de tipo ultrasónica;
partiendo de los requerimientos funcionales para el sensor y de los atributos
estipulados en el proceso de scoring, se procedió a realizar la búsqueda en el
mercado de un sensor adecuado para el proceso a llevar a cabo; el dispositivo
identificado para cubrir de manera satisfactoria la necesidad de medición fue el
sensor de nivel “DINGTEK DF520”. El principio de funcionamiento de este
dispositivo consiste en realizar la medición del tiempo de viaje de una serie de
ondas enviadas por el mismo (situado en la parte superior del tanque) y traducirlo
en una lectura de nivel a partir de las dimensiones del tanque, el cual puede
estar fabricado de cualquier material, desde acero hasta plástico. Dentro de las
principales características de funcionamiento del sensor seleccionado se
pueden resaltar un rango de medida de 0 a 2 metros, una resolución en la
medición de 1 mm, un voltaje de alimentación de 0 a 32 VDC, una señal de salida
análoga con un valor de 0 a 5V, un grado de protección IP66 y un nivel de
robustez media. (Para información adicional ver Anexo H).
• Sensor de nivel digital: Para la selección de este sensor, también se parte del
resultado del scoring, en donde se identificó que el tipo de medición más
102
adecuada para el proceso es la medición de punto sencillo mediante “reed
switch” o flotador; adicionalmente, se debe tener en cuenta la evaluación
realizada (en la sección 2.6) a los sensores de nivel tipo flotador encontrados en
el laboratorio, algunos de estos elementos se encuentran en buen estado y
adicionalmente cumplen con los requisitos de funcionamiento para ser tenidos
en cuenta como componentes del módulo, por esta razón el sensor digital a usar
será el medidor de nivel de tipo flotador con “reed switch” que se encuentra en
el laboratorio. La referencia del sensor seleccionado es “RGP 472-S”; su
principio de funcionamiento consiste en la generación de movimiento del flotador
del componente (dentro del cual se encontrará un imán) por el mismo fluido de
trabajo, una vez el flotador se encuentre en uno de los puntos de interés para el
proceso de medición generará un campo magnético en los sensores tipo reed
switch, permitiendo de este modo el cierre de un contacto (el dispositivo es
normalmente abierto), generando de este modo una señal de conmutación que
indicará determinado nivel de fluido en el tanque, las principales características
del dispositivo pueden observarse en el Anexo I.
Adicional al sensor de flotador “RGP 472-S”, se selecciona el interruptor de

flotador “L6-P” que también cumplirá la función de realizar medición de nivel de
manera digital, pero realizando medición en dos puntos al mismo tiempo
(utilizando dos sensores), acción que no permite el sensor “RGP 472-S”, el cual
solo indica una posición definida en la que se encuentre el flotador; la acción de
medición de dos puntos al mismo tiempo es de utilidad y puede ser requerida en
términos de programación del módulo por lo cual se opta por incluirse de esta
manera. El principio de funcionamiento de este sensor consiste en la elevación
del mismo producto de la presencia de fluido de trabajo; una vez el sensor ha
sido elevado, como producto de dicho movimiento se generará el cierre de un
contacto eléctrico que permitirá el paso de corriente con el fin de indicar un valor
determinado de nivel. En el anexo J se encuentran las especificaciones del
sensor L6-P.
5.4.2 Selección de instrumentos para la medición de caudal.
• Selección de sensor de caudal: De la misma forma en la cual se seleccionaron

los medidores de nivel, se parte del resultado del scoring (en el cual se obtuvo
que el proceso de medición más adecuado es la medición mediante velocidad
angular) y de los parámetros y requerimientos que se tienen para la selección
del sensor. Adicionalmente es fundamental tener en cuenta el valor de caudal
del proceso (1,55x10-4 m3/s, calculado previamente) debido a que este valor se
debe encontrar dentro del rango de caudal de operación del sensor
seleccionado.
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, se realizó la búsqueda del

sensor en el mercado, encontrando la turbina para medición de flujo de
103
referencia “YF-S201” la cual cumple de manera satisfactoria los parámetros
establecidos por lo cual será el instrumento que realizará la medición y control
del flujo en el módulo. Su principio de funcionamiento consiste en el giro de una
turbina, la cual contará con un imán en uno de sus alabes, producto de el paso
de agua por el mismo; en la carcasa del dispositivo se encontrará un sensor
magnético el cual identificará el paso del imán por el mismo, a medida que se
produce el giro de la turbina, generando de este modo una serie de pulsos
eléctricos que en este caso serán interpretados por la tarjeta de adquisición de
datos y gracias a que el volumen de agua será constante en cada pulso se puede
realizar el conteo del total de pulsos y multiplicarlo por el volumen de agua por
pulso para de este modo conocer el caudal que circula por la tubería. En cuanto
a la conexión del sensor, este se encuentra constituido por tres cables, un cable
rojo el cual es la entrada de alimentación del sensor (5 – 24VDC), un cable negro
(tierra) y un cable amarillo por el cual se produce la salida de la señal generada
por el sensor la cual consiste en una onda cuadrada pulsante (5V TTL). Las
características generales y principales atributos del sensor se encuentran en el
anexo K.
• Selección de indicador de caudal: Con el fin de brindar un elemento físico que

permita visualizar el caudal que se está manejando a durante el proceso, se
desea seleccionar un indicador de caudal para el módulo, al realizar la selección
se tendrá en cuenta el caudal de operación y el diámetro de la tubería en la cual
se realizará la instalación del elemento en cuestión.
Con base en los requerimientos se realizó la búsqueda en el mercado de un

indicador de flujo, se seleccionó un rotámetro “Hedland H605B-005”, sus
principales características se encuentran en el anexo F.
5.4.3 Selección de instrumentos para la medición de presión.
• Selección del sensor de presión: Como se enunció luego del scoring para la
variable presión, el tipo de medición que mejor se adapta al proceso es la
medición por material piezoeléctrico, de acuerdo a esto, se realizó la búsqueda
en el mercado de un sensor que trabaje bajo este principio, encontrando el
sensor Autonics PSA-1 1/8NPT; dentro de sus principales atributos se
encuentran un amplio rango de presión de trabajo, contar con una alimentación
de 12-24 VDC, contar con un sistema de control incluido que permite mantener
la presión en un rango establecido, contar un display digital para una mayor
interacción con el estudiante. Información adicional del sensor Autonics se
muestra en el Anexo L.
• Selección de indicador de presión: Al igual que en el sistema de medición de

caudal se desea implementar en el módulo un elemento que permita visualizar
de manera directa el valor de la presión del proceso, para esto se realizará la
104
selección de un indicador de presión; para la selección se tendrá en cuenta que
el fluido a medir es aire comprimido, el rango a presión que debe manejar el
indicador (0 – 90psi), la temperatura del proceso será temperatura ambiente
(aproximadamente 18 ºC), la conexión que debe tener (1/4”) (Conexión vertical)
y una exactitud en la medición de 1% sobre la escala. Conocidos los parámetros
de selección para el instrumento se procede a realizar la selección del
manómetro “Winters PFP824ZRR1” cuyos principales atributos son un rango de
medición de 0 – 100 psi, carátula de 2.5” y carcasa en acero inoxidable además
de cumplir con los parámetros mencionados anteriormente (En el anexo M se
encuentran todas las características del instrumento seleccionado). Es
importante aclarar que en caso de construcción del equipo no es necesario
limitarse a la referencia enunciada, siempre y cuando se seleccione un
instrumento que cumpla con los parámetros mínimos mencionados.
5.4.4 Selección de válvulas. Dentro del funcionamiento general del módulo es

indispensable permitir, restringir o simplemente regular el paso del fluido de trabajo
de acuerdo con el proceso deseado, por esta razón es necesario incluir dentro de
la instrumentación del módulo una serie de válvulas tanto manuales como pilotadas
a partir de una señal enviada por el PLC o por la tarjeta de adquisición de datos de
National Instruments. A continuación, se realiza la selección de las válvulas
requeridas en el módulo didáctico.
5.4.4.1 Selección de válvulas cuyo fluido de trabajo es agua. Para el proceso de

selección de las válvulas es importante tener en cuenta parámetros como la función
a cumplir (Aislamiento, retención, regulación, seguridad), el material de la válvula
(capacidad para soportar ambientes de trabajo críticos, presiones elevadas,
resistencia a la corrosión o erosión, durabilidad), el tipo de accionamiento (Manual
o por actuadores externos) y el diámetro de la tubería en la cual se instalará.
• Electroválvulas: Debido a que el proceso de llenado del tanque inferior y vaciado

del taque superior debe estar automatizado se procede a seleccionar válvulas
que permitan ser accionadas ya sea por el PLC o por la tarjeta de adquisición de
datos; de acuerdo a lo expuesto en la sección 2.5 en la cual se evaluó el estado
de una serie de electroválvulas presentes en el laboratorio, los elementos
evaluados se encontraron en términos generales en buen estado, por esta razón
se plantea su uso para cumplir con la función esperada en el proceso, al
satisfacer los parámetros de selección mencionados anteriormente. La
electroválvula seleccionada tiene como referencia “Válvula solenoide 22-160-15
1/2NPT NC”, sus principales características se muestran en el anexo N.
• Válvula de bola: Se realiza selección de una válvula de bola con el fin de regular
el caudal posterior al paso del fluido de trabajo por la bomba. Se selecciona una
válvula de bola y no una tipo globo debido a la facilidad de regular la apertura o
cierre de la misma (solo requiere de 1/4 de giro en comparación con los múltiples
105
giros de la válvula tipo globo); dentro de los atributos mínimos con los cuales
debe contar la válvula a implementar se encuentran manejar un rango de caudal
de operación dentro del cual se encuentre el caudal de proceso del módulo,
contar con un diámetro nominal de 1/2 pulgada, contar con una calidad
adecuada debido a que se encontrará constantemente en operación por parte
de los estudiantes durante las prácticas de laboratorio y ser resistente a la
corrosión.
• Válvula tipo globo: La función que deberá cumplir la válvula de tipo globo será
permitir el establecimiento de una perturbación dentro del lazo de control de
nivel, la perturbación planteada consiste en regular una cierta apertura en la
válvula para crear un escape en el tanque superior forzando al lazo de control a
mantener el nivel deseado en el tanque; en este caso la válvula de globo se
selecciona por su capacidad para ajustar diferentes porcentajes de apertura o
cierre fácilmente a partir del número de giros de su volante. Al igual que la válvula
de bola, la válvula tipo globo debe poseer unos atributos mínimos atributos
mínimos como contar con un diámetro nominal de 1/2 pulgada, contar con una
calidad adecuada debido a que se encontrará constantemente en operación por
parte de los estudiantes durante las prácticas de laboratorio y ser resistente a la
corrosión.
5.4.4.2 Selección de válvula cuyo fluido de trabajo es aire comprimido. En este

caso se requiere seleccionar una válvula que cumpla con la función de permitir o
impedir el paso del aire comprimido desde la fuente hasta el tanque tipo extintor,
como parámetros de selección de la válvula se tiene el rango de presión total de la
red neumática (0 – 90psi), conexión de 1/4”, voltaje de operación 24V y robustez
adecuada para soportar varios ciclos de trabajo (apertura – cierre). Con base en los
parámetros establecidos se selecciona la “Válvula solenoide 2W-025-08 1/4 NPT
NC - 24VDC” (Ver anexo N).
5.5 DISEÑO Y COMPROBACIÓN ESTRUCTURAL
Como se evidenció en la sección 2.4, en el laboratorio se identificaron e

inspeccionaron cuatro estructuras en buen estado, que se consideraron podrían ser
parte del módulo, sin embargo, el proceso de inspección no es suficiente para
afirmar que las estructuras pueden ser utilizadas y que las mismas funcionarán
correctamente, para esto es necesario realizar un análisis estructural que permita
tener la certeza de su correcto funcionamiento al estar sometidas a cargas que los
componentes del módulo establezcan, en la presente sección se comprobará la
resistencia de las estructuras encontradas y se realizará el diseño de algunas
adaptaciones necesarias que harán de la estructura un elemento completamente
funcional dentro del módulo.
106
5.5.1 Diseño estructural. A pesar de que la estructura se encuentra en buen
estado, es necesario realizar algunas modificaciones o adiciones para poder ubicar
adecuadamente los componentes del módulo, en especial los tanques de
almacenamiento del fluido de trabajo y la bomba centrífuga. A continuación, se
muestra el proceso de diseño de dichas modificaciones.
5.5.2 Diseño de placa para tanque inferior. Se plantea ubicar el tanque inferior
y la bomba centrífuga en la sección de la estructura que se muestra en la imagen
32, para esto, se propone diseñar una placa que soporte los componentes
anteriormente mencionados. El material propuesto para la placa es “Lámina alfajor”,
esta se encuentra hecha de acero al carbón en aleación principalmente con
manganeso y otros elementos como fósforo y azufre en menores porcentajes
mediante el proceso de laminado en caliente; se escoge este material por su
resistencia, durabilidad y propiedades antideslizantes.
Como consideraciones previas al cálculo de la placa, se deben tener en cuenta las

cargas a las que se encontrará sometida, en este caso serán el peso de la bomba
(cuyo valor es extraído del anexo G) y el peso total del tanque (completamente lleno,
el cual sería el escenario de máxima carga), adicionalmente, se debe tener en
cuenta que la placa solo se encontrará apoyada en sus extremos por el perfil en
ángulo de la estructura, esta característica brindará las reacciones que se producen
y que son parte fundamental del cálculo.
Imagen 32. Ubicación de tanque

inferior y bomba centrífuga
107
A continuación, se realiza el cálculo del peso total del tanque:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 𝑙 ∗ 𝑏 ∗ ℎ

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = (0,4𝑚) ∗ (0,25𝑚) ∗ (0,32𝑚) = 0,032 𝑚3
Una vez conocido el volumen del tanque se procede a calcular la masa de agua que
podría ocupar el tanque en el caso de estar completamente lleno.
𝑚=𝑉∗
Donde:
m = Masa del agua (kg)
V = Volumen ocupado por el agua (m3)
 = Densidad del agua (Kg/m3)
𝑚 = (0,032𝑚3 ) ∗ (998,56 𝐾𝑔/𝑚3 ) = 31,95 𝑘𝑔
Con el fin de conocer el valor total de la carga es necesario conocer la masa del
tanque por si solo para sumarla con la masa del agua, la masa del tanque se calcula
a continuación.
𝑉 = (𝑙 ∗ 𝑏 ∗ 𝑒) + 2(𝑏 ∗ ℎ ∗ 𝑒) + 2(𝑙 ∗ ℎ ∗ 𝑒)
Donde:
V = Volumen del acrílico que constituye el tanque (m3)
l = Longitud del tanque (m)
b = Base del tanque (m)
h = Altura del tanque (m)
e = Espesor del tanque (m)
V = (0,57m * 0,25m * 3x10-3m) + 2(0,25m * 0,32m* 3x10-3m) + 2(0,57m* 0,32m*

3x10-3m)
V = 1,55 X10-3 m3
La masa del acrílico será su volumen multiplicado por la densidad del mismo.
𝑚 = 𝑉∗
𝑚 = (1,55𝑥10−3 𝑚3 ) ∗ (1180𝑘𝑔/𝑚3 ) 22
𝑚 = 1,826 𝑘𝑔
22 MATWEB. [sitio web]. Matweb material property data. [Consultado: 20 marzo 2019]. Disponible en:
http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=a5e93a1f1fff43bcbac5b6ca51b8981
108
Teniendo en cuenta lo anterior, la masa total del tanque será la suma del peso del
tanque vacío más el peso del agua que puede albergar en su interior, obteniendo el
siguiente valor.
𝑚 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚 𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑣𝑎𝑐í𝑜 + 𝑚𝐴𝑔𝑢𝑎

𝑚 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1,826 𝐾𝑔 + 31,95 𝐾𝑔 = 33,776 𝐾𝑔
Previo a la realización del cálculo que permite conocer la deflexión máxima que
sufrirá la placa a partir de un espesor dado y bajo el escenario de carga planteado,
se muestra en la Imagen 33 una aproximaxión de la ubicación de bomba y tanque
sobre la placa para brindar un mayor entendimiento de la situación.
Imagen 33. Ubicación de bomba y tanque en placa
Fuente: elaboración propia con base en Solid Edge ST9.
Una vez conocida la situación, se procede a multiplicar las masas de la bomba

centrífuga y tanque por el valor de la gravedad, para conocer la fuerza que ejercerán
sobre la lámina y plantear el diagrama de cuerpo libre correspondiente.
𝐹𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝐹1 = 𝑚𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ∗ 𝑔
𝐹𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = (0,4 𝐾𝑔) ∗ (9,81𝑚/𝑠 2 ) = 3,924𝑁
𝐹𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐹2 = 𝑚 𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ∗ 𝑔
𝐹𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐹2 = 33,776 𝐾𝑔 ∗ 9,81𝑚/𝑠 2 = 331,35 𝑁
Conocidas las cargas a las cuales se encontrará sometida la placa, se realiza la

aproximación del análisis de la misma con el análisis de cargas para vigas, el primer
paso del análisis consiste en realizar el correspondiente diagrama de cuerpo libre
(DCL) de la situación, el cual se muestra en la imagen 34, en el diagrama se pueden
identificar las cargas producidas por la bomba y el tanque, esta última será tomada
como una carga distribuida debido a que se encuentra de manera constante a lo
109
largo de gran parte de la placa; adicionalmente, se pueden identificar las reacciones
producto de los apoyos que tendrá la placa, que como se mencionó anteriormente,
simplemente se encontrará apoyada en el ángulo de la estructura.
Imagen 34. Diagrama de cuerpo libre placa inferior
Para simplificar el DCL y facilitar el proceso de cálculo se procede a convertir la

carga distribuida en una carga concentrada, esto se logra al multiplicar la carga por
la distancia sobre la cual tiene efecto. La ubicación de la carga será el punto medio
de la distancia sobre la cual estaba teniendo incidencia la carga distribuida. El
diagrama de cuerpo libre con la carga concentrada se muestra en la imagen 35.
𝑁
𝐹2 = 331,35 ∗ 0,4𝑚 = 132,54𝑁
𝑚
Imagen 35. DCL convirtiendo carga distribuida
Conocido el DCL, se realizará el despeje de las reacciones R1 y R2 que se presentan

en los apoyos mediante la sumatoria de las fuerzas tanto en el eje X como en el eje
Y y de los mometos en un punto seleccionado, en este caso el punto seleccionado
es el punto A, esta selección se realiza de manera estrategica en dicho punto al no
conocer el valor de la reacción, esto con la finalidad de eliminar dicha reacción de
la ecuación de momentos (Al no existir distancia desde la fuerza hasta el punto de
referencia, esta no producirá momento alguno).
110
∑𝑀𝐴 (𝑆𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑖ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜) = 0
(−3,924𝑁 ∗ 0,12) + (−132,54𝑁 ∗ 0,37𝑚) + (0,57 ∗ 𝑅2 ) = 0
𝑅2 = 86,86 𝑁
∑ 𝐹𝑥 = 0
0 = 0 (𝑁𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑋)
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑅1 − 3,924𝑁 − 132,54𝑁 + 𝑅2 = 0
𝑅1 − 3,924𝑁 − 132,54𝑁 + 86,86𝑁 = 0
𝑅1 = 49,6 𝑁
Una vez conocidas todas las fuerzas que actuarán sobre la placa se puede proceder
a calcular la deflexión máxima que tendrá la misma, para esto es necesario realizar
la división de la viga en secciones que serán analizadas de manera independiente;
para cada sección se calculará el esfuerzo cortante y el momento flector en términos
de la distancia, denominada “x”, cuyo valor se encontrará en valores dentro de un
rango de longitud de dicha sección.
Posteriormente, a la ecuación de momento de cada sección se le aplicará el método

de doble integración, el cual tiene como base la ecuación 20, este metodo ayuda a
encontrar una serie de ecuaciones que permiten determinar la pendiente (ecuación
resultante de la primera integración) y la deflexión (ecuación resultante de la
segunda integración) de la viga en cualquier punto sobre la misma.
Ecuación 20. Deflexión en vigas

𝑑𝜃 𝑑 2 𝑦 𝑀
= =
𝑑𝑥 𝑑𝑥 2 𝐸𝐼
Keith. Diseño en ingeniería mecánica de
Shigley. 8 ed. México.: Mc Graw Hill, 2008.
p.144. ISBN-10: 9701064046
Donde:
M = Momento en el punto de interés
E = Módulo de elasticidad del material
I = Momento de Inercia de la sección transversal de la viga
A continuación se muestra el cálculo de las ecuaciones para conocer la inclinación

y deflexión en cualquier punto para cada sección:
• Sección A-B: En esta sección x podrá tomar valores desde 0 hasta 0,12m que
será el punto en el cual se encuentra la carga. En la imagen 36 se muestra el
111
DCL de la sección A-B y posteriormente se calculan las ecuaciones de esfuerzo
cortante y momento flector correspondientes a dicha sección.
Imagen 36 Sección A-B
Ecuación de esfuerzo cortante (V):

∑ 𝐹𝑦 = 0
49,6𝑁 − 𝑉 = 0
𝑉 = 49,6 𝑁
Ecuación de momento Flector (M):

∑𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 0
𝑀 − 𝑅1𝑥 = 0
𝑀 = 46,6𝑁𝑥
A continuación, se procederá a integrar doble vez la ecuación del momento de

corte de la sección A-B para identificar sus ecuaciones de inclinación y deflexión
(y).
𝐸𝐼 𝑦 ′′ = 46,6 𝑥
Ɵ𝐴−𝐵 = 𝐸𝐼 𝑦 ′ = 24,8 𝑋 2 + 𝐶1
24,8 𝑋 3
𝐸𝐼 𝑦 = + 𝐶1𝑥 + 𝐶2
3
En este caso como uno de los extremos de la sección se encuentra en uno de

los apoyos se puede establecer una condición de borde, para este caso la
condición de borde será que en x=0 la deflexión será igual a cero (y=0), es decir,
en este punto no existirá deflexión. Lo anterior ayuda a conocer el valor de la
constante C2 de la siguiente manera.
24,8 𝑋 3
𝐸𝐼 𝑦 = + 𝐶1𝑥 + 𝐶2
3
24,8 (0)3
𝐸𝐼 (0) = + 𝐶1(0) + 𝐶2
3
𝐶2 = 0
112
• Sección B-C: En esta sección x podrá tomar valores desde 0,12m hasta 0,37m
que será el punto donde se encuentra la siguiente carga. En la imagen 37 se
muestra el DCL de la sección B-C y posteriormente se calculan las ecuaciones
de esfuerzo cortante y momento flector correspondientes a dicha sección.
Imagen 37. Sección B-C
Ecuación de esfuerzo cortante (V):

∑ 𝐹𝑦 = 0
49,6𝑁 − 3,924𝑁 − 𝑉 = 0
𝑉 = 45,68 𝑁
Ecuación de momento Flector (M):

𝑀 − 𝑅1𝑥 + (𝑥 − 0,12) ∗ 3,924𝑁 = 0
𝑀 = 45,68𝑁𝑥 + 0,4709𝑁
A continuación, se procederá a integrar doble vez la ecuación del momento

flector de la sección B-C para identificar sus ecuaciones de inclinación y
deflexión (y).
𝐸𝐼 𝑦 ′′ = 45,68 𝑥 + 0,4709
Ɵ𝐵−𝐶 = 𝐸𝐼 𝑦 ′ = 22,838 𝑥 2 + 0,4709𝑥 + 𝐶3
22,838 𝑋 3
𝐸𝐼 𝑦 = + 0,235𝑥 2 + 𝐶3𝑥 + 𝐶4
3
• Sección C-D: En esta sección x podrá tomar valores desde 0,37m hasta 0,57m
que será el punto en el cual se encuentra el final de la viga. En la imagen 38 se
muestra el DCL de la sección C-D.
Esfuerzo cortante (V):

∑ 𝐹𝑦 = 0
49,6𝑁 − 3,924𝑁 − (331,35(𝑥 − 0,17)) − 𝑉 = 0
𝑉 = −331,35𝑥 + 102,0087 𝑁
113
Momento Flector (M):
𝑀 = −165,675𝑁 𝑥 2 − 56,3295𝑥 + 4,788
Imagen 38. Sección C-D
Paso seguido, se procederá a integrar doble vez la ecuación del momento de

corte de la sección C-D para identificar sus ecuaciones de inclinación y deflexión
(y).
𝐸𝐼 𝑦 ′′ = −165,675𝑁 𝑥 2 − 56,3295𝑥 + 4,788

−165,675𝑥 3 56,3295𝑥 2
Ɵ𝐶−𝐷 = 𝐸𝐼 𝑦 ′ = − + 4,788𝑥 + 𝐶5
3 2
−165,675𝑥 4 56,3295𝑥 3 4,788𝑥 2
𝐸𝐼 𝑦 = − + + 𝐶5𝑥 + 𝐶6
12 6 2
Conocidas las ecuaciones de esfuerzo cortante y momento flector para cada

sección de la viga, en las imágenes 39 y 40 se muestran los diagramas de esfuerzo
cortante y momento flector que actúan sobre la viga para permitir una mayor
comprensión del efecto de las cargas sobre la misma.
Imagen 39. Diagrama de esfuerzo cortante
Fuente: elaboración propia basado en XVigas
114
Imagen 40. Diagrama de Momento Flector
Fuente: elaboración propia basado en XVigas
Una vez conocidas las ecuaciones de inclinación y deflexión para cada sección se
deben despejar las constantes que han aparecido producto de la integración, para
ello se aprovechará la continuidad que existe entre las secciones (cada sección
tiene un punto en común con su sección adyacente) y se establecerán relaciones
entre las ecuaciones que faciliten el despeje de las constantes que permitirán
conocer la inclinación y deflexión de la viga en cualquier punto.
Aplicando el principio de continuidad mencionado anteriormente, se procede a

igualar las ecuaciones de inclinación de la sección A-B y la sección B-C, partiendo
de la premisa que indica la existencia de un punto en común entre las secciones
mencionadas, en este caso la igualdad se presenta cuando x toma un valor de
0,12m (punto en común).
Ɵ𝐴−𝐵 (𝑋=0,12) = Ɵ𝐵−𝐶 (𝑋=0,12)

24,4𝑥 2 + 𝐶1 = 22,838𝑥 2 + 0,4709𝑥 + 𝐶3
24,4(0,12)2 + 𝐶1 = 22,838(0,12)2 + 0,4709(0,12) + 𝐶3
A partir de la igualdad planteada, se establece la siguiente relación entre las

constantes C1 y C3, la cual permitirá su posterior despeje y será de ayuda para
despejar la constante C4.
𝐶1 − 𝐶3 = 0,0282
Continuando con el proceso de despeje de las constantes, se aplica el principio de

igualdad nuevamente entre las secciones A-B y B-C, pero esta vez con sus
respectivas ecuaciones de deflexión las cuales de la misma forma tomarán el mismo
valor cuando x es igual a 0,12.
115
𝑦𝐴−𝐵 (𝑋=0,12) = 𝑦𝐵−𝐶 (𝑋=0,12)
24,4𝑥 3 22,838𝑥 3
+ 𝐶1𝑥 = + 0.235𝑥 2 + 𝐶3𝑥 + 𝐶4
3 3
24,4(0.12)3 22,838(0,12)3
+ 𝐶1(0.12) = + 0.235(0,12)2 + 𝐶3(0,12) + 𝐶4
3 3
Con el objeto de aprovechar la relación entre las constantes C1 y C3 como

herramienta para el despeje de la constante C4 se procede a realizar el siguiente
despeje producto de la relación anterior.
0,12 (𝐶1 − 𝐶3) = 2,26𝑥10−3 + 𝐶4
Luego se reemplaza el valor de la relación entre C1 y C3 para despejar el valor de

C4.
0,12(0,0282) = 2,26𝑥10−3 + 𝐶4
𝐶4 = 1,1302𝑥10−3
Ahora, se aplicará el mismo procedimiento estableciendo principio de continuidad

para las secciones B-C y C-D tanto para sus ecuaciones de inclinación como de
deflexión, esto permitirá establecer relación entre las constante C3 y C5 y realizar
el despeje de la constante C6. En este caso, el punto en común para las secciones
estará establecido cuando x es igual a 0,37.
Ɵ𝐵−𝐶 (𝑋=0,37) = Ɵ𝐶−𝐷 (𝑋=0,37)

2
−165,675𝑥 3 56,3295𝑥 2
22,838𝑥 + 0,4709𝑥 + 𝐶3 = − + 4,788𝑥 + 𝐶5
3 2
−165,675(0,37)3 56,3295(0,37)2
22,838(0,37)2 + 0,4709(0,37) + 𝐶3 = −
3 2
+4,788(0,37) + 𝐶5
3,3007 + 𝐶3 = −4,8815 + 𝐶5
𝐶3 − 𝐶5 = −8,1823
A fin de realizar el despeje de la constante C6 se aprovecha nuevamente el principio

de continuidad entre las secciones B-C y C-D igualando sus correspondientes
ecuaciones de pendiente de la siguiente manera.
𝑦𝐵−𝐶(𝑋=0,37) = 𝑦𝐶−𝐷 (𝑋=0,37)
22,838𝑥 3 2
−165,675𝑥 4 56,3295𝑥 3 4,788𝑥 2
+ 0.235𝑥 + 𝐶3𝑥 + 𝐶4 = − + + 𝐶5𝑥 + 𝐶6
3 12 6 2
116
22,838(0,37)3 −165,675(0,37)4
+ 0.235(0,37)2 + 𝐶3(0,37) + 𝐶4 =
3 12
56,3295(0,37)3 4,788(0,37)2
− + + 𝐶5(0,37) + 𝐶6
6 2
0,37(𝐶3 − 𝐶5) = −0,8243557 + 𝐶6 − 𝐶4
Conciendo el valor de la constante C4 y la relación entre las cosntantes C3 y C5,

se procede a realizar el reemplazo en la formula anterior y el correspondiente deseje
de la constante C6.
0,37(−8,1823) = −0,8243557 + 𝐶6 − 1,130256𝑥10−3

𝐶6 = -2,202
Una vez conocido el valor de la constante C6, el paso usado para despejar el valor
de la constante C5 será establecer una condición de borde para la ecuación de
deflexión de la sección C-D, la condición establecida consistirá en que para una
distancia de x=0,57m la de flexión tomará valor igual a cero, es posible establecer
dicha condición debido a la presencia del apoyo en dicho punto, al encontrarse en
un punto de apoyo de la viga es correcto afirmar que no se presentará deflexión
alguna en dicho punto.
−165,675𝑥 4 56,3295𝑥 3 4,788𝑥 2

𝑦𝐶−𝐷 (𝑋=𝑂,57) = 𝐸𝐼 𝑦 = − + + 𝐶5𝑥 + 𝐶6
12 6 2
4
−165,675(𝑂, 37) 56,3295(0,37)3 4,788(0,37)2
𝑦𝐶−𝐷 (𝑋=𝑂,57) = 𝐸𝐼 (0) = − + + 𝐶5𝑥
12 6 2
+𝐶6
(0) = −2,4182 + 𝐶5(0,57) − 2,202

𝐶5 = 8,1056
Una vez conocido el valor de la constante C5, se calcula el valor para la constante
C3 partiendo de la ecuación encontrada previamente que relaciona las dos
constante en mención.
𝐶3 − 𝐶5 = −8,1823
𝐶3 = −8,1823 + 8,1056
𝐶3 = −0,0766
Del mismo modo, se procede a usar la ecuación que relaciona las constantes C1 y
C3 con el fin de conocer el valor de la constante C1.
𝐶1 − 𝐶3 = 0,0282
𝐶1 = 0,0282 − 0,0766
𝐶1 = 0,10487
117
Una vez despejadas todas las constantes, es posible conocer el valor de la
inclinación y deflexión para la viga en cualquier punto al usarlas en su respectiva
ecuación; en este caso se requiere conocer el valor de deflexión máxima al cual se
verá sometida la placa. Partiendo de los diagramas de esfuerzo cortante y momento
flector, se evidencia que el punto que se encontrará sometido a mayor esfuerzo
cortante y momento flector se encuentra cuando x=0,37 por lo cual se pueden usar
tanto las ecuaciones de la sección B-C,como de la sección C-D, para el cálculo de
la deflexión máxima, para este caso se usará la ecuación de la sección B-C.
22,838𝑥 3
𝐸𝐼 𝑦 = + 0,2354𝑥 2 + 𝐶3𝑥 + 𝐶4
3
Como se observa es necesario conocer el módulo de elasticidad del material y el

momento de inercia correspondiente a la sección transversal de la placa.
• Momento de inercia de la placa: Al tener una sección transversal rectangular se

toma la siguiente ecuación para realizar el cálculo del momento de inercia.
Adicionalmente el valor de altura se extrae del catálogo del fabricante
encontrado en el Anexo Ñ.
Ecuación 21. Momento de inercia sección rectangular
1
𝐼= ∗ 𝑏 ∗ ℎ3
12
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de

maquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson education,
2006. p.872. ISBN 0130618853.
Donde:
I = Momento de inercia
b = Base de la sección (m)
h = Altura de la sección (m)
1
𝐼= ∗ (0,3𝑚) ∗ (6,35𝑥10−3 𝑚)3
12
𝐼 = 6,401𝑥10−9 𝑚4
• Módulo de elasticidad del material:

E = 190x109 Pa 23
Conocidos los valores del momento de inercia y módulo de elasticidad del material
se procede a calcular el valor de la deflexión máxima que se presenta en la placa.
23GOODFELLOW. [sitio web]. Todos los materiales para Investigación Científica y Fabricación. [Consulta: 8
marzo 2019]. Disponible en: http://www.goodfellow.com/S/Acero-Inoxidable-AISI-304.html
118
22,838(0,37𝑚)3
(190𝑥109 𝑃𝑎)(6,401𝑥10−9 )𝑦 = + 0,235(0,37𝑚)2 + 𝐶3(0,37𝑚) + 𝐶4
3
22,838(0,37𝑚)3
1216,19 𝑦 = + 0,235(0,37𝑚)2 + (−0,0766)(0,37𝑚) + 1,1302𝑥10−3
3
(1216,19) 𝑦 = 0,39056
𝑦 = 3,2114𝑥10−4 𝑚 = 0,32𝑚𝑚
Como se observa, la deflexión máxima de la placa será muy pequeña, por lo cual,
se comprueba que la placa de alfajor con dimensiones de 0,57m de largo, 0,3m de
ancho y 6,35x10-3m de espesor resistirá adecuadamente las cargas y por lo tanto
es adecuada para ser usada en el módulo.
Adicionalmente, con el fin de restringir el movimiento del tanque sobre la placa, se

añadirán cuatro pestañas del mismo material de la misma. Su ubicación sobre la
placa, medidas y demás características se encuentran especificadas en el anexo V
en su correspondiente plano.
5.5.2.1 Diseño de soporte para tanque superior. Con la finalidad de ubicar el

tanque superior en la estructura también es necesario diseñar una sección adicional
como se realizó con el tanque inferior, sin embargo, en este caso no es suficiente
con una placa que soporte el tanque, como requerimiento adicional se tiene que el
soporte debe brindar una altura adicional al tanque para que sea posible adaptar
tres tuberías en la parte inferior de este, estas permitirán el drenaje del fluido de
trabajo en ciertos casos y el establecimiento de perturbaciones dentro del lazo de
control de nivel. La ubicación del componente estructural adicional a diseñar sobre
la estructura se muestra en la imagen 41.
Imagen 41. Ubicación

Tanque Superior
119
El diseño propuesto para dar solución al requerimiento consiste en un soporte
circular (sobre el cual se encontrará ubicado el tanque) que se encontrará apoyado
sobre unas columnas, encargadas de brindar la altura necesaria al tanque y dichas
columnas se encontrarán soportadas a su vez sobre una placa que se ubicará en la
sección de la estructura mostrada en la imagen 41. Para brindar un mayor
entendimiento del diseño planteado, a continuación, se muestra la imagen 42.
Imagen 42. Diseño planteado para

estructura de tanque superior
Fuente: elaboración propia basado

en Solid Edge ST9
Como consideración previa al cálculo del componente estructural, se debe tener en

cuenta la carga a la cual se encontrará sometido, en este caso será el peso del
tanque superior (completamente lleno, siendo este el escenario de máxima carga),
adicionalmente, se debe tener en cuenta que la placa solo se encontrará soportada
en sus extremos por el perfil en ángulo de la estructura, esta característica brindará
las reacciones que se producen y que son parte fundamental del cálculo.
• Diseño columnas del soporte del tanque superior: En la presente sección se

realizará la verificación del diseño propuesto para las columnas que brindarán la
altura adicional al tanque superior, dicha verificación se realizará con base en el
método “Diseño de Factores de Carga y Resistencia” de sus siglas en inglés
(LRFD), el cual se acerca a la realidad al trabajar por medio de probabilidades,
recibiendo el nombre de trabajo por estado límite, esto quiere decir que cumple
con la función de brindar confianza en el funcionamiento de la estructura por
medio de factores de seguridad. En este caso la estructura se encuentra bajo el
efecto de una carga muerta producida por el peso del tanque superior, sus tapas
y el peso del agua que se encontrará en el tanque, el valor de la carga muerta
se calcula a continuación.
- Masa del agua en el tanque acrílico: A fin de conocer la masa de agua que se
encontrará en el tanque cuando éste se encuentre completamente lleno es
120
necesario conocer su volumen y posteriormente multiplicar dicho valor por la
densidad del fluido.
𝜋 ∗ 𝜃𝑖 2
𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 = ∗ℎ
4
Donde:
Θi = Diámetro interno del tanque (m)
h= Altura del tanque (m)
V agua= Volumen de agua dentro del tanque(m3)
𝜋 ∗ (0,2𝑚 − 2 ∗ 3𝑥10−3 𝑚)2

𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 = ∗ 0,3𝑚 = 8,87𝑥10−3 𝑚3
4
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = V𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎
ρ agua= Densidad del agua (kg/m3)

m agua= Masa del agua (kg)
V agua = Volumen de agua (m3)
𝐾𝑔
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 9,3𝑥10−3 𝑚3 ∗ 998,56 = 8,85𝐾𝑔
𝑚3
- Masa del tanque: Para brindar una mayor aproximación de la carga también se
tendrá en cuenta la masa del tanque por sí solo, esta se calcula bajo el mismo
procedimiento.
2
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝜋 ∗ (𝑟𝑒 2 − 𝑟𝑖 ) ∗ ℎ
Donde:
re =radio externo
ri =radio interno
V tanque =Volumen del tanque
m tanque= masa del tanque
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝜋 ∗ (0,12 − 0,0972 )𝑚2 ∗ 0.3𝑚 = 5,57𝑥10−4 𝑚3

𝐾𝑔
𝑚𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = V𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝜌𝑎𝑐𝑟𝑖𝑙𝑖𝑐𝑜 = 5,57𝑥10−4 𝑚3 ∗ 1180 3 = 0,657𝐾𝑔
𝑚
Masa de las tapas del tanque:

Del mismo modo se calculará la masa para cada una de las tapas del tanque.
𝑉𝑡𝑎𝑝𝑎 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ h
121
Donde:
V tapa = Volumen de la tapa
r = Radio de la tapa
h= Altura de la tapa
𝑉𝑡𝑎𝑝𝑎 = 𝜋 ∗ (0,12 )𝑚2 ∗ 0.03𝑚 = 8,065𝑥10−4 𝑚3
Debido a que la tapa inferior y superior tienen las mismas dimensiones, el volumen
obtenido se multiplica por dos para obtener el valor total del volumen de estas.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠 = 2 ∗ 𝑉𝑡𝑎𝑝𝑎 = 2 ∗ 8,065𝑥10−4 𝑚3 = 1,613𝑥10−3 𝑚3
Conociendo el volumen total de las tapas se calcula su masa teniendo en cuenta

que estas se fabricarán de Polietileno UHMW o también conocido como “Empack”
(Valor de densidad = 930 kg/m3) 24. Se selecciona este material teniendo en cuenta
características como sus buenas propiedades mecánicas, su poco peso y en
especial su adecuada resistencia a la corrosión, factor de gran importancia en el
módulo.
𝐾𝑔
𝑚𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠 = V𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠 ∗ 𝜌𝑒𝑚𝑝𝑎𝑐𝑘 = 1,613𝑥10−3 𝑚3 ∗ 930 = 1,5𝐾𝑔
𝑚3
Posteriormente se realiza la sumatoria de las masas correspondientes a cada

elemento para conocer la masa total que deberá soportar el conjunto estructural:
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠 + 𝑚𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 + 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1,5𝐾𝑔 + 0,657𝐾𝑔 + 8,85𝐾𝑔
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 11𝐾𝑔
Finalmente, con el fin de conocer la carga que soportará el conjunto estructural se

multiplica su masa por el valor de la gravedad obteniendo el siguiente valor:
𝐹 = 11𝐾𝑔 ∗ 9.81𝑚/𝑠 2 = 107,91𝑁
Una vez conocida la carga, se procederá a realizar la comprobación de resistencia

de las columnas mediante el método LRFD, dentro del procedimiento el primer paso
consiste en conocer el valor de la carga mayorada y posterior a su desarrollo es
necesario conocer si la columna se define como columna larga o columna corta al
relacionarla con el área transversal de la misma (en este caso será la de un perfil
tipo platina (PL) con dimensiones de 20mm x 12mm y una longitud de 0,2m.)
Se aplica la siguiente fórmula para conocer la carga mayorada, la cual representa

la carga que debe soportar la columna.
24 AZONETWORK. [sitio web]. Azo materials. [Consulta: 20 marzo 2019]. Disponible en:
https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=854
122
Ecuación 22. Carga mayorada
𝑃𝑢 = 1,4(𝐷)
Fuente: MCCORMAC, Jack C. Diseño de
estructuras de acero método LRFD. 2 ed.
México. D.F.: Alfaomega grupo editor S.A,
2002. p.53. ISBN 9701506375.
Donde:
Pu= Carga mayorada (N)
D= valor de la carga muerta a soportar (N)
𝑃𝑢 = 1,4(107.91𝑁)
𝑃𝑢 = 151.074𝑁
El valor obtenido será dividido en tres debido a que el diseño se plantea con tres
columnas para soportar la carga en cuestión, de este procedimiento se obtendrá la
carga mayorada individual de las columnas como se muestra a continuación.
151.074𝑁
𝑃𝑢𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 = = 50,358𝑁
3
Continuando con el análisis de las columnas, se procede a realizar la verificación

de esbeltez de estas, lo cual asegura que se evite el pandeo, además de demostrar
la proporcionalidad del alto con el perfil de la columna y adicionalmente se
determinará si las columnas son clasificadas como columnas largas o como
columnas cortas, esto con el fin de conocer de qué manera se calcula el esfuerzo
crítico de la columna.
Antes de proceder con el cálculo de esbeltez es importante conocer el valor de tres

variables, la constante que representa el factor de longitud efectivo (K), la longitud
de la columna (L) y el radio de giro (r). El valor de la constante K es establecido
según el tipo de apoyo con el que cuenta la columna en cada uno de sus extremos,
este valor se extrae con ayuda de la imagen 43.
En este caso con base en la imagen 43, la constante K tendrá un valor igual a 0,5
debido a que se encontrará fija en sus dos extremos gracias a una unión soldada,
representando un empotramiento.
123
Imagen 43. Longitudes efectivas de columna
Fuente: MCCORMAC, Jack C. Diseño de estructuras de acero método LRFD. 2 ed.

México. D.F.: Alfaomega grupo editor S.A, 2002. p.141. ISBN 9701506375.
El siguiente paso consiste en conocer el valor de radio de giro mínimo (r), este valor
depende de la geometría del perfil de la columna la cual se muestra a continuación
en la imagen 44.
Imagen 44. Perfil columnas
soporte superior

con base en Solid Edge
ST9.
A continuación, se realizan los cálculos pertinentes para hallar el radio de giro

respecto al eje X y respecto al eje Y, de los valores obtenidos se seleccionará el de
menor valor debido a que la columna tendrá a pandearse en la dirección que es
menos rígida, es decir, en la dirección en la cual el momento de inercia sea menor.
Cálculo del área de la sección transversal de la columna:

𝐴𝑖 = 𝑏 ∗ ℎ
Donde:
b= base del perfil
h= altura del perfil
𝐴𝑖 = 20𝑚𝑚 ∗ 12𝑚𝑚 = 240𝑚𝑚2
124
Cálculo del punto central o centroide de la sección transversal de la columna en X:
𝑏 12𝑚𝑚
𝑋𝑖 = = = 6𝑚𝑚
2 2
Cálculo del punto central o centroide de la sección transversal de la columna en Y:

ℎ 20𝑚𝑚
𝑌𝑖 = = = 10𝑚𝑚
2 2
Calculo momento de inercia respecto al eje X:

𝑏ℎ3 12𝑚𝑚 ∗ (20𝑚𝑚)3
𝐼𝑥 = = = 8000𝑚𝑚4
12 12
Calculo momento de inercia respecto al eje Y

𝑏 3 ℎ (12𝑚𝑚)3 ∗ 20𝑚𝑚
𝐼𝑦 = = = 2880𝑚𝑚4
12 12
Con el fin de conocer el valor del radio de giro en X se utiliza la siguiente ecuación:
Ecuación 23. Radio de giro en el eje X
𝐼𝑥
𝑟𝑥 = √
𝐴𝑖
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de
elementos de máquinas. 4 ed. México
D.F.: Pearson education, 2006. p.872.
ISBN 0130618853
8000𝑚𝑚4
𝑟𝑥 = √
240𝑚𝑚2
𝑟𝑥 = 5.77𝑚𝑚
Ahora, para conocer el radio de giro en Y se utiliza la siguiente ecuación:
Ecuación 24. Radio de giro en el eje Y
𝐼𝑦
𝑟𝑦 = √
𝐴𝑖

elementos de máquinas. 4 ed. México
D.F.: Pearson education, 2006. p.872.
ISBN 0130618853
125
2880𝑚𝑚4
𝑟𝑦 = √
240𝑚𝑚2
𝑟𝑦 = 3.465𝑚𝑚
Como se mencionó anteriormente, se selecciona el radio de giro de menor valor

como dato para realizar el cálculo de la esbeltez de la columna, en este caso, el
radio de giro mínimo se origina en el eje Y con un valor de 3,465 mm. Una vez
obtenidos los datos necesarios, se procede a realizar el chequeo por esbeltez para
la columna a partir de la siguiente ecuación:
Ecuación 25. Chequeo por esbeltez

𝐾∗𝐿
≤ 200
𝑟𝑚𝑖𝑛
Fuente: MCCORMAC, Jack C. Diseño
de estructuras de acero método
LRFD. 2 ed. México. D.F.: Alfaomega
grupo editor S.A, 2002. p.148. ISBN
9701506375.
0.5 ∗ 0.2𝑚
≤ 200
3.46𝑥10−3 𝑚
28,90 ≤ 200
Al cumplir con la relación establecida en la ecuación anterior se puede considerar

la columna como una columna esbelta, esto asegura que se evitará su pandeo, por
lo tanto, se procede a determinar si la columna es corta o larga por medio de la
siguiente ecuación:
Ecuación 26. Categorización de la columna

𝐾 ∗ 𝐿 2 𝜎𝑌
λ= ∗√
π∗r 𝐸
estructuras de acero método LRFD. 2 ed.
México. D.F.: Alfaomega grupo editor S.A,
2002. p.147. ISBN 9701506375.
Donde:
K= Factor de longitud efectiva
L= Longitud del elemento
r= Radio de giro mínimo
σy= Limite de fluencia del material
E= Modulo de elasticidad
126
El material con el cual se plantea la construcción de las columnas es acero
estructural A36 por su buena relación peso-resistencia y contar con una buena
soldabilidad. El módulo de elasticidad para el acero A36 es de 200GPa. 25
0.5 ∗ 0.2𝑚 2 250𝑥106 𝑃𝑎

λ= ∗ √
π ∗ 3.465x10−3 𝑚 200𝑥109 𝑃𝑎
λ = 0,324
Con base en el método LRFD el valor obtenido del cálculo realizado a partir de la
ecuación 24 se clasifica de la siguiente manera:
Sí λ ≤ 1.5 la columna se considera corta.

Sí λ > 1.5 la columna se considera larga.
Como se observa, debido a que λ es menor a 1,5 la columna se define como una
columna corta, por lo cual, el siguiente paso del análisis por el método LRFD
consiste en realizar el cálculo del esfuerzo crítico, este esfuerzo representa el
esfuerzo mínimo requerido para que se genere pandeo en la columna y se calcula
a partir de la siguiente ecuación.
Ecuación 27. Esfuerzo crítico para columnas cortas

2
𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 = (0.658λ ) ∗ 𝜎𝑌
estructuras de acero método LRFD. 2 ed. México.
D.F.: Alfaomega grupo editor S.A, 2002. p.147.
ISBN 9701506375.
2
𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 = (0.658(0,324) ) ∗ 250𝑥106 𝑃𝑎 = 239,25𝑥106 𝑃𝑎
Finalmente, conocido el esfuerzo crítico de la columna se realiza el cálculo de la

resistencia de diseño, esta debe ser mayor o igual a la carga mayorada para poder
asegurar que la columna se comportará adecuadamente bajo las cargas de trabajo
esperadas.
Ecuación 28. Resistencia de diseño de la columna

𝑅𝑑 = ∅ ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜
estructuras de acero método LRFD. 2 ed. México.
D.F.: Alfaomega grupo editor S.A, 2002. p.141.
ISBN 9701506375.
127
Donde:
Rd= Resistencia de diseño
∅= Factor de resistencia equivalente a (0.85)
σcrítico = Esfuerzo critico
𝑅𝑑 = 0.85 ∗ 240𝑋10−6 𝑚2 ∗ 239,25𝑋106 𝑃𝑎

𝑅𝑑 = 48807𝑁
Pu ≤ Rd
50,358N ≤ 48807N
Como se observa, la resistencia de diseño es mayor a la carga mayorada y de este

modo se valida que es satisfactorio el perfil seleccionado para las columnas.
Finalmente, con el objeto de brindar una mayor estabilidad estructural al sistema,

se agregarán arrostramientos entre cada una de las columnas como se muestra en
la imagen 45; debido a que serán elementos que simplemente brindarán estabilidad
y no se encontrarán sometidos a grandes esfuerzos no se realiza cálculo con el fin
de verificar las dimensiones de estos, sus dimensiones se observan en su
correspondiente plano en el anexo V.
Imagen 45. Arrostramientos para columnas
Fuente: elaboración propia basado en

Solid Edge ST9
• Diseño de la placa inferior del soporte superior: La placa inferior para el soporte
superior tendrá la función de soportar las columnas anteriormente calculadas, el
resto del soporte superior y a su vez ser la conexión entre el soporte y la
estructura general del módulo, previo a la realización de su cálculo es importante
conocer las cargas a las cuales se encontrará sometida la placa y la forma en la
cual se encontrará apoyada sobre la estructura general para de este modo
entender el tipo de reacciones que se presentarán sobre la misma.
128
A continuación, se calcula el peso que tendrá que soportar dicha lámina teniendo
como base de cálculo una masa de 14 kg producto del tanque superior lleno de
agua y contando con todos sus accesorios, así como la masa de las columnas
anteriormente calculadas y sus correspondientes arrostramientos.
𝑊𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14𝑘𝑔 ∗ 9,81𝑚/𝑠 2 = 137,34𝑁
El valor del peso total se divide en tres debido a que será transmitido a la placa
por cada una de las columnas diseñadas en la sección anterior.
137,34𝑁
𝑊𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 = = 45,78𝑁
3
Una vez conocidas las cargas que actuarán sobre la placa es importante conocer
las reacciones que se generarán sobre la misma para poder determinar el DCL
del sistema, las reacciones que se producirán sobre la placa serán producto de
los apoyos sobre los cuales se encuentre, que en este caso será el ángulo de la
estructura en el cual descansará (solo se encontrará apoyada en sus extremos),
adicionalmente, para el cálculo se toma el lado más largo de la placa (0,315m),
siendo dicha situación aquella que generaría mayor esfuerzo y deflexión. El DCL
de la situación se muestra en la imagen 46.
Imagen 46. DCL Placa inferior soporte superior
Seguido del DCL se procede a plantear las ecuaciones de equilibrio que

ayudarán a conocer el valor para cada una de las reacciones producidas:
∑𝑀𝐴 (𝑆𝑒𝑛𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑖ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜) = 0

(−45,78𝑁 ∗ 0,07875𝑚) + (−45,78𝑁 ∗ 0,1575𝑚) + (−45,78 ∗ 0,23625) + (0,315𝑚
∗ 𝑅2 ) = 0
𝑅2 = 68,67𝑁
∑ 𝐹𝑥 = 0
129
0 = 0 (𝑁𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑋)
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑅1 − 45,78𝑁 − 45,78𝑁 − 45,78𝑁 + 𝑅2 = 0
𝑅1 − 45,78𝑁 − 45,78𝑁 − 45,78𝑁 + 68,67𝑁 = 0
𝑅1 = 68,67 𝑁
Luego de hallar las reacciones en cada uno de los apoyos de la placa, se procede
a realizar el cálculo de los esfuerzos cortantes y momentos flectores que la
afectarán, para este caso, el cálculo se realizará mediante el método de funciones
de singularidad.
Inicialmente plantea la ecuación de esfuerzo cortante para una carga concentrada

de la siguiente manera:
Ecuación 29. Esfuerzo cortante para una carga

concentrada
𝑉(𝑥) = −𝑃 < 𝑥 − 𝑎 >0
Fuente: BEER, Ferdinand P, JOHNSTON E.
RUSSELL et al. Mecánica de materiales. 5 ed.
México. D.F.: Mc Graw Hill, 2010. p. 345. ISBN
9701039505.
En este caso, la ecuación de esfuerzo cortante de la viga se establece de la

siguiente manera:
𝑑𝑀
= 𝑉 = 𝐴𝑦 − 𝑃1 〈𝑥 − 0,091〉0 − 𝑃2 〈𝑥 − 0,156〉0 − 𝑃3 〈𝑥 − 0,22〉0 + 𝐸𝑦
𝑑𝑋
Al integrar la ecuación para el esfuerzo cortante de la viga se obtiene la ecuación

de momento flector que se muestra a continuación (cabe resaltar que al ser una
integral definida no se obtiene una constante, producto de la operación de
integración):
𝑑2𝑦
𝐸𝐼 = 𝑀 = −𝐴𝑦 𝑥 − 𝑃1 〈𝑥 − 0,091〉1 − 𝑃2 〈𝑥 − 0,156〉1 − 𝑃3 〈𝑥 − 0,22〉1 + 𝐸𝑦 𝑥
𝑑2𝑥
Donde:
E= Modulo de Young del material
I= Momento de inercia de la sección transversal de la viga
Conocidas las ecuaciones de esfuerzo cortante y momento flector de la viga se

muestran sus correspondientes diagramas para permitir una mayor comprensión
del efecto de las cargas sobre la viga.
130
Imagen 47. Diagrama de esfuerzo cortante placa inferior tanque superior
Fuente: elaboración propia con base en XVigas
Imagen 48. Diagrama de momento flector placa inferior tanque superior
Fuente: elaboración propia con base en XVigas
Conocida la ecuación de momento flector se procede a integrar nuevamente y de

este modo se conoce la ecuación que permitirá calcular la inclinación de la viga en
cualquier punto:
𝑑𝑦 𝐴𝑦 2 𝑃1 𝑃2 𝑃3 𝐸𝑦
𝐸𝐼 = 𝑋 − 〈𝑥 − 0,091〉2 − 〈𝑥 − 0,156〉2 − 〈𝑥 − 0,22〉2 + 𝑋 2 + 𝑐1
𝑑𝑥 2 2 2 2 2
Por último, se realiza una segunda integración que permitirá conocer la ecuación de
la curva elástica, esta ecuación brinda la posibilidad de hallar la deflexión de la viga
en cualquier punto, sin embargo, producto de la integración se produce la aparición
de constantes que deben ser despejadas antes de calcular el valor de deflexión
máxima con la ecuación calculada.
𝐴𝑦 3 𝑃1 𝑃2 𝑃3 𝐸𝑦
𝐸𝐼𝑦 = 𝑋 − 〈𝑥 − 0,091〉3 − 〈𝑥 − 0,156〉3 − 〈𝑥 − 0,22〉3 + 𝑋 3 + 𝑐1𝑋 + 𝑐2
6 6 6 6 6
131
Con el fin de realizar el despeje de las constantes emergentes producto de la
integración, es necesario establecer condiciones de borde en puntos donde se
conozca los valores de inclinación o deflexión de la viga, para este caso la primera
condición de borde a usar es aquella que permite afirmar que el valor para la
deflexión (y) cuando x=0m será cero al ser un punto en el cual existe un apoyo y no
se permite la deflexión de la viga. Partiendo de la condición de borde se procede a
despejar la constante C2 de la siguiente manera:
[𝑋 = 0; 𝑌 = 0]
Reemplazando en la ecuación de la curva elástica se obtiene:

𝐴𝑦 𝑃1 𝑃2 𝑃3 𝐸𝑦
𝐸𝐼(0) = (0)3 − 〈0 − 0,091〉3 − 〈0 − 0,156〉3 − 〈0 − 0,22〉3 + ∗ (0)3
6 6 6 6 6
+𝐶1(0) + 𝐶2
𝑃1 𝑃2 𝑃3 𝐸𝑦
0= 0− 〈−0,091〉3 − 〈−0,156〉3 − 〈−0,22〉3 + ∗ (0)3 + 𝐶1 ∗ (0) + 𝐶2
6 6 6 6
En esta sección del cálculo cabe resaltar que, de acuerdo a lo expuesto en el

método de singularidad, cuando los valores dentro de los corchetes toman valor
negativo estos tomarán valor igual a cero, de este modo el valor para la constante
C2 equivale a:
𝐶2 = 0
Una vez conocido el valor de la constante C2 se procede a establecer una segunda

condición de borde que permita el despeje de la constante C1, en este caso la
condición propuesta se encuentra dada de la premisa que enuncia que el valor de
la deflexión (y) será igual a cero cuando x=0,315m, al igual que para la primera
condición de borde, esto se cumple gracias a la presencia de un apoyo en dicha
sección de la viga. Expuesta la condición de borde, se procede a reemplazar los
valores para X y Y en la ecuación correspondiente a la deflexión de la viga y a
despejar el valor para la constante C1.
[𝑋 = 0,315 ; 𝑌 = 0]
𝐴𝑦 𝑃1 𝑃2 𝑃3
𝐸𝐼(0) = ∗ (0,3153 ) − 〈0,315 − 0,091〉3 − 〈0,315 − 0,156〉3 −
6 6 6 6
𝐸𝑦 3
〈0,315 − 0,22〉3 + (0,315 ) + 𝑐1(0,315)
6
68,67𝑁 45,78𝑁 45,78𝑁

0= (0,315𝑚3 ) − 〈0,315𝑚 − 0,091𝑚〉3 − 〈0,315𝑚 − 0,156𝑚〉3
6 6 6
45,78𝑁 68,67𝑁
− 〈0,315𝑚 − 0,22𝑚〉3 + (0,315𝑚)3 + 𝑐1(0,315𝑚)
6 6
132
𝐶1 = −1.8453
Conocidos los valores de las constantes C1 y C2 se obtiene en su totalidad la

ecuación que permite hallar la deflexión de la viga en cualquier punto.
𝐴𝑦 3 𝑃1 𝑃2 𝑃3 𝐸𝑦
𝐸𝐼𝑦 = 𝑥 − 〈𝑥 − 0,091〉3 − 〈𝑥 − 0,156〉3 − 〈𝑥 − 0,22〉3 + 𝑥 3 − 1.8453𝑥
6 6 6 6 6
𝐴𝑦 𝑃 𝑃 𝑃 𝐸
6 ∗ 𝑋3 − 61 〈𝑥 − 0,091〉3 − 62 〈𝑥 − 0,156〉3 − 63 〈𝑥 − 0,22〉3 + 6𝑦 ∗ 𝑋3 − 1.8453 ∗ 𝑋
𝑦=( )
𝐸𝐼
La deflexión máxima se obtendrá en el punto en el cual el momento flector sea

máximo, en este caso dicho punto es el punto C para el cual x = 0,1575m.
Como último, previo al cálculo de la deflexión máxima de la placa es necesario

conocer el momento de inercia de esta y su correspondiente módulo de elasticidad.
Las medidas tomadas para el cálculo son extraídas del anexo O.
• Momento de Inercia de la placa

b= base
h = altura
𝑏 ∗ ℎ3 0,26𝑚 ∗ (3,80𝑥10−3 𝑚3 )3
𝐼= = = 1,18𝑥10−9 𝑚4
12 12
• Módulo de elasticidad del material:
E = 200x109 Pa 26
Conocidos estos valores se procede a calcular la deflexión máxima para la placa.

68,67𝑁 45,78𝑁 45,78𝑁
6 ∗ (0,1575𝑚)3 − 6
〈0,1575 − 0,091〉3 −
6
〈0,1575 − 0,156〉3 −
𝑦=(
200x109 Pa ∗ 1,18𝑥10−9𝑚4
45,78𝑁 68,67𝑁
〈0,1575 − 0,22〉3 + ∗ (0,1575𝑚)3 − 1.8453 ∗ 0,1575𝑚
6 6 )
.
𝑦 = −8,541𝑥10−4 𝑚
https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6117.
133
Finalmente, se obtiene que para una placa de acero A36 con espesor de 3.8mm, la
deflexión máxima producto de las cargas asociadas será de 8,541x10-4 m por lo cual
es correcto concluir que el diseño planteado operará correctamente bajo las cargas
planteadas para el módulo didáctico y ésta será la placa a usar en el soporte para
el tanque superior.
• Cálculo de perno para unión entre tanque superior y conjunto estructural: Con el
fin de diseñar un medio de unión de fácil desmontaje se requiere seleccionar un
elemento que permita la unión roscada entre los arrostramientos de las
columnas diseñadas previamente y la tapa inferior del tanque, para esto se
plantea utilizar tres pernos (todos con las mismas características) que se
encontrarán ubicados en la sección mostrada en la siguiente imagen.
Imagen 49. Ubicación de los pernos

base en Solid Edge ST9
El primer paso consiste en seleccionar la clase de perno a partir de la imagen 50,

en esta imagen se encuentran tanto las dimensiones del perno, como el material del
cual se encuentra fabricado y sus propiedades mecánicas. Para la situación
planteada en el módulo didáctico (no es una situación en la cual el perno se
encuentre bajo el efecto de una gran carga) se selecciona inicialmente el perno
clase 4.6, siendo este el de menor resistencia, con el fin de comprobar su utilidad
para la función planteada.
134
Imagen 50. Especificaciones métricas y resistencias para pernos de acero
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson
education, 2006. p.716. ISBN 0130618853.
Adicionalmente, con base en la aplicación que tendrá el perno se utiliza un factor de

seguridad adecuado para su fin, seleccionado a partir de la imagen 51.
Imagen 51. Factor de seguridad según el tipo de carga
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.:

Pearson education, 2006. p.185. ISBN 0130618853.
Como se observa en la imagen 51, un diseño bajo carga estática tiene un factor de
seguridad entre 1.25 a 2, en este caso se toma el valor más alto con el fin de tomar
el escenario de mayor seguridad en el diseño; Conocido el valor del factor de
135
seguridad a usar en el diseño propuesto, se procede a calcular el esfuerzo
admisible del material, el cual se encuentra regido a partir de la siguiente ecuación:
Ecuación 30. Esfuerzo admisible

𝜎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜
𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =
𝑁
máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson education,
2006. p.187. ISBN 0130618853
Donde:
σ admisible= Esfuerzo admisible
σ tensión mínima= Esfuerzo límite de tensión
N= Factor de seguridad
240 𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = = 120𝑀𝑃𝑎
2
Obtenido el valor correspondiente al esfuerzo admisible, se procede a realizar el
cálculo que permite obtener el diámetro mínimo que debe tener el perno para
soportar las cargas a las cuales se encontrará sometido.
Como escenario de carga para el diseño del perno se tiene en cuenta que el módulo
se encontrará en un ambiente de laboratorio con un promedio de 20 estudiantes por
práctica, por esta razón no se descarta la posibilidad de que el módulo fuese
empujado de manera accidental por alguna persona, en consecuencia, para el
cálculo del esfuerzo cortante se partirá de una masa de 70kg, siendo esta la masa
promedio de una persona27, produciendo de este modo una fuerza perpendicular al
perno de 686,7N. A partir de este valor se procede a calcular el área transversal del
perno a partir de la siguiente ecuación.
Ecuación 31. Esfuerzo cortante

𝑉
𝜎𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 =
𝐴
máquinas 4° Ed. México D.F.: Pearson Educación,
2006. 104p.
Donde:
A = Área transversal del perno
V = Fuerza cortante
27 INSTITUTO DE INVESTIGACION SOBRE CRECIMIENTO Y DESARROLLO. Curvas y tablas de crecimiento.
en: Sociedad española de dietética y ciencias de la alimentación. [sitio web]. España: Sociedad española de
dietética y ciencias de la alimentación. [Consulta: 1 abril 2019]. Archivo PDF. Disponible en:
http://www.nutricion.org/publicaciones/pdf/antropometria/f_orbegozo_04.pdf
136
Es de resaltar que, al usar un total de tres pernos para realizar la unión entre el
conjunto estructural y el tanque superior del módulo, el divisor de la fórmula se
multiplicará por el número de pernos a usar con el fin de obtener el área transversal
requerida tan solo para uno de los pernos, obteniendo el siguiente resultado.
𝑉 686,7 𝑁
𝐴= = = 1,9075𝑥10−6 𝑚2
3 ∗ 𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 3 ∗ 120 𝑀𝑃𝑎
Conociendo el área se procede a hallar el diámetro mínimo para el perno:

𝜋
𝐴 = ∗ 𝑑𝑝2
4
Donde:
A = Área transversal del perno
dp = Diámetro del perno
4∗𝐴 4 ∗ 1,9075𝑥10−6 𝑚2 1000𝑚𝑚

𝑑𝑝 = √ =√ = 1,55𝑋10−3 𝑚 ∗ = 1,55𝑚𝑚
𝜋 𝜋 1𝑚
De acuerdo al diámetro mínimo obtenido en el cálculo previo y teniendo en cuenta

la clase de perno seleccionada al inicio del proceso (clase 4.6), se escoge la
referencia M5 (siendo esta la designación más pequeña de la clase), sabiendo que,
la letra M hace referencia a un perno del sistema métrico y el número 5 al diámetro
nominal (siendo este de 5mm).
Una vez conocido el diámetro con el cual contará el perno, se procede a realizar el
cálculo del área transversal del mismo y posteriormente el esfuerzo cortante al cual
se encontrará sometido.
𝜋 ∗ 𝑑𝑝 2 𝜋 ∗ (5𝑥10−3 𝑚)2
𝐴= = = 1,96𝑥10−5 𝑚2
4 4
𝑉 686,7 𝑁
𝜎𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = = = 11,68𝑀𝑝𝑎
3 ∗ 𝐴 3 ∗ 1,96𝑥10−5 𝑚2
Obtenido el valor del esfuerzo cortante al cual se encontrará sometido el perno, se

procede a comparar su valor con el esfuerzo admisible del material, con el fin de
confirmar su resistencia.
𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝜎𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
120 𝑀𝑃𝑎 > 11,68 𝑀𝑃𝑎
De la comparación realizada se comprueba que el esfuerzo al cual se encontrará

sometido el perno no supera el esfuerzo admisible del material, por lo cual se verifica
su adecuada resistencia.
137
Como paso siguiente, se procede a calcular el esfuerzo por aplastamiento al cual
se encontrará sometido el perno, para este cálculo se debe tener en cuenta el valor
del menor espesor entre los elementos a unir, siendo en este caso el espesor
correspondiente al arrostramiento (12mm), adicionalmente se tiene en cuenta que
el diámetro del agujero será 1/8in mayor al diámetro del perno, como se indica en
el libro de diseño de estructuras metálicas por el método LFRD28
La ecuación que permite calcular el esfuerzo por aplastamiento se encuentra dado

de la siguiente manera:
Ecuación 32. Esfuerzo por aplastamiento

𝐹 𝐹
𝜎𝑏 = =
𝐴𝑏 𝑑𝑎 ∗ 𝑒
Fuente: VALERA NEGRETE, José Pedro

Agustín. Apuntes de física general. México
D.F.: Unidad de servicios editoriales, 2005.
p.118.
Donde:
σb = Esfuerzo por aplastamiento
F= Fuerza aplicada
Ab= Área de apoyo
da= diámetro del agujero
e= espesor de la placa
Previo al cálculo se realiza la conversión a unidades consistentes de la medida

adicional para el diámetro del agujero con el objeto de facilitar el procedimiento de
cálculo.
1 25,4 𝑚𝑚
𝑖𝑛 ∗ = 3,175 𝑚𝑚
8 1 𝑖𝑛
Por lo tanto, el diámetro del agujero será:
𝑑𝑎 = 𝑑𝑝 + 3,175𝑚𝑚 = 5𝑚𝑚 + 3,175𝑚𝑚 = 8,175𝑚𝑚

1𝑚
𝑑𝑎 = 8,175𝑚𝑚 ∗ = 8,175𝑥10−3 𝑚
1000𝑚𝑚
Debido a que la fuerza aplicada se encontrará repartida en tres pernos, ésta se

divide en el número de pernos como se muestra a continuación.
28MCCORMAC, Jack C. Diseño de estructuras de acero método LRFD. 2 ed. México. D.F.: Alfaomega grupo
editor S.A, 2002. p.68. ISBN 9701506375.
138
686,7 𝑁
𝐹= = 228,9 𝑁
3
Conocidos todos los valores, se procede a reemplazarlos en la ecuación de esfuerzo

por aplastamiento, obteniendo:
𝐹 𝐹 228,9 𝑁
𝜎𝑏 = = = = 2,33 𝑀𝑃𝑎
𝐴𝑏 𝑑𝑎 ∗ 𝑒 8,175𝑥10−3 𝑚 ∗ 12𝑥10−3 𝑚
Del mismo modo, se procede a comparar el esfuerzo por aplastamiento obtenido

con el esfuerzo admisible del material para validar su resistencia.
𝜎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝜎𝑏
120 𝑀𝑃𝑎 > 2,33 𝑀𝑃𝑎
Como se observa, el esfuerzo por aplastamiento es menor al esfuerzo admisible del

material, por lo cual se valida la resistencia del mismo al escenario planteado.
Por último, es importante establecer la ubicación adecuada para el agujero sobre el

perfil rectangular del arrostramiento, esto con el fin de evitar grietas que pueden
afectar el mismo; para esto, se procede a realizar el cálculo de la distancia entre
bordes para el agujero con base en el cuadro 14.
Cuadro 14. Distancia entre bordes

Máximo
Máximo
Distancia y Mínimo Mínimo intemperie o
ambiental
separaciones obligatorio recomendado ambiente
normal
corrosivo
e1 1,2d0 2d0 125 mm o 8t 40 mm + 4t
e2 1,2d0 1,5d0 125 mm o 8t 40 mm + 4t
Piezas comprimidas:
14t o 200 mm
p1 2,2d0 3d0
Piezas traccionadas:
28t o 400mm
p2 2,4d0 3d0 14t o 200 mm
M 2d
d0= Diámetro del agujero
d= Diámetro del tornillo
t= Espesor de la pieza más delgada a unir
Fuente: elaboración propia con base en UNIVERSIDAD DE LA CORUÑA. [sitio web].
Uniones. [Consulta 1 abril 2019]. Disponible: en: http://caminos.udc.es/info/asignaturas/
grado_itop/411/contenido_publico/recursos/tema07.pdf.
139
Donde:
e1= Distancia desde el centro de un agujero a un borde contiguo, medida en
dirección del esfuerzo a transmitir.
e2= Distancia desde el centro de un agujero a un borde contiguo, medida en
dirección perpendicular al esfuerzo a transmitir.
Imagen 52. Distancia a bordes
Fuente: UNIVERSIDAD DE LA CORUÑA. [sitio web].

Uniones. [Consulta 1 abril 2019]. Disponible: en:
http://caminos.udc.es/info/asignaturas/grado_itop/41
1/contenido_publico/ recursos/tema07.pdf.
De acuerdo a lo anterior se procede a realizar el cálculo para conocer los valores

de e1 y e2 mínimos de la siguiente manera:
𝑒1 = 1,2 ∗ 𝑑𝑜 = 1,2 ∗ 5𝑚𝑚 = 6𝑚𝑚

𝑒2 = 1,2 ∗ 𝑑𝑜 = 1,2 ∗ 5𝑚𝑚 = 6𝑚𝑚
Conocidos los valores de distancias mínimas entre bordes recomendadas para el

agujero del perno, se establece que este se ubicará a una distancia e1=6mm y una
distancia e2=64mm como se observa en el anexo V en su correspondiente plano.
• Cálculo de soldadura para unión del conjunto estructural: Como paso final para
el diseño del soporte superior, se requiere la unión permanente entre las
columnas del soporte con su lámina inferior y de los arrostramientos con las
columnas, para esto se plantea el uso de soldadura. A continuación, se realizará
el cálculo de la soldadura a partir de lo expuesto en el libro de diseño de
elementos de máquina de Robert Mott.
El primer paso consiste en realizar la identificación de la geometría y el tipo de

aplicación de la soldadura sobre las piezas a soldar con el fin de determinar las
dimensiones de la soldadura, para esto se utilizó el anexo P del cual se
seleccionó la situación número siete, siendo esta la situación que representa el
escenario planteado.
El siguiente paso consiste en conocer las fuerzas que actuarán sobre la

soldadura, teniendo en cuenta la consideración de diseño planteada en el cálculo
140
del perno en la cual se evalúa la posibilidad de que una persona pueda empujar
el soporte o el módulo en general, se afirma que se pueden presentar dos
esfuerzos principales en la unión soldada, el primero será un esfuerzo cortante
producido por el efecto de la masa de una persona promedio, equivalente a
70kg, y el segundo esfuerzo se produciría en caso de que una persona moviera
el soporte o lo sujetara tomándolo de las columnas del mismo, provocando una
reacción de momento sobre la soldadura, y de esta manera un esfuerzo de
flexión.
Previo a la realización del cálculo, cabe resaltar que se tomarán unidades del
sistema inglés para facilidad en el cálculo, debido a que el procedimiento de la
fuente de referencia posee valores y tablas en este sistema.
Una vez aclarado lo anterior, se procede a calcular los factores geométricos Aw

y Sw que permiten conocer los conocer los esfuerzos que se ejercerán sobre la
soldadura.
Ecuación 33. Área efectiva de la soldadura

𝐴𝑤 = 2𝑏 + 2𝑑
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos
de máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson
education, 2006. p.786. ISBN 0130618853.
Donde:
Aw= Área efectiva de la soldadura
b= Largo del perfil
d= Alto del perfil
Conversión de unidades de mm a pulgadas:

1𝑖𝑛
𝑏 = 20𝑚𝑚 ∗ ( ) = 0,787 𝑖𝑛
25,4𝑚𝑚
1𝑖𝑛
𝑑 = 12𝑚𝑚 ∗ ( ) = 0,472 𝑖𝑛
25,4𝑚𝑚
𝐴𝑤 = 2 ∗ 0,787 𝑖𝑛 + 2 ∗ 0,472 𝑖𝑛 = 2,519 𝑖𝑛
Ecuación 34. Momento resistente elástico de la soldadura

𝑑2
𝑆𝑤 = 𝑏 ∗ 𝑑 +
3

máquinas. 4 ed. México D.F.: Pearson education, 2006.
p.136. ISBN 0130618853.
Donde:
Sw: Momento resistente elástico de la soldadura
141
b= Largo del perfil
d= Alto del perfil
0,472 𝑖𝑛2
𝑆𝑤 = 0,787 𝑖𝑛 ∗ 0,472 𝑖𝑛 + = 0,446 𝑖𝑛2
3
Una vez conocidos los factores geométricos Aw y Sw, se procede a calcular la

fuerza por pulgada de soldadura a partir de las ecuaciones expuestas en la siguiente
imagen.
Imagen 53. Formulas para esfuerzo por pulgada de

soldadura dependiendo del tipo de carga

p.785. ISBN 0130618853.
Como se mencionó anteriormente, el esfuerzo cortante que se generará sobre la

soldadura será el aplicado por el peso de la persona, de 70 Kg, en sentido paralelo
a la misma, lo cual produce una fuerza equivalente a 686,7N, que serán divididos
en tres debido a que esta se ejercerá sobre tres secciones soldadas (una por cada
columna del soporte superior); a continuación, se procede a realizar la división de
la carga y correspondiente conversión a unidades del sistema inglés.
686,7𝑁 0,2248 𝑙𝑏𝑓

𝑃=( ) = 228,9 𝑁 ∗ ( ) = 51,46 𝑙𝑏𝑓
3 1𝑁
La fuerza de tensión por pulgada se calculará de la siguiente manera:

𝑉
𝐹𝑣 =
𝐴𝑤
Donde:
V=Fuerza cortante
Fv= Fuerza de tensión
Aw = Área efectiva de la soldadura
51,46 𝑙𝑏𝑓 𝑙𝑏𝑓

𝐹𝑣 = = 20,43
2,519 𝑖𝑛 𝑖𝑛
142
El momento flector máximo que se producirá sobre la soldadura será aquel
generado a la distancia más lejana de la misma, que en este caso será a una
distancia de 50cm (Tomados a partir de la altura de las columnas más la altura del
tanque superior), teniendo en cuenta lo anterior, el momento máximo se calcula de
la siguiente manera.
𝑀 =𝑃∗𝐻
Donde:
P= Carga
H= Distancia perpendicular a la carga
1 𝑖𝑛
𝐻 = 500𝑚𝑚 ∗ = 19,68 𝑖𝑛
25,4𝑚𝑚
𝑀 = 𝑃 ∗ 𝐻 = 51,46𝑙𝑏𝑓 ∗ 19,68𝑖𝑛 = 1012,73𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛
Una vez conocido el momento flector máximo, se realiza el cálculo para conocer la
fuerza a flexión por pulgada de la siguiente manera.
𝑀
𝐹𝑓 =
𝑆𝑤
Donde:
M= Momento flector
Ff= Fuerza a flexión
Sw = Momento resistente elástico de la soldadura
1012,73 𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛 𝑙𝑏𝑓

𝐹𝑓 = 2
= 2269
0,446 𝑖𝑛 𝑖𝑛
Al conocer los valores de las fuerzas producidas sobre la soldadura se realiza la

suma vectorial de las mismos con el fin de obtener la fuerza resultante:
Ecuación 35. Esfuerzo Resultante
𝐹𝑅 = √𝐹𝑓 2 + 𝐹𝑡 2
elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.:
Pearson education, 2006. p.791. ISBN
0130618853.
𝑙𝑏𝑓
𝐹𝑅 = √(2269 𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛)2 + (20,43 𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛)2 = 2269
𝑖𝑛
143
Como siguiente paso, se seleccionará el electrodo apropiado para la aplicación de
la soldadura con base en la imagen 54; en este caso se selecciona un electrodo
E60 (siendo este el de menor resistencia) utilizado generalmente para soldaduras
de estructuras de edificios, dicha comparación se realiza teniendo en cuenta que el
funcionamiento del soporte superior se plantea bajo cargas estáticas.
Imagen 54. Esfuerzos cortantes y fuerzas sobre soldaduras
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. México D.F.:

Pearson education, 2006. p.785. ISBN 0130618853.
Como paso final, a partir del valor obtenido de la fuerza resultante y de la fuerza
admisible extraída de la imagen 54, se procede a calcular el ancho del cordón de
soldadura mediante la siguiente ecuación.
Ecuación 36. Tamaño mínimo para cordón de soldadura

𝐹𝑅
𝑊=
𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑑𝑜
p.785. ISBN 0130618853.
2269 𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛
𝑊= = 0,23 𝑖𝑛
9600 𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛
De acuerdo con el valor obtenido y con base en la imagen 55, se determina que el
tamaño mínimo para el cordón de soldadura será de 1/4 in (0,25in).
Adicionalmente, es importante mencionar que la soldadura será de tipo MIG (Metal

Inert Gas), esto, teniendo en cuenta ventajas de la misma como lo son facilidad en
la aplicación del cordón, buenos resultados y calidad de la soldadura (al no generar
escoria) y su economía, debido a que no requiere de personal altamente calificado
para su aplicación.
144
Imagen 55. Tamaño mínimo de cordón
Fuente: MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed.

México D.F.: Pearson education, 2006. p.787. ISBN 0130618853.
5.5.3 Comprobación estructural. Como paso final y complementario al diseño

de todos los componentes adicionales para la estructura es necesario asegurar que
ésta por si misma será capaz de soportar las cargas a las cuales se enfrentará a lo
largo del funcionamiento del módulo, para esto se evaluará la sección que se
considera soportará mayores cargas y por consiguiente se encontrará sometida a
un mayor esfuerzo, esta sección es la observada en la imagen 32, misma sobre la
cual descansará la placa encargada de soportar el tanque inferior y la bomba
centrífuga.
Debido a que el estado de cargas será el mismo presentado sobre la placa inferior
para el tanque inferior, previamente diseñada; el procedimiento y las ecuaciones
utilizadas en la sección 5.5.1.1 serán exactamente los mismos para el cálculo
necesario para conocer el comportamiento del perfil de la estructura, por esta razón
con el fin de determinar la deflexión máxima presente en el perfil de la estructura se
hará uso nuevamente de la ecuación correspondiente a la sección B-C, evaluándola
nuevamente para el punto en x=0,37m, lugar en el cual se presenta el mayor
esfuerzo.
22,838𝑥 3
𝐸𝐼 𝑦 = + 0,2354𝑥 2 + 𝐶3𝑥 + 𝐶4
3
La variación en el procedimiento de cálculo para la deflexión máxima del perfil de la

estructura se encontrará dada por el cambio en el momento de inercia del elemento
(la estructura tiene un perfil “en L”), y su módulo de elasticidad (el material del cual
se encuentra fabricada la estructura es acero AISI 1020). A continuación, se
muestran los correspondientes valores para el momento de inercia del perfil y el
módulo de elasticidad.
145
• Momento de inercia: El momento de inercia para el perfil en L es extraído del
catálogo de un fabricante de perfiles a partir de las medidas del mismo (Ver
Anexo Q).
I = 0,92cm4
Es necesario convertir el momento de inercia a unidades consistentes de la

siguiente manera para poder ser incluido dentro de la fórmula de cálculo y
conocer la deflexión máxima del perfil.
2
1𝑚4
0,94𝑐𝑚 ( 4
) = 9,2𝑥10−9 𝑚4
(100𝑐𝑚)
• Módulo de elasticidad.
El módulo de elasticidad para el acero AISI 1020 será el siguiente:
E = 200x109 Pa 29
Conocidos los valores correspondientes al momento de inercia y el módulo de

elasticidad del perfil se procede a realizar el cálculo correspondiente a la deflexión
máxima del mismo.
22,838(0,37𝑚)3
(200𝑥109 𝑃𝑎)(9,2𝑥10 𝑚 −9 4 )𝑦
= + 0,235(0,37𝑚)2 + 𝐶3(0,37𝑚) + 𝐶4
3
22,838(0,37𝑚)3
1840 𝑦 = + 0,235(0,37𝑚)2 + (−0,0766)(0,37𝑚) + 1,1302𝑥10−3
3
(1840) 𝑦 = 0,39056
𝑦 = 2,122609𝑥10−4 𝑚 = 0,21𝑚𝑚
Finalmente se puede observar que la deflexión máxima del perfil perteneciente a la

estructura será muy pequeña, por lo cual, se comprueba que el este resistirá
adecuadamente las cargas y adicionalmente se comprueba, siendo esta la sección
que mayor carga soportará por la estructura, que esta resistirá de manera adecuada
las demás cargas producto del diseño propuesto.
5.5.4 Soporte para caja de conexionado. Como paso final del proceso de diseño
y comprobación estructural, es necesario adaptar sobre la estructura del módulo
una sección que permita ubicar una caja de distribución eléctrica (cuya interfaz se
muestra en el capítulo número siete del presente documento), para esto, se ha
decidido utilizar un perfil en L, en acero AISI 1020 (mismo material de la estructura),
29AZONETWORK. [sitio web]. Azo materials. [Consulta: 25 marzo 2019]. Disponible en:
146
como se muestra en la imagen 56; se han seleccionado dicha geometría y material
con el fin de brindar uniformidad estructural con la estructura base.
Imagen 56. Soporte caja conexionado
Fuente: elaboración propia con base

en Solid Edge ST9
Debido al poco peso de la caja de distribución eléctrica, comparado con la situación

expuesta en la sección 5.5.2 (en la cual se maneja el mismo material y perfil), no
se realizarán cálculos para comprobar la resistencia del diseño planteado,
considerándose este con la resistencia adecuada para la situación expuesta,
adicionalmente, las medidas y características constructivas para el soporte se
muestran en el anexo V en su correspondiente plano.
147
6. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS DE LA ESTRUCTURA
En este capítulo se realizará la evaluación por el método de los elementos finitos de

la estructura que soportará los componentes del módulo, esto con la ayuda del
software N.X. 11. Esta herramienta permite simular el comportamiento del elemento
sometido a diferentes condiciones y escenarios de carga teniendo en cuenta
características propias del comportamiento del mismo.
Realizar este tipo de simulaciones es de gran utilidad, especialmente a nivel técnico

y económico al brindar resultados que permiten la confirmación de un diseño o del
mismo modo permiten la realización de modificaciones sin recurrir a ensayos físicos,
ahorrando una gran cantidad de tiempo y dinero que se podrían emplear en la
fabricación de prototipos de prueba.
6.1 DISEÑO EN 3D, DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR (CAD)
Como primer paso se debe realizar modelado CAD de la estructura a analizar, para
ello se tomaron las medidas exactas de cada una de las secciones de la estructura,
asimismo, se adicionaron los componentes estructurales diseñados en la sección
5.5.1 los cuales soportarán los principales componentes del módulo como lo son los
tanques para almacenamiento de fluido de trabajo y la bomba centrífuga.
Adicionalmente, es importante tener en cuenta que el material del cual se encuentra

fabricada la estructura es acero AISI 1020, el material del soporte para el tanque
superior es acero A36 y el material para la lámina que soportará el tanque inferior
es “Alfajor” (manejado comercialmente como acero 304), debido a que para el
proceso de simulación se deben tener en cuenta características propias de dichos
materiales como su límite de fluencia, relación de Poisson y su módulo de
elasticidad.
148
Imagen 57. Diseño modelado
en 3D de la estructura

base en Solid Edge ST9.
6.2 APLICACIÓN DE LAS CARGAS
La estructura se encontrará sometida a las cargas producidas por los dos tanques
de acrílico, uno superior y otro inferior (para los dos tanques se toma el escenario
en el cual se encuentran completamente llenos de agua, representando de este
modo el máximo escenario de carga), estas cargas están representadas en color
rojo en la imagen 59, adicionalmente, se tendrá en cuenta el peso de la bomba el
cual está representado en la imagen 59 de color amarillo. Los valores de los pesos
de cada uno de los componentes pueden observarse en los apartados 5.5.1.1 y
5.1.1.2 del presente documento, en donde se representa la fuerza que ejerce cada
elemento sobre la estructura.
Previo al establecimiento de las cargas sobre la estructura, es necesario realizar la

“división de cuerpo” para la placa sobre la cual se encontrarán el tanque inferior y la
bomba (Imagen 58), esto con el fin de independizar las cargas que se ubicarán
sobre la placa.
149
Imagen 58. Ubicación del
plano para dividir las cargas

base en Solid Edge ST9.
Imagen 59. Aplicación de las cargas

base en software NX 11.
150
6.3 ESTABLECIMIENTO DE RESTRICCIONES
Paso siguiente a la ubicación de las fuerzas se deben establecer los apoyos o

restricciones para el elemento a simular, en este caso el tipo de apoyo seleccionado
es un empotramiento, el cual se encontrará dado en la base de la estructura debido
a que durante el funcionamiento del módulo esta se encontrará completamente fija,
la ubicación de los apoyos se observa en la imagen 60, en donde se aprecian los
seis elementos seleccionados para el establecimiento de la restricción.
Imagen 60. Ubicación de las

restricciones

con base en NX11.
6.4 ESTABLECIMIENTO DE LA MALLA
El proceso de enmallado es uno de los más importantes dentro de la simulación por

el método de elementos finitos, un buen enmallado permite tener un mayor
acercamiento de los resultados a la realidad, aumentando de este modo la
confiabilidad del dato. Para este caso el primer tipo de enmallado se realizó
mediante elementos tetraédricos siguiendo la conformación de malla automática del
software y con un tamaño de elemento de 23mm (Ver imagen 61).
151
Imagen 61. Enmallado de la
estructura

base en NX 11.
6.5 REFINAMIENTO DE MALLA
Con el fin de aumentar la confiabilidad del dato, se procede a realizar un

procedimiento definido como refinamiento de malla el cual consiste el evaluar el
tamaño de malla óptimo para el escenario planteado, el procedimiento se lleva a
cabo disminuyendo el tamaño de los elementos que conforman la malla hasta
encontrar un punto en el cual se llegue a una convergencia de datos, para este caso
se relacionaron los esfuerzos de Von Misses Promedio y Esfuerzo de Von Misses
Sin Promedio. En la tabla 47 se muestra el proceso de refinación de malla.
Tabla 43. Refinamiento de malla

Tamaño de malla Von Misses Sin Von Misses
No. De elementos
(mm) Promedio (MPa) Promedio (MPa)
23 14.048 0,444 0,229
21,5 18.709 0,55 0,362
20 21.202 0,586 0,379
17,5 29.367 0,646 0,476
16 33.697 0,666 0,56
14,5 39.618 0,67 0,583
13 46.694 0,681 0,599
11,5 57.805 0,681 0,63
10 86.409 0,684 0,636
152
6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la gráfica 4 se muestran los resultados producto del proceso de refinamiento de

malla y se evidencia la convergencia de los datos a medida que se realiza el proceso
de refinamiento, reduciéndose la diferencia entre los datos a medida que se
aumentan los elementos utilizados producto de la disminución del tamaño de malla;
se decide detener el proceso de refinamiento de malla en el tamaño de la misma
igual a 10 mm debido a que el dato ya se había acercado lo suficiente y el continuar
con el proceso de convergencia simplemente acercaría pocas centésimas el
resultado, lo cual no tiene mayor justificación al compararlo con el costo
computacional que implicaría lleva a cabo dichas simulaciones.
Una vez obtenidos datos confiables, se procede a realizar su correspondiente

análisis, a continuación, se procederá a comparar el valor de esfuerzo máximo
obtenido producto de la simulación, con el valor correspondiente al límite de fluencia
del material30.
0,684MPa < 294,74MPa
Como se observa, el límite de fluencia propio del material es mucho mayor al

máximo esfuerzo al cual se encontrará sometido durante su operación, esto permite
asegurar que el material resistirá a los esfuerzos que se ejercerán sobre el mismo.
Finalmente, se procede a calcular el factor de seguridad con el cual contaría la

estructura teniendo en cuenta la información de esfuerzos para la última simulación.
𝜎𝑦
𝐹. 𝑆. =
𝜎𝑉𝑀
Donde:
F.S. = Factor de seguridad
σy = Límite de fluencia del material
σVM = Esfuerzo de Von Misses
294,74 𝑀𝑃𝑎
𝐹. 𝑆. = = 430,9
0,684 𝑀𝑃𝑎
De acuerdo a lo anterior, el valor obtenido para el factor de seguridad

correspondiente a la estructura es muy grande, de este modo, se confirma una vez
más que esta soportará adecuadamente las cargas impuestas por el diseño
planteado para el módulo didáctico.
30 Ibíd., párr. 5.
153
Gráfica 4. Convergencia de malla
Convergencia de malla
0,8
Esfuerzo nodal (MPa) 0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
14.048 18.709 21.202 29.367 33.697 39.618 46.694 57.805 86.409
Número de elementos
Von Misses SP Von Misses P
Fuente: elaboración propia con base en software NX 11.
En las siguientes imágenes se muestran los resultados producto de la simulación:
Imagen 62. Resultado Esfuerzo Von Misses Sin Promedio
154
Imagen 63. Esfuerzo Von Misses Promedio
Imagen 64. Desplazamiento en la estructura
155
7. ELABORACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL MÓDULO
En el presente capítulo se realizará el desarrollo de los lazos de control para cada

una de las variables controladas en el módulo, como lo son nivel, presión y caudal,
esto permitirá establecer el control deseado sobre cada variable a lo largo del
proceso, es de resaltar que se establecerán dos tipos de control de lazo cerrado por
cada variable (a excepción de la variable caudal para la cual solo se establecerá
control adaptado a la tarjeta de adquisición de datos), uno adaptado a las tarjetas
de adquisición de datos de National Instruments (cDAQ) y otro para el sistema de
controladores lógicos programables (PLC), elementos con los cuales cuenta el
laboratorio de automatización.
Las tarjetas de adquisición de datos son de utilidad para el proceso de

automatización y control que se desea en el módulo didáctico debido a que permiten
obtener una muestra o señal producto de una variable física (nivel de sonido,
temperatura, voltaje), la cual llega a la tarjeta mediante sensores (generalmente en
forma analógica) y posteriormente es transformada de tal forma que pueda ser
reconocida generalmente por una computadora (señal digital) para realizar una
tarea específica como enviar una señal a los elementos finales de control con la
ayuda de un determinado software (en este caso el software LabView).
La tarjeta cDAQ presente en el laboratorio cuenta con un total de 5 entradas

análogas, 5 entradas digitales, 5 salidas digitales y 4 salidas analógicas, factor que
debe ser tenido en cuenta a la hora de establecer los elementos que formarán parte
del proceso (sensores, medidores, elementos finales de control).
Del mismo modo los controladores lógicos programables (en adelante, enunciado
como PLC por sus siglas en inglés), permiten el almacenamiento de instrucciones
para implementar funciones lógicas específicas como lo son secuencias, conteo,
temporizado y aritmética con el fin de controlar máquinas y procesos. En este caso
el PLC con el cual cuenta el laboratorio posee un total de 14 entradas digitales y 10
salidas digitales.
7.1 CONTROL PARA LA VARIABLE NIVEL
En el anexo R se puede observar el correspondiente diagrama P&ID del proceso de

medición y control de nivel.
7.1.1 Control de la variable nivel adaptado a las tarjetas cDAQ. El proceso que
se llevará a cabo con la ayuda de las tarjetas de adquisición de datos consistirá en
establecer un lazo de control que permita realizar el llenado del tanque superior
hasta una altura deseada (programada por el estudiante) ya sea con o sin
perturbaciones, en este caso la perturbación se presentará al dejar abierta en cierto
porcentaje la válvula de globo que se encuentra en una de las tuberías de drenaje
156
presentes en la parte inferior del tanque superior del módulo, permitiendo de este
modo el escape de parte del fluido de trabajo hacia el tanque inferior, esto producirá
variaciones en el nivel del taque superior cada vez que se haya detenido el proceso
de llenado por haber alcanzado el set point establecido; teniendo en cuenta lo
anterior, la bomba centrífuga que lleva el agua hasta el tanque superior debe
activarse o desactivarse con el fin de mantener el nivel deseado.
Como primera medida, para brindar un mayor entendimiento de la lógica que debe
seguir el proceso, en la imagen 65 se muestra su correspondiente diagrama de flujo,
este permite conocer el algoritmo que gobernará el funcionamiento del lazo de
control encargado de medir la variable nivel con la ayuda de la tarjeta de adquisición
cDAQ. Adicionalmente, en la imagen 66 se indica el diagrama de bloques del
proceso, este diagrama representa de manera global la relación que existe entre
cada uno de los componentes del sistema de medición de nivel, en donde se
contempla el uso de fusibles de dos amperios (como medio de protección en caso
de presentarse un corto circuito (lo cual es probable al ser un elemento didáctico).
Cabe aclarar que éste no será el único proceso que se podrá llevar a cabo para la
variable nivel con la tarjeta de adquisición de datos, sin embargo, es el proceso
general que describe el comportamiento que debe tener el lazo de control.
• Diagrama de flujo del proceso
Imagen 65. Diagrama de flujo de la variable nivel
Fuente: elaboración propia con base en LucidChart
157
• Diagrama de bloques del proceso
Imagen 66. Diagrama de bloques variable nivel adaptado a tarjetas cDAQ
• Interfaz gráfica en el software LabView
Imagen 67. Interfaz gráfica variable nivel en Software LabView
Fuente: elaboración propia con base en LabView
158
En la imagen 67 se observa el ejemplo de interfaz gráfica para el proceso de
medición y control de la variable nivel con ayuda de la tarjeta de adquisición de
datos, para las prácticas de laboratorio que se espera se realicen con el módulo, el
estudiante debe desarrollar este tipo de interfaces en las cuales se pueda ver el
funcionamiento del proceso que exigido por el docente para la práctica. (Para
observar la interfaz, su correspondiente programación y funcionamiento remítase al
CD)
7.1.2 Control de la variable nivel adaptado al PLC. El proceso general que se

debe llevar a cabo en el módulo para la variable nivel con la ayuda del PLC consiste
en realizar inicialmente el llenado del tanque inferior hasta la cota en la cual el
sensor de nivel alto del tanque superior sea activado, posterior a esto se debe
activar la bomba centrífuga para que lleve el fluido de trabajo hasta el tanque
superior el cual empezará a llenarse, una vez el indicador de nivel alto del tanque
superior sea activado por el fluido se debe detener el bombeo y activar la
electroválvula de vaciado del tanque superior para permitir el drenaje del tanque
hasta que el sensor de nivel bajo sea activado, el agua drenada desde el tanque
superior caerá al tanque inferior y se encontrará presta para un nuevo ciclo. Cabe
aclarar que éste no será el único proceso que se podrá llevar a cabo al relacionando
la variable nivel con el PLC, sin embargo, es el proceso general que describe el
comportamiento que debe tener el lazo de control.
En la siguientes imágenes se observa el diagrama de bloques del proceso y su

correspondiente diagrama de flujo, los cuales permiten el entendimiento de la lógica
del funcionamiento general del lazo de control para la variable nivel controlada con
ayuda del PLC.
Imagen 68. Diagrama de bloques correspondiente a la variable nivel para PLC
159
Imagen 69. Diagrama de flujo variable nivel PLC
• Programación general para control de la variable nivel con PLC: En este caso,
para la medición y control de la variable nivel mediante el uso de PLC, en la
imagen 70 se muestra el diagrama “Ladder” correspondiente a la programación
del proceso general que se debe llevar a cabo, mencionado en la presente
sección. El método de programación utilizado para desarrollar el diagrama
eléctrico del proceso fue el método paso a paso en el cual se realizan acciones
dependiendo del estado de los diferentes componentes del sistema, el diagrama
mostrado puede ser traducido a un lenguaje de programación como el listado de
instrucciones o ser expresado mediante un conexionado eléctrico si se desea.
Del mismo modo que se realiza con las tarjetas de adquisición de datos, durante
las prácticas de laboratorio se espera que el estudiante pueda realizar diferentes
programaciones para el control de la variable en mención.
160
Imagen 70. Diagrama Ladder, medición y control de nivel con PLC
Fuente: elaboración propia con base en FluidSim
7.2 CONTROL PARA LA VARIABLE PRESIÓN
En el anexo R se puede observar el correspondiente diagrama P&ID del proceso de

medición y control de presión.
7.2.1 Control para variable presión adaptado a las tarjetas cDAQ. El proceso
a llevar a cabo con ayuda de las tarjetas de adquisición de datos de National
Instruments para la variable presión consistirá en establecer un lazo de control que
permita realizar el presurizado del tanque tipo extintor hasta una presión deseada o
set point con o sin la presencia de perturbaciones (el controlador del lazo será el
sensor de presión Autonics PSA-1), en este caso la perturbación consistirá en dejar
un porcentaje de la válvula reguladora abierto para permitir el escape del aire; con
este escenario al llegar al set point establecido la válvula para ingreso de aire se
desactivará cerrando el paso de aire comprimido hacia el tanque tipo extintor, sin
embargo, debido a la existencia del escape de aire, la presión caerá nuevamente
por debajo del set point establecido por lo cual el lazo de control debe ser capaz de
activar nuevamente la válvula que permite el ingreso del aire comprimido para
compensar la pérdida de presión; adicionalmente si se llega a presentar el escenario
en el cual la presión del sistema se encuentre por encima del set point establecido
el lazo de control debe encontrarse en la capacidad de activar la válvula para
vaciado del tanque tipo extintor y liberar la sobrepresión que exista en el sistema.
A continuación, se muestran los diagramas de flujo y de bloques correspondientes

a la medición y control de la variable presión con la ayuda de las tarjetas de
161
adquisición de datos para brindar un mayor entendimiento de la lógica del proceso
y la relación entre sus componentes:
Imagen 71. Diagrama de flujo variable presión adaptado a tarjetas cDAQ
Imagen 72. Diagrama de bloques sistema de presión adaptado a

tarjetas cDAQ
162
• Interfaz gráfica en el programa LabView:
Imagen 73 Interfaz gráfica variable presión en Software LabView
Del mismo modo que se realizó para la variable nivel, en la imagen 73 se observa
el ejemplo de interfaz gráfica para el proceso de medición y control de la variable
presión con ayuda de la tarjeta de adquisición de datos, se resalta nuevamente
que para las prácticas de laboratorio que se espera se realicen con el módulo el
estudiante debe desarrollar este tipo de interfaces en las cuales se pueda ver el
funcionamiento del proceso que exigido por el docente para la práctica. (La
interfaz, su programación y funcionamiento se encuentran en el CD).
7.2.2 Control para la variable presión adaptado al PLC. Para el caso del control
y la medición de la variable presión con PLC el proceso general será el mismo
mencionado en el control mediante el uso de las tarjetas de adquisición de datos,
sin embargo, en este caso el control se establecerá a partir de la señal enviada por
un presostato en cual cerrará o abrirá un contacto dependiendo de la situación,
controlando la apertura y cierre de las diferentes válvulas para mantener la presión
deseada, con o sin perturbaciones en el sistema.
163
A continuación, se muestran los correspondientes diagramas de flujo y de bloques:
Imagen 74. Diagrama de flujo para la variable presión mediante PLC
Imagen 75. Diagrama de bloques para la variable presión

mediante PLC
164
• Programación para control de la variable presión con PLC
Imagen 76. Diagrama de PLC para sistema de presión
Fuente: elaboración propia con base en FluidSim
En la imagen 76 se observa el diagrama ladder correspondiente a la

programación del proceso general que se debe llevar a cabo con el módulo para
la medición y control de la variable presión mediante PLC. Al igual que para la
variable nivel, el método de programación utilizado para desarrollar el diagrama
ladder del proceso fue el método paso a paso en el cual se realizan acciones
dependiendo del estado de los diferentes componentes del sistema, el diagrama
mostrado puede ser traducido a un lenguaje de programación como el listado de
instrucciones u otro si se desea.
Del mismo modo que se realiza con las tarjetas de adquisición de datos, durante
las prácticas de laboratorio que se espera que el estudiante pueda realizar
diferentes programaciones para el control de la variable en mención.
7.3 CONTROL PARA LA VARIABLE CAUDAL
Como se enunció previamente en el presente capítulo, la medición y control para la

variable caudal solo se realizará adaptada a la tarjeta de adquisición de datos,
debido a la no compatibilidad del sistema PMW (encargado de generar la variación
de giro de la bomba, que se explicará posteriormente) con el PLC.
Para este caso el proceso de medición y control consistirá en primera instancia, en

llenar el tanque inferior del módulo hasta la cota que indique el sensor de nivel alto
del mismo, paso seguido se encenderá de manera continua la bomba centrífuga del
módulo (es importante tener en cuenta que las válvulas ubicadas en la parte inferior
del tanque superior deben activarse o encontrarse completamente abiertas para
165
permitir la recirculación del fluido de trabajo hacia el tanque inferior), una vez
operando la bomba centrífuga, se llevará a cabo el proceso de comparación del
valor de caudal bombeado por la misma (medido por la turbina de medición de flujo)
con el caudal deseado o set point, dependiendo del valor de lectura, el lazo de
control establecido para este caso debe encontrarse en la capacidad de aumentar,
mantener o disminuir la velocidad de giro de la bomba con el fin de alcanzar el valor
de set point establecido; adicionalmente se debe permitir el establecimiento de una
perturbación, que debe ser compensada por el lazo de control; para este proceso,
la perturbación se establecerá mediante una válvula de bola (caracterizada
previamente en el documento), la cual se abrirá o cerrará en cierta magnitud,
afectando el caudal manejado en el proceso y por consiguiente el lazo de control
deberá actuar para alcanzar el valor de caudal deseado.
En las imágenes 77 y 78 se muestran el diagrama de flujo y de bloques

correspondientes al proceso de medición y control de caudal permitiendo un mayor
entendimiento de la lógica del proceso y la relación existente entre sus cada uno de
los elementos que conforman el sistema.
Imagen 77. Diagrama de flujo para la variable caudal
166
Imagen 78. Diagrama de bloques del sistema de caudal
• Interfaz gráfica en software LabView
Imagen 79. Interfaz gráfica variable caudal en software LabView
Fuente: Elaboración propia con base en software LabView
167
Del mismo modo realizado para las variables nivel y presión, en la imagen 79 se
muestra la interfaz correspondiente al proceso de medición y control para la
variable caudal. (Para observar la interfaz, su correspondiente programación y
funcionamiento remítase al CD).
7.4 CAJA PARA CONEXIONADO DE ELEMENTOS DEL MÓDULO
Con el fin de brindar orden en el conexionado de cada uno de los componentes

eléctricos del módulo, una interfaz de conexiones amigable para el estudiante a lo
largo del desarrollo de los diferentes lazos de control planteados, permitir
conexiones desde el módulo didáctico hacia el PLC y hacia la tarjeta de adquisición
de datos (de manera independiente, teniendo en cuenta que solo se realiza
conexión módulo-PLC o módulo-tarjeta de adquisición de datos, nunca conexiones
simultaneas) y evitar el uso inadecuado del equipo, en la presente sección se
plantea el diseño de una caja para conexionado de los elementos eléctricos del
módulo, cuya interfaz se muestra en la siguiente imagen.
Imagen 80. Caja de conexionado eléctrico del módulo
La caja de distribución se encontrará dividida en dos zonas principales, la primera

con el objeto de proporcionar la comunicación con el PLC y la segunda con el fin de
permitir la comunicación de manera independiente con la tarjeta de adquisición de
datos, del mismo modo, cada una de las dos zonas se encuentra subdividida en
conexiones de entrada, conexiones de salida y conexiones para la bomba;
adicionalmente, en su parte inferior, cuenta con una conexión que permite su
alimentación eléctrica.
168
En el caso de la zona correspondiente al PLC cuenta con un total de cuatro entradas
y cuatro salidas digitales, cuyo principio de funcionamiento consiste en un contacto
que abre o cierra de acuerdo al requerimiento del proceso, una zona para la
recepción de la señal del PLC dirigida a la bomba y para su correspondiente señal
de activación y adicionalmente con una conexión que permite la comunicación entre
la caja de distribución y el PLC.
En cuanto a la zona que permite la comunicación con la tarjeta de adquisición de

datos, esta cuenta con dos entradas y cuatro salidas digitales, cuyo principio de
funcionamiento también se encuentra basado en un contacto que abre o cierra de
acuerdo al requerimiento del proceso, tres entradas análogas, las cuales permiten
la energización del componente y la extracción de su correspondiente señal, un
conector que permite la comunicación con la tarjeta de adquisición de datos, y una
zona para el conexionado de la bomba; en este caso, dentro de las conexiones para
la bomba se tiene un par de conexiones adicionales denominadas como PWM, esto
debido a que durante el proceso es necesario la variación de la velocidad de la
misma.
Para llevar a cabo el proceso de variación de la velocidad de la bomba en el lazo de

control de caudal, es necesario recurrir a una técnica denominada PWM (Pulse
Width Modulation) la cual permite modificar el ancho de pulso o ciclo de trabajo de
una señal (sin modificar su frecuencia), controlando de este modo la cantidad de
energía enviada.
Imagen 81. Intensidad lumínica PWM
169
Un ejemplo básico de la técnica PWM puede observarse en la imagen 81 en la cual
se modifica la intensidad lumínica de una bobilla a partir de la aplicación del PWM,
como se observa la frecuencia de la señal sigue siendo la misma y la modificación
tiene lugar en el tiempo que la onda permanece en su punto más alto, permitiendo
de este modo regular la cantidad de energía enviada.
La modificación del ciclo de trabajo de las señales es de gran utilidad en la

regulación de la velocidad de giro de algunos motores eléctricos como lo son
motores de inducción o asíncronos, la técnica permite conservar el par motor
constante y durante el desarrollo de la misma no se genera desaprovechamiento
alguno de energía eléctrica, adicionalmente puede ser utilizada tanto para corriente
continua como corriente alterna, en señales de tipo cuadradas o sinusoidales.
Para el caso aplicado al presente módulo didáctico, esta acción puede realizarse
con ayuda de la tarjeta de adquisición de datos y su correspondiente programación
mediante el software LabView ya sea mediante la opción “Signal Processing”, como
se observa en la imagen 82, la cual permite la simulación de señales, o mediante el
uso de una librería adicional al software que contenga la función PWM integrada.
Una vez realizado este procedimiento se obtiene una señal (modulada de acuerdo
a los requerimientos del proceso) que activará o desactivará la bomba a la velocidad
de giro adecuada; sin embargo, la tarjeta de adquisición de datos cuenta con un
voltaje de operación máximo de 10 voltios y la bomba que se desea activar trabaja
a un voltaje de 24 voltios, razón por la cual para el encendido y apagado de la bomba
es necesario hacer uso de un elemento electrónico que permita compensar dicha
diferencia de voltaje, con el fin de proteger la integridad de la tarjeta, este elemento
recibe el nombre de “Mosfet” (para este caso será el IRF 520) y está encargado de
generar una etapa de potencia, compensando de este modo la diferencia de voltaje
entre los elementos. Una vez la señal ha sido amplificada con ayuda del Mosfet,
esta pasará a la bomba para permitir su activación o desactivación, como se
muestra en la imagen 83.
170
Imagen 82. Configuración PWM LabView
Imagen 83. Esquema de comunicación para PWM
Fuente: elaboración propia con base en NAYLAMP. [sitio web]. Naylamp

mechatronics. [Consulta: 1 mayo 2019]. Disponible en: https://naylamp
mechatronics.com/drivers/239-driver-mosfet-irf520.html
De acuerdo a lo expuesto en la imagen 83, en la parte inferior (Vin y GND) serán

alimentados por una fuente de 24 voltios y su respectiva salida de tierra a 0 voltios,
la parte izquierda será conectada con la tarjeta de adquisición de datos ( 5V, 0V y
señal) (“PWM” en caja de distribución diseñada), y por último el Mosfet entregará
una señal de salida a la bomba como lo indica la parte derecha (V+ y V-) (“Señal
salida a bomba” en la caja de distribución diseñada).
171
7.5 COMUNICACIÓN ENTRE MÓDULO Y TARJETAS CDAQ
Una vez conocida la forma en la cual se realizará el conexionado de los

componentes del módulo sobre la caja de distribución mostrada en la sección
anterior, en la presente sección se identificarán las conexiones con las cuales
cuenta la tarjeta de adquisición de datos presente en el laboratorio con el fin de
permitir la comunicación con el módulo y adicionalmente se enunciará un ejemplo
de conexionado que se podría presentar durante las prácticas de laboratorio, esto
con el objeto de brindar un mayor entendimiento del mismo.
7.5.1 Interfaz y conexiones de tarjeta de adquisición de datos. En la imagen

84 se presenta la interfaz con la cual se encontrará el estudiante al realizar las
prácticas de laboratorio utilizando la tarjeta de adquisición de datos como medio de
control del módulo, como se observa, las conexiones generales con las cuales
cuenta la tarjeta consisten en cinco salidas digitales, cinco entradas digitales, cuatro
salidas análogas, cinco entradas análogas, una entrada para alimentación de voltaje
y una serie de puntos conmutables. (En el Anexo S se encuentra la correspondiente
ficha técnica de la tarjeta de adquisición de datos cDAQ).
Imagen 84. Tarjeta de Adquisición de datos
Las conexiones que realizará el estudiante con el fin de establecer los lazos de
control para las diferentes variables consistirán en llevar la señal, con la ayuda de
cables de conexión tipo “banana”, de la caja de distribución eléctrica del módulo a
la caja de la tarjeta de adquisición de datos y viceversa, según lo establezca el
docente orientador de la práctica o el mismo estudiante.
172
7.5.2 Ejemplo de conexionado entre módulo y tarjeta de adquisición de
datos. En la imagen 85, se expone a manera de ejemplo un tipo de conexionado
que podría presentarse a lo largo de las prácticas de laboratorio, cabe aclarar que
los conexionados pueden tener diversas variaciones dependiendo de la lógica de
programación de la persona que se encuentre diseñando los lazos de control y
operando el módulo didáctico. Para este caso el tipo de conexionado expuesto en
la imagen correspondería a una programación básica para medición y control de la
variable nivel.
Imagen 85. Ejemplo de conexionado con tarjeta de adquisición de datos
7.6 COMUNICACIÓN ENTRE MÓDULO Y PLC
Debido a que el módulo se encontrará en la capacidad de comunicarse y ser

controlado por medio de un PLC, en la presente sección se identificará la interfaz
de conexionado del PLC presente en el laboratorio y se mostrará a manera de
ejemplo uno de los conexionados que se podrían presentar durante las prácticas de
laboratorio. (En el Anexo T se encuentra la correspondiente ficha técnica del PLC).
7.6.1 Interfaz y conexiones PLC. En la siguiente imagen se identifica la interfaz

con la cual se encontrará el estudiante a lo largo de las prácticas de laboratorio al
utilizar el PLC como medio de control para el módulo didáctico, adicionalmente, en
la imagen se pueden observar las diferentes conexiones correspondientes a las
entradas (identificadas en color rojo) y salidas del dispositivo (identificadas en color
negro), así como la conexión a 24V (identificada con el signo “+”) y la conexión a 0V
(identificada con el signo “-“) que permiten el energizado de la caja, por último, se
observa la conexión “DB25” que permite la comunicación entre el PLC y el
computador (Identificada en color azul).
173
Imagen 86. Conexiones PLC
7.6.2 Ejemplo de conexionado entre módulo y PLC. En la imagen 87, se

expone a manera de ejemplo un tipo de conexionado que podría presentarse a lo
largo de las prácticas de laboratorio al utilizar como elemento de control el PLC,
cabe aclarar que los conexionados pueden tener diversas variaciones dependiendo
de la lógica de programación de la persona que se encuentre diseñando los lazos
de control y operando el módulo didáctico.
Imagen 87. Ejemplo de conexionado con PLC
174
8. MANUALES
8.1 MANUAL DE OPERACIÓN DEL EQUIPO
En la siguiente imagen se observa una aproximación del módulo didáctico una vez
construido, adicionalmente en el anexo W se encuentra su correspondiente ficha
técnica.
Imagen 88. Módulo didáctico para medición y control de
nivel, presión y caudal
Fuente: elaboración propia con base en Solid Edge ST9
175
8.1.1 Advertencias y precauciones.
• No realice conexiones de forma simultánea o entre la sección destinada al PLC

y la sección destinada a la tarjeta de adquisición.
Imagen 89. Precaución para manipulación de caja de conexionado eléctrico del módulo
• Todos los componentes del módulo funcionan a 24 VDC, por

tanto, asegúrese de realizar el conexionado a dicho voltaje.
• No realice conexiones nuevas, ni desconecte aquellas ya

realizadas durante el funcionamiento del equipo; si le es necesario
realizar modificaciones, detenga el programa y desenergice el
equipo antes de realizar cualquier modificación.
• No opere ninguna conexión eléctrica con las manos húmedas o

mojadas
• Tenga en cuenta a la hora de realizar programaciones, que la

bomba no debe ser activada si el sensor de nivel bajo del tanque
inferior se encuentra desactivado, es decir, para poder activar la
176
bomba el nivel de fluido de trabajo nunca debe ser inferior a la altura a la cual se
encuentra el sensor de nivel bajo del tanque inferior (Ver imagen 90).
Imagen 90. Nivel mínimo en tanque inferior para

activación de bomba

Edge ST9
• En caso de identificar alguna anomalía durante el funcionamiento del equipo,

realice la completa desenergización del sistema, verifique los parámetros de
funcionamiento del mismo e informe a la persona encargada del laboratorio de
ser necesario.
• Previo al funcionamiento del equipo verifique la correcta posición para las

válvulas de bola y de globo según el proceso a llevar a cabo.
• Una vez terminadas las practicas que involucran la variable presión,

despresurice completamente el sistema
8.1.2 Operación del equipo.
1. Energizar caja de distribución del módulo.
Imagen 91. Sección para alimentación de caja de conexionado del módulo
2. Identificar el sistema de control a utilizar (Tarjeta de adquisición de datos o PLC).

3. Energizar el tipo de sistema de control seleccionado según corresponda.
4. Realizar la conexión entre el tipo de sistema de control seleccionado y el PC
mediante el tipo de conexión que se muestra en la siguiente imagen.
177
Imagen 92. Conexión DB25
5. En caso de trabajar con la variable presión, realice las respectivas conexiones

neumáticas, con base en el funcionamiento deseado. En caso de trabajar con
las variables caudal o nivel, verifique el estado de las conexiones y diferentes
elementos del sistema.
Imagen 93. Manguera para aire comprimido
6. Proceder a realizar el conexionado entre la caja de distribución del módulo y el

sistema de control seleccionado según el proceso deseado y la programación
realizada por el usuario con ayuda de los cables tipo banana presentes en el
laboratorio.
Imagen 94. Cables tipo banana
178
7. En caso de trabajar variables como caudal o nivel, tenga en cuenta abrir la llave
de paso de agua para permitir el acceso del fluido de trabajo. En caso de trabajar
con la variable presión, tenga en cuenta permitir el paso de aire presurizado por
medio de la unidad FRL.
Imagen 95. Unidad FRL
8. Ejecute la programación diseñada con el fin de llevar a cabo el proceso

realizado.
9. Una vez ejecutada la programación y terminado el proceso o de estar
ejecutándose el mismo y sea necesario o se desee detenerlo, detenga el
programa y desenergice los componentes, en caso de que desee realizar otro
proceso o practica en el módulo regrese al paso 5, en caso de haber finalizado
la práctica remítase al paso 10.
10. Realice la completa desconexión del cableado utilizado para la práctica, dejando
cada uno de los elementos utilizados durante la práctica en orden.
179
8.2 MANUAL DE INSPECCIÓN DE MANTENIMIENTO
Para el desarrollo del manual de inspección de mantenimiento perteneciente al módulo didáctico se tendrá en cuenta,
el mantenimiento preventivo el cual se encarga, como su nombre lo indica, de realizar inspecciones y llevar a cabo
acciones con el fin de prevenir la ocurrencia de la falla.
Cuadro 15 Manual e inspección de mantenimiento para módulo didáctico

MANUAL DE INSPECCIÓN DE MANTENIMIENTO PARA EL MÓDULO DIDACTICO PARA EL
MONITOREO Y CONTROL DE NIVEL PRESIÓN Y CAUDAL
Sistema Elemento Tipo de inspección Actividad a realizar Periodicidad
A) Colocar una cinta de color llamativo para
A) Verificar abolladuras, tener precaución en dicho punto.
Tanque tipo
B) Verificar grietas y B) En caso de presentarse un estado 6 meses
extintor
fugas avanzado de deterioro, grietas o fugas,
cambiar el elemento.
A) Verificar deterioro o A) Realizar la reparación correspondiente o
grietas en los perfiles o en caso de encontrar un nivel de deterioro
Estructura en uniones soldadas. avanzado cambiar la sección dañada. 6 meses
Estructural B) Verificar presencia de B) Lijar zona afectada y aplicar un producto
corrosión. anticorrosivo.
Vaciar tanques y realizar limpieza de los
Semanal
mismos.
Tanques de A) Verificar A) En caso de ser una deformación
acrílico deformaciones considerable cambiar elemento.
3 meses
B) Verificar grietas y B) En caso de grietas y fugas, cambiar el
fugas elemento
180
A1) Evaluar la reparabilidad de la fuga
A) Verificar la presencia
según corresponda
de fugas
Tubería y A2) En caso de no ser reparable,
B) Verificar 3 meses
accesorios cambiar componente
obstrucciones en líneas
B) En caso de obstrucción, realizar
de flujo.
limpieza de la tubería.
A) Realizar pruebas de
A) En caso de anomalía revisar rodete,
presión de succión e
empaques y verificar estado de
impulsión verificando su 6 meses
Hidráulico Bomba elementos rotativos.
buen funcionamiento
B) Reparar o cambiar las conexiones
B) Verificar estado de
deterioradas.
conexionado eléctrico.
A) Verificar el estado de A) Reparar la conexión dañada o
Conexiones de
Eléctrico las conexiones, física y realizar cambio en caso de deterioro 3 meses
cableado
funcionalmente. considerable.
A1) Comprobar la correcta instalación
A) Verificar fugas. del componente.
B) Verificar A2) En caso de persistir la fuga cambiar
Válvula de alivio 3 meses
accionamiento al llegar a componente.
la presión de trabajo. B) En caso de no accionamiento cambiar
Presión
válvula.
A1) Comprobar correcta instalación y
Válvula estado de sus componentes.
A) Verificar fugas 6 meses
reguladora A2) En caso de persistir la fuga cambiar
componente.
181
A) Verificar estado de acoples A) En caso de deterioro cambiar
Presión Presostato a mangueras neumáticas acople 5 meses
B) Mantener calibrado B) Calibrar con un presostato patrón
A) Comprobar el correcto A1) Reparar o cambiar conectores o
Caja de funcionamiento de cada cables que no se encuentren
distribución conector y de componentes funcionando correctamente. 4 meses
eléctrica con vida útil limitada como A2) Cambiar componentes dañados.
relés y fusibles.
Sensor de Verificar estado de las
Reparar o cambiar conexiones en
nivel tanque conexiones y realizar pruebas 3 meses
mal estado.
inferior de continuidad
Sensor de Verificar estado del Reparar o cambiar conexiones en
3 meses
presión conexionado eléctrico. mal estado.
Sensor Verificar estado del Reparar o cambiar conexiones en
Control 3 meses
ultrasónico conexionado eléctrico. mal estado.
A) Verificar estado del A) Reparar o cambiar conexiones en
Sensor de conexionado eléctrico. mal estado.
3 meses
flotador B) Verificar funcionamiento B) En caso de no indicar nivel alto o
del reed switch bajo, cambiar componente.
Sensor de flujo Verificar estado del Reparar o cambiar conexiones en
3 meses
tipo turbina conexionado eléctrico. mal estado.
A) Verificar la presencia de A) En caso de no reparabilidad de la
fugas y funcionamiento del fuga cambiar el componente o el
Electroválvulas 3 meses
solenoide. solenoide según sea el caso.
182
B) Verificar estado del B) Reparar o cambiar conexiones en mal
Electroválvulas 3 meses
Control conexionado eléctrico. estado.
183
9. IMPACTO AMBIENTAL
Con el fin de analizar el impacto ambiental del módulo didáctico se utilizará una
tabla en la cual se verificará el impacto y la solución a los problemas ambientales
que pueda producir el módulo; para esto se tendrá en cuenta la operación del
mismo, con base en lo anterior se muestra la siguiente tabla en la cual se representa
de forma cualitativa la importancia que ejerce cada parámetro.
Tabla 44. Caracterización del impacto ambiental

Aspecto
Proceso Actividad Impacto ambiental Solución
ambiental
No genera impacto
Generación
al encontrarse por
Bombeo del agua de ruido
Ruido debajo del número
del tanque inferior durante la No aplica
de decibeles
al superior. operación de
permitidos
bombeo.
(75dB(A)31).
Reutilizar el
Aumento de la agua el
temperatura del mayor
Hídrico Uso de agua como Uso de agua agua al ser número de
fluido de trabajo en potable. transportada por veces posible
el módulo. medio de una para reducir
bomba. la cantidad
utilizada.
Impacto positivo,
Llenado y vaciado
Atmosférico debido a que en el
de tanque tipo Uso de aire. No aplica
proceso se eliminan
extintor.
impurezas del aire.
Hacer uso
responsable
Funcionamiento
de los
de sensores, PLC, Uso de Aumento en
dispositivos y
Eléctrico bomba, tarjeta de energía consumo de la
realizar total
adquisición de eléctrica. energía.
desconexión
datos,computador.
finalizadas
las prácticas.
Como observa, el impacto ambiental que produce el funcionamiento del módulo es

mitigable y tiene solución, adicionalmente, su afectación al ambiente es mínima.
31 COLOMBIA. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. [sitio

web]. Resolución 627 (07, abril, 2006). Por la cual se establece la norma nacional de emisión de
ruido y ruido ambiental. [Consulta: 10 Abril 2019]. Disponible en: http://www.minambiente.gov.
co/images/BosquesBiodiversidadyServiciosEcosistemicos/pdf/Normativa/Resoluciones/res_0627_0
70406.pdf.
184
10. ANÁLISIS DE COSTOS
La última sección del presente documento permite conocer el valor del proyecto en
términos de costos de componentes, fabricación, insumos y costo de ingeniería, a
continuación, se realiza la discriminación de cada uno de los costos anteriormente
mencionados.
10.1 COSTO DE INSTRUMENTACIÓN Y COMPONENTES PARA EL MODULO
Con el fin de conocer el costo de los componentes que harán parte del módulo se
realizó una búsqueda en el mercado de los mismos, en el anexo X se observan las
respectivas cotizaciones que sustentan el costo de los componentes en mención.
Tabla 45. Costo de componentes para el módulo

Unidad de Valor Valor
Elemento Cantidad
medida unitario total
Sensor Ultrasónico Unidad 1 260.000 260.000
Sensor de nivel reed switch Unidad 1 136.850 136.850
Sensor de nivel punto sencillo Unidad 2 22.991 45.982
Rotámetro Unidad 1 196.350 196.350
Turbina para medición de flujo Unidad 1 27.370 27.370
Manómetro Unidad 1 41.650 41.650
Sensor de presión Autonics
Unidad 1 406.980 406.980
PSA-1 NPT 1/8”
Válvula solenoide de 1/2" Unidad 2 636.650 1.273.300
Válvula solenoide de 1/4” Unidad 2 636.650 1.273.300
Caja de distribución 28x28x13 Unidad 1 90.000 90.000
Bornera Unidad 20 1.357 27.132
Rollo de
Cable AWG 22 1 28.679 28.679
100 Metros
Bomba Shenpeng P6017 Unidad 1 60.000 60.000
Tubería PVC 1/2" Metros 2 1.200 2.400
Tubería PVC 1” Metros 1 1.500 1.500
Válvula de globo de 1/2” Unidad 1 22.000 22.000
Válvula de bola de 1/2” Unidad 1 20.000 20.000
Codos PVC Unidad 3 300 900
SUBTOTAL 3.914.393
10.2 COSTO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL
El sistema estructural será el encargado de soportar los componentes anteriormente

mencionados y estará conformado por la estructura general del módulo (cuyo costo
185
no se incluye al encontrarse construida y en perfecto estado), soportes, laminas y
tanques, los costos de cada elemento se reflejan a continuación:
Tabla 46. Costo del sistema estructural

V/ UNIDAD TOTAL
ÍTEM UNIDAD CANTIDAD
($) ($)
Lamina de alfajor Lámina 1 (3mx1m) 450.700 450.700
Lamina A36 Lámina 1(4mx6m) 201.218 201.218
Perfil A36 m 3 38.933 38.933
Tanque cilíndrico en acrílico Unidad 1 90.000 90.000
Tanque cubico en acrílico Unidad 1 65.000 65.000
Barra Empack m 0.5 195.000 195.000
SUBTOTAL $ 1.040.851
10.3 COSTOS DE FABRICACIÓN
En la presente sección se presentan los costos relacionados con el proceso de

construcción del módulo, se tienen en cuenta actividades tanto para fabricación de
ciertos componentes del módulo como del proceso de ensamblado del mismo.
Tabla 47. Costos de fabricación

ÍTEM UNIDAD CANTIDAD V/ UNIDAD ($) TOTAL ($)
Soldadura - - 150.000 150.000
Torneado - - 110.000 110.000
Armado Hora 30 8.289 248.700
SUBTOTAL 508.700
10.4 COSTOS DE TALENTO HUMANO
En esta sección se tiene en cuenta el trabajo desarrollado por los proponentes del
proyecto, el director del mismo y demás elementos como fungibles; a continuación,
se discrimina cada uno de los ítems a tener en cuenta con su respectivo costo:
Cuadro 16. Costos de talento humano del proyecto

ITEM UNIDAD CANTIDAD V/UNIDAD TOTAL
($) ($)
Proponentes (2) H-H 1.428 7.000 9.996.000
Director H-H 110 41.000 4.510.000
Total Talento Humano $14.506.000
Computadora Unidad 2 3.000.000 6.000.000
186
ITEM UNIDAD CANTIDAD V/UNIDAD TOTAL
($) ($)
Software (Solid Edge Horas 35 15.000 525.000
ST10)
Software Horas 30 20.000 600.000
LabView
Software (NX11) Horas 15 14.000 210.000
Total Maquinaria y
$7.335.000
Equipo
Libros Unidad 4 90.000 360.000
Papel Resma 2 12.000 24.000
Tinta Tóner 6 75.000 450.000
Total Fungibles $ 834.000
Transportes Pasajes 640 2.100 1.344.000
Total Otros Gastos $1.344.000
SUB TOTAL $ 24.019.000
10.5 COSTO TOTAL DEL PROYECTO
El costo total del proyecto está conformado por la sumatoria de cada uno de los
cuatro ítems mencionados anteriormente, el valor total del proyecto se muestra en
la siguiente tabla:
Tabla 48. Costo total del proyecto

Ítem Valor ($)
Costo de instrumentación y componentes para el modulo 3.914.393
Costo del sistema estructural 1.040.851
Costos de fabricación 508.700
Costos de talento humano 24.019.000
Total 29.482.944
Como se observa, luego de realizar la suma de cada uno de los ítems se obtiene un
costo total para el proyecto correspondiente al módulo didáctico de medición y
control de nivel, presión y caudal es de $29.482.944.
187
11. CONCLUSIONES
• El diagnóstico inicial realizado a los diferentes componentes encontrados en el

laboratorio permitió encontrar diversos elementos que pudieron ser
considerados como funcionales para el módulo didáctico, ayudando de este
modo a aprovechar los recursos del laboratorio y permitir una reducción en los
costos generales del módulo; adicionalmente, este proceso brindo información
relacionada con modos de falla de algunos equipos evaluados, dicha
información fue de gran utilidad para el desarrollo general del proyecto, en
especial de la etapa de diseño.
• Con el desarrollo del presente proyecto fue posible la identificación de los

parámetros y requerimientos necesarios para el equipo, lo anterior brindó un
camino a seguir a lo largo del desarrollo del proyecto, siguiendo una serie de
pasos lógicos siempre al margen de los parámetros establecidos.
• El módulo didáctico diseñado permite a los estudiantes de ingeniería en general

el acercamiento práctico a los diversos entornos de control de procesos
industriales y automatización a partir de tres variables físicas principales, lo cual
ayuda a fortalecer el proceso de aprendizaje y a reforzar diferentes conceptos
teóricos vistos en las aulas de clase.
• Gracias a la facilidad de programación compatible tanto para el controlador

lógico programable (PLC) y la tarjeta de adquisición de datos, los estudiantes
tendrán la posibilidad de diseñar diversos procesos o secuencias a partir de
técnicas como diagramas funcionales tipo Grafcet, lenguajes de programación
como listado de instrucciones, Ladder o incluso utilizando su propia lógica
fortaleciendo de este modo su habilidad para manipular variables propias de los
procesos industriales e identificar la importancia de la automatización e
instrumentación y control de procesos en los mismos.
• A lo largo del desarrollo de las prácticas de laboratorio planteadas para el módulo

didáctico el estudiante podrá identificar, apropiar y fortalecer conocimientos
adquiridos en asignaturas como automatización o instrumentación y control de
procesos gracias al contacto directo con elementos como sensores, indicadores,
controladores, válvulas, al desarrollo propio de lazos de control, a la aplicación
de diversos métodos de programación e incluso a la posibilidad de desarrollar
diagramas de tipo P&ID.
• En términos de costos se pudo identificar la competitividad del equipo diseñado

con otros equipos de características similares o incluso inferiores, siendo el
equipo diseñado menos costoso y más versátil tanto en términos de interacción
188
con el estudiante como en términos de compatibilidad de programación,
convirtiendo de este modo al “Módulo didáctico para medición y control de nivel,
presión y caudal” en una gran herramienta tanto para estudiantes como para
docentes.
• A lo largo del desarrollo del proyecto se aplicaron en su gran mayoría las

asignaturas vistas a lo largo de la carrera, unas con mayor profundidad que
otras, e incluso se incursionó en nuevas áreas del conocimiento, lo cual permitió
afianzar algunos conceptos e identificar la importancia de los mismos en el
desarrollo de un proyecto; del mismo modo se identificó la importancia de la
planeación, organización, estructuración y cumplimiento de cada una de las
fases de un proyecto con el fin de dar correcto cumplimiento al mismo.
189
12. RECOMENDACIONES
• Realizar adecuado seguimiento y cumplimiento de los parámetros y

recomendaciones establecidos en el manual de operación como de inspección
y mantenimiento del módulo didáctico con el fin de evitar accidentes que puedan
afectar la integridad tanto del personal que manipule el equipo, como del módulo;
asegurando de este modo el aumento en la vida útil del equipo.
• Se recomienda llevar a cabo la construcción del módulo con el fin de realizar la

validación experimental del diseño y programación planteados en el presente
documento; en caso de materializarse el proceso de construcción del equipo, se
sugiere este sea realizado por una persona con los conocimientos y habilidades
en áreas como mecánica, electrónica y automatización con el fin de asegurar el
correcto montaje y una adecuada puesta a punto del equipo.
• Debido a la gran versatilidad y a las amplias posibilidades de programación del

módulo, se recomienda realizar una futura ampliación de las guías de laboratorio
con el fin de obtener un mayor aprovechamiento de este recurso.
• En términos de temperatura del fluido de trabajo, se recomienda, con el fin de

asegurar el correcto funcionamiento del equipo y la prolongación de la vida útil
del mismo, operar siempre con el fluido de trabajo a temperatura ambiente, esto
con el objeto, principalmente, de evitar cavitación en la bomba del módulo y
adicionalmente de evitar degradación en cualquier componente en caso de
exceder los límites operativos de temperatura permitidos para el mismo.
190
BIBLIOGRAFIA
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Disponible: en: http://caminos.udc.es/info/asignaturas/grado_itop/411/contenido_
publico/recursos /tema07.pdf.
192
ANEXOS
193
ANEXO A.
CARACTERÍSTICAS DE CABLE AWG22
194
ANEXO B.
PROPIEDADES DEL ACRÍLICO
• Propiedades mecánicas
Resistencia al impacto de lámina de PMMA comparada con la de vidrio de diferentes tipos
195
• Propiedades ópticas del PMMA
196
ANEXO C.
TUBERÍA PVC PAVCO
197
ANEXO D.
O-RING SELECCIONADO
198
ANEXO E.
TABLA DE COORDENADAS Y NOMOGRAMA PARA VISCOSIDADES DE
DIFERENTES FLUIDOS
199
200
ANEXO F.
ROTÁMETRO A USAR EN EL MÓDULO
201
202
ANEXO G.
BOMBA SHENPENG P6017
• Características principales:
- Peso: 0,4 Kg
- Nivel de protección: IP68
- Clase de aislamiento: Clase F
- Vida útil: 15000 horas
• Dimensiones:
203
• Curva característica de la bomba
• Tabla de parámetros de rendimiento
204
ANEXO H.
SENSOR DE NIVEL ULTRASÓNICO DINGTEK DF520
• Especificaciones
• Interfaz
205
ANEXO I.
SENSOR DE NIVEL POR FLOTADOR REED SWITCH “RGP 472-S”
• Principales características
206
ANEXO J.
SENSOR DE NIVEL POR FLOTADOR INTERRUPTOR “L6-P”
• Características generales
207
ANEXO K.
DATASHEET TURBINA DE MEDICIÓN DE FLUJO
208
209
• Características técnicas
210
ANEXO L.
SENSOR DE PRESIÓN AUTONICS PSA-1 1/8NPT
• Características principales
211
212
ANEXO M.
MANÓMETRO WINTERS PFP824ZRR1
213
214
ANEXO N.
ELECTROVÁLVULA 2W-160-15 1/2NPT NC
• Designación
• Especificaciones técnicas
215
• Dimensiones
216
ANEXO Ñ.
CATÁLOGO LÁMINA ALFAJOR
217
ANEXO O.
LAMINA DEL SOPORTE SUPERIOR
218
ANEXO P.
DIMENSIONES DE SOLDADURA
219
220
ANEXO Q.
VALOR DE MOMENTO DE INERCIA PARA PERFIL EN L
221
ANEXO R.
DIAGRAMAS P&ID MÓDULO DIDÁCTICO
• Diagrama para medición y control de la variable nivel
• Diagrama para medición y control de la variable presión
222
• Diagrama para medición y control de la variable caudal
223
ANEXO S.
TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS cDAQ-9174
224
225
ANEXO T.
ESPECIFICACIONES CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) FX1n
226
227
ANEXO U.
GUÍA 1: Práctica de laboratorio con tarjeta de adquisición de datos
Código:
FUNDACION UNIVERSIDAD DE AMERICA
FO-10-PR-EF-019
FACULTAD DE INGENIERIAS Versión 0
GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO Febrero 2014
PROGRAMA: Ingeniería Mecánica DEPARTAMENTO: Ingeniería aplicada
NOMBRE ASIGNATURA: CODIGO:
PRÁCTICA No. NOMBRE DE LA PRÁCTICA:

Monitoreo y control de variable nivel, presión y caudal mediante tarjetas
de adquisición de datos y software LabView
1 INTRODUCCIÓN Y MARCO TEÓRICO:

El alcance de la práctica es permitir al estudiante el acercamiento al monitoreo y control de
variables físicas presentes en diversos procesos industriales como nivel, presión y caudal;
adicionalmente la práctica permitirá al estudiante afianzar conocimientos adquiridos en el aula de
clase de manera interactiva con ayuda del software LabView.
Módulo didáctico:
Consiste en un elemento o material que aporta todas las herramientas necesarias para fortalecer y apalancar
el proceso de aprendizaje de conceptos y desarrollo destrezas en el estudiante, a su propio ritmo y sin el
acompañamiento presencial o continuo del docente.
Sistema de control: Es aquel en el cual la salida de un proceso se controla con el fin de tener un
valor específico o cambiarlo, según lo determine su entrada.
• Señales de control: Acciones elaboradas por el sistema de control o dadas por un operario a
través de variables manipuladas.
• Perturbación: Señal que tiene a afectar adversamente el valor de salida de un sistema.
• Set Point: Se define como cualquier punto de ajuste de una variable en un sistema de control,
también es conocido como valor de consigna o referencia.
• Proceso industrial: Sucesión de cambios graduales de materia y energía. Todo proceso
implica una transformación.
• Variables de salid: Son aquellas que caracterizan el estado de los procesos dentro de la
planta, son guiadas por variables controladas.
• Error: Es la diferencia entre el set point y la variable controlada
• Controlador: Elemento encargado de entregar una señal adecuada al proceso, con el fin de
reducir el error.
Medición de caudal:
El caudal se define como la cantidad de fluido que circula a través de una sección o ducto por
unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido puede ser medida en términos de masa o de volumen
por lo cual se puede tener flujo másico o flujo volumétrico.
228
Código:
FO-10-PR-EF-019
La turbina para medición de flujo es un dispositivo que hace uso de la energía cinética del fluido
de trabajo para hace girar un rotor, este dispositivo realiza la medición de la velocidad con la cual
gira el rotor y la traduce en una medición del caudal del proceso, la velocidad de giro del rotor y la
lectura de caudal serán directamente proporcionales. Cabe aclarar que la turbina para medición
de flujo presente en el módulo entregará una señal pulsante o tren de pulsos producto de la
medición, los cuales serán transformados en una lectura de caudal directamente proporcional.
Para esto es de utilidad la siguiente fórmula:
𝐿 𝑃𝑢𝑙𝑠𝑎𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟(𝐻𝑧)
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 ( )=
𝑚𝑖𝑛 7.5
Turbina para medición de flujo
Medición de nivel:
La medición de nivel consiste en medir la altura a la que se encuentra la superficie del líquido o
sólido a partir de un punto de referencia.
• Sensor Flotador: Se compone de un flotador el cual se eleva a medida que aumenta el nivel. El
flotador es un imán y dentro de la guía del flotador se encuentran sensores tipo “reed switch” que
detectarán la presencia del flotador.
Sensor de nivel tipo flotador
• Sensor ultrasónico: Se compone de un transmisor de ondas que se encuentra en la parte superior

del tanque, este realiza medición indirecta del nivel a partir de la medición del tiempo de recorrido
de la onda producida, a mayor tiempo más vacío se encuentra el tanque.
Sensor de nivel ultrasónico
229
Código:
FO-10-PR-EF-019
Medición de presión:
Se define como la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa dicha fuerza.
• Presión en líquidos
La presión de un fluido se conoce como presión hidrostática y esta está determinada por el peso
que ejerce la columna del propio fluido.
• Presión en gases
La presión en los gases es originada por el choque de sus moléculas con las paredes del recipiente
que lo contiene, mientras más moléculas choquen mayor será la presión. La presión de un gas
está directamente relacionada con su volumen y su temperatura.

El sensor Autonics PSA-1 es un medidor de presión de tipo piezoeléctrico; dentro de sus
principales atributos se encuentran un amplio rango de presión de trabajo, contar con una
alimentación de 12-24VDC, contar con un sistema de control incluido que permite mantener la
presión en un rango establecido.

Tarjeta de adquisición de datos:
Las tarjetas de adquisición de datos permiten obtener una muestra o señal producto de una
variable física (nivel de sonido, temperatura, voltaje), la cual llega a la tarjeta mediante sensores
(generalmente en forma analógica) y posteriormente es transformada de tal forma que pueda ser
reconocida generalmente por una computadora (señal digital) para realizar una tarea específica
como enviar una señal a los elementos finales de control con la ayuda de un determinado software
.
2 OBJETIVO(S)
El principal objetivo es afianzar los conocimientos adquiridos en el aula de clase mediante la
aplicación práctica e interactiva de los mismos, simulando un proceso industrial por medio de un
equipo didáctico.
1. Identificar los principales aspectos y los elementos pertenecientes a la medición y control

de variables físicas.
2. Identificar las variables a medir y controlar durante el proceso
3. Reconocer las entradas y salidas del proceso
4. Realizar la programación lógica del proceso mediante el software LabView
230
Código:
FO-10-PR-EF-019
3 EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y/O MATERIALES

Elementos necesarios que hacen parte del laboratorio de automatización:
- Tarjeta de adquisición de datos cDAQ-9174 con su correspondiente fuente de alimentación y
cables para comunicación con el computador
- Computador con software LabView requerido y software Visio recomendado.
- Fuente de aire comprimido con unidad FRL y fuente de agua potable con conexión adaptada al
proceso
- Cables tipo banana para la realización de conexiones eléctricas
- Mangueras y accesorios para la realización de conexiones neumáticas
Elementos que hacen parte del módulo didáctico (Debe asegurarse su correcto estado y
funcionalidad previo al desarrollo de cada práctica):
- Tanques para almacenamiento de agua (Tanque superior y tanque inferior)
- Bomba centrífuga
- Sensor de nivel análogo (Sensor ultrasónico DINGTEK DF520)
- Sensores de nivel digitales (Sensor interruptor LP-6 (2) y sensor tipo reed switch RGP 472-S)
- Medidor de caudal (Turbina YFS-201)
- Rotámetro
- Electroválvulas para manejo de agua
- Válvula de bola y válvula de globo
- Electroválvulas para manejo de aire comprimido
- Sensor de presión (Autonics PSA-1)
- Manómetro
-Tanque tipo extintor
Se trabajará con aire comprimido a 60psi de presión, agua potable proveniente del sistema
hidráulico del laboratorio y corriente eléctrica para la alimentación de los componentes a un voltaje
de 24V DC, adicionalmente se encuentra instalado el software LabView para el monitoreo y control
del equipo.
PRECAUCIONES:
Debido a la manipulación de fluidos, en especial aire comprimido es obligatorio el uso de bata y
gafas de seguridad, adicionalmente se deben atender todas las recomendaciones brindadas para
el adecuado uso de los elementos a lo largo de la práctica.
Nunca realice conexiones eléctricas o neumáticas sin realizar el correcto aislamiento del sistema
4 MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS
1. Seguir atentamente las indicaciones del docente respecto al funcionamiento del equipo,
reconociendo los parámetros operativos.
2. Identificar los elementos que hacen parte del módulo didáctico en cada uno de los
procesos que el mismo maneja y relacionarlos con el contenido de la asignatura.
.
231
Código:
FO-10-PR-EF-019
3. Para el desarrollo de los diagramas de flujo se sugiere el uso del software Microsoft Visio
por su gran practicidad y aprovechar la licencia con la cual cuenta la universidad.
Ejercicio No. 1
Realice un diagrama de flujo y su correspondiente programación en el Software LabView que
permita realizar el proceso de llenado del tanque superior hasta un nivel deseado y posteriormente
retorne el fluido al tanque inferior. Tenga en cuenta que el proceso de llenado del tanque superior
solo iniciará una vez el tanque inferior se encuentre completamente lleno con el fluido de trabajo.
Ejercicio No. 2
Realice un diagrama de flujo y su correspondiente programación en el software LabView que
permita realizar el proceso de llenado del tanque superior hasta un set point establecido y sea
capaz de compensar perturbaciones en el sistema como fugas o sobrellenado del tanque, para de
este modo mantener el nivel deseado.
Ejercicio No. 3
En un biorreactor se necesita mantener una presión constante con el fin de asegurar la reacción
que allí se lleva a cabo, sin embargo a lo largo del proceso se generan gases que pueden afectar
la presión (bien sea aumentando o disminuyendo su valor), por esta razón se le solicita diseñar
un lazo de control que permita compensar los cambios de presión en el sistema, manteniendo la
presión deseada con la ayuda de una válvula de alimentación del reactivo y una válvula para
liberación de presión del sistema.
Ejercicio No.4
En un proceso industrial es necesario realizar ajustes al caudal del fluido manejado en el proceso
con cierta periodicidad, dependiendo de la demanda del producto, como ingeniero de producción
se le solicita que diseñe un lazo de control que permita la variación de la velocidad de bombeo del
producto de acuerdo al caudal requerido y que permita mantener el caudal en caso de presentarse
algún tipo de perturbación en el sistema. Plantee la solución a dicho requerimiento en el presente
módulo, tenga en cuenta que se debe permitir la recirculación del fluido de trabajo en el módulo.
5 CÁLCULOS Y RESULTADOS
Deben realizarse los respectivos montajes en el banco de trabajo y luego presentarse un informe
de desarrollo de la guía con los correspondientes diagramas de flujo del proceso explicando
brevemente su lógica e interfaces gráficas en el software LabView.
6 ANEXOS
A. Ficha técnica del módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal.
B. Manual de operación del módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal.
C. Ejemplo de conexionado entre caja del módulo didáctico para medición y control de nivel,
presión y caudal y Tarjeta de adquisición de datos cDAQ-9174. (Se muestra a continuación).
232
7 REFERENCIAS
• CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. México D.F.: 7 ed. Marcombo S.A, 2010.
792p. ISBN 10: 8426716687
• GALLARDO VÁSQUEZ, Sergio. Técnicas y procesos en instalaciones domóticas y autómatas.
Parainfo S.A. España. 2013. 254 p. ISBN 9788497329323
• NAYLAMP. [sitio web]. Naylamp mechatronics. [Consulta: 11 Julio 2019]. Disponible en:
https://naylamp mechatronics.com/drivers/239-driver-mosfet-irf520.html
Elaboró Revisó Autorizó

Cargo Estudiante
Nombre Neider Stiven Aragón H.
Nombre Alejandro Suan Medina
233
GUÍA 2: Práctica de laboratorio con PLC
Código:
FO-10-PR-EF-019
PROGRAMA: Ingeniería Mecánica DEPARTAMENTO: Ingeniería aplicada
NOMBRE ASIGNATURA: CODIGO:
PRÁCTICA No. NOMBRE DE LA PRÁCTICA:

Control de las variables nivel y presión mediante PLC
1 INTRODUCCIÓN Y MARCO TEÓRICO:

El alcance de la práctica es permitir al estudiante el acercamiento y control de variables físicas
presentes en diversos procesos industriales como nivel y presión; adicionalmente la práctica
permitirá al estudiante afianzar conocimientos adquiridos en el aula de clase de manera interactiva
por medio del PLC.
Controlador lógico programable (PLC): Es un equipo electrónico que como su nombre lo indica
permite programar y controlar procesos con un orden consecutivo, generalmente este tipo de
equipos se encuentran en ambientes industriales automatizados.
PLC Mitsubishi FX1n
Presostato: El presostato consiste en un elemento que cierra o abre un circuito eléctrico

dependiendo de la lectura de presión de un fluido. El presostato es comúnmente llamado
interruptor de presión.
Presostato Danfoss KP5 8-32 Bar
234
Código:
FO-10-PR-EF-019
Lenguaje de programación Ladder o esquema de contactos: Mantiene una gran semejanza con el
principio que usan los técnicos en el desarrollo de cuadros eléctricos; está conformado por una
secuencia que se ejecuta por la persona que realiza la automatización.
Sistema de control: Es aquel en el cual la salida de un proceso se controla con el fin de tener un
valor específico o cambiarlo, según lo determine su entrada.
• Señales de control: Acciones elaboradas por el sistema de control o dadas por un operario a
través de variables manipuladas.
• Perturbación: Señal que tiene a afectar adversamente el valor de salida de un sistema.
• Set Point: Se define como cualquier punto de ajuste de una variable en un sistema de control,
también es conocido como valor de consigna o referencia.
• Proceso industrial: Sucesión de cambios graduales de materia y energía. Todo proceso
implica una transformación.
• Variables de salid: Son aquellas que caracterizan el estado de los procesos dentro de la
planta, son guiadas por variables controladas.
• Error: Es la diferencia entre el set point y la variable controlada
• Controlador: Elemento encargado de entregar una señal adecuada al proceso, con el fin de
reducir el error.
• Sensor: un sensor se define como un dispositivo de entrada que provee una salida manipulada
de la variable física medida
2 OBJETIVO(S)
El principal objetivo es afianzar los conocimientos adquiridos en el aula de clase mediante la
aplicación práctica e interactiva de los mismos, simulando un proceso industrial por medio de un
equipo didáctico.
1. Identificar los principales aspectos y los elementos pertenecientes a la medición y control

de variables físicas.
2. Identificar las variables a medir y controlar durante el proceso
3. Reconocer las entradas y salidas del proceso
4. Realizar la programación lógica del proceso mediante el software LabView
3 EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y/O MATERIALES

Elementos necesarios que hacen parte del laboratorio de automatización:
- PLC FX1n con su correspondiente fuente de alimentación y cables para comunicación con el
computador
- Computador con software GXWORKS requerido y software Visio recomendado.
- Fuente de aire comprimido con unidad FRL y fuente de agua potable con conexión adaptada al
proceso
- Cables tipo banana para la realización de conexiones eléctricas
- Mangueras y accesorios para la realización de conexiones neumáticas
235
Código:
FO-10-PR-EF-019
- Presostato Danfoss KP5 8-32 Bar
Elementos que hacen parte del módulo didáctico (Debe asegurarse su correcto estado y
funcionalidad previo al desarrollo de cada práctica):
- Tanques para almacenamiento de agua (Tanque superior y tanque inferior)
- Bomba centrífuga
- Sensores de nivel digitales (Sensor interruptor LP-6 (2) y sensor tipo reed switch RGP 472-S)
- Electroválvulas para manejo de agua
- Válvula de bola y válvula de globo
- Electroválvulas para manejo de aire comprimido
- Manómetro
-Tanque tipo extintor
Se trabajará con aire comprimido a 60psi de presión, agua potable proveniente del sistema
hidráulico del laboratorio y corriente eléctrica para la alimentación de los componentes a un voltaje
de 24V DC, adicionalmente se encuentra instalado el software que comunica el computador con
el PLC para el control del equipo.
PRECAUCIONES:
Debido a la manipulación de fluidos, en especial aire comprimido es obligatorio el uso de bata y
gafas de seguridad, adicionalmente se deben atender todas las recomendaciones brindadas para
el adecuado uso de los elementos a lo largo de la práctica.
Nunca realice conexiones eléctricas o neumáticas sin realizar el correcto aislamiento o

despresurización del sistema.
1. Seguir atentamente las indicaciones del docente respecto al funcionamiento del equipo,
reconociendo los parámetros operativos.
2. Identificar los elementos que hacen parte del módulo didáctico en cada uno de los
procesos que el mismo maneja y relacionarlos con el contenido de la asignatura.
3. Para el desarrollo de los diagramas de flujo se sugiere el uso del software Microsoft Visio
por su gran practicidad y aprovechar la licencia con la cual cuenta la universidad.
Ejercicio No. 1
Realice un diagrama de flujo y su correspondiente programación en PLC por medio del lenguaje
de programación Ladder que permita realizar el proceso de llenado del tanque superior hasta un
nivel deseado y posteriormente retorne el fluido al tanque inferior. Tenga en cuenta que la bomba
debe operar cuando el tanque inferior indique el nivel alto; realice este proceso tres veces y luego
detenga el sistema.
236
Código:
FO-10-PR-EF-019
Ejercicio No. 2
Una importante embotelladora de gaseosas requiere llenar tres botellas con un tiempo de espera
entre cada una de 4 segundos; el volumen de cada botella es de 1,570x10-3 m3, tenga en cuenta
que el diámetro del tanque superior es de 20 cm. A usted como ingeniero le solicitan realice la
programación del equipo para dicho proceso, al terminar de llenar las tres botellas se debe activar
la electroválvula de desagüe del tanque superior.
Ejercicio No. 3
En una fábrica de llantas se solicitar llenar una serie de estas para una inspección de calidad de
las mismas, llevándolas a una presión de 35 psi para que logren un buen llenado, le solicitan a
usted como ingeniero que realice el llenado de 4 neumáticos teniendo en cuenta que se debe
llenar, esperar 3 segundos despresurizarse y luego de realizar este proceso 4 veces, se desactive
el sistema.
Ejercicio No.4
Realice una secuencia electroneumática en donde se debe realizar el llenado hasta el límite del
sensor de nivel alto del tanque superior, luego debe verter el agua del tanque superior al inferior,
realice este proceso dos veces y luego que se detenga el sistema; TENGA EN CUENTA QUE LA
BOMBA SOLO SE DEBE ACTIVAR CUANDO EL SENSOR DE NIVEL BAJO DEL TANQUE
INFERIOR ESTÉ ACTIVO.
5 CÁLCULOS Y RESULTADOS
Deben realizarse los respectivos montajes en el banco de trabajo y luego presentarse un informe
de desarrollo de la guía con su correspondiente secuencia electroneumática acompañado de la
programación en listado de instrucciones, Ladder y su respectivo diagrama electroneumático.
6 ANEXOS
A. Ficha técnica del módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal.
B. Manual de operación del módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal.
C. Ejemplo de conexionado entre caja del módulo didáctico para medición y control de nivel,
presión y caudal y PLC FX1n. (Se muestra a continuación).
237
Código:
FO-10-PR-EF-019
7 REFERENCIAS
• CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. México D.F.: 7 ed. Marcombo S.A, 2010.
792p. ISBN 10: 8426716687
• GALLARDO VÁSQUEZ, Sergio. Técnicas y procesos en instalaciones domóticas y autómatas.
Parainfo S.A. España. 2013. 254 p. ISBN 9788497329323
• LOGICBUS. Productos. [sitio WEB]. [9 de abril de 2019]. Disponible en:
http://www.logicbus.com.mx/plc.php
• CORONA RAMIREZ, Leonel G. ABARCA JIMÉNEZ, Griselda S.Y MARES CARREÑO, Jesús.
Sensores y actuadores aplicaciones con arduino. Ed. Patria. México. 2014. 302 p.
ISBN:9786074389364
Elaboró Revisó Autorizó

Cargo Estudiante
Nombre Neider Stiven Aragón H.
Nombre Alejandro Suan Medina
238
ANEXO V.
LISTADO DE PLANOS
1. Módulo didáctico para medición y control de nivel, presión y caudal

2. Explosionado del módulo didáctico
3. Plano constructivo de soporte para tanque superior
4. Arrostramiento para columna de tanque superior, sin chaflan
5. Arrostramiento para columna de tanque superior, con chaflan a 60º
6. Columna para soporte superior
7. Placa inferior soporte superior
8. Ubicación de platinas para sujeción sobre lámina para tanque inferior
9. Lámina para tanque inferior
10. Platina para sujeción de tanque inferior
11. Tapa superior para tanque superior
12. Tanque superior
13. Tapa inferior para tanque superior
14. Perfil en L, longitud 13 cm
15. Perfil en L, longitud 28,5 cm
16. Estructura general del módulo
17. Tanque inferior
239
ANEXO W.
FICHA TÉCNICA DEL MÓDULO DIDÁCTICO
MÓDULO DIDÁCTICO PARA MEDICIÓN Y CONTROL DE NIVEL, PRESIÓN Y

CAUDAL
Especificaciones
- Equipo para ensayos de medición y control de
procesos
- Medición de nivel análoga y digital
- Visualización del proceso de medición de nivel
con tanques de almacenamiento transparentes
- Posibilidad de establecer perturbaciones en
cada uno de los procesos
- Bomba con posibilidad de variación de
velocidad de giro
- Programación compatible con PLC y tarjeta de
adquisición de datos
- Voltaje de operación 24VDC (Todos sus
componentes)
Dimensiones: L x An x Al: 842 x 417 x 1767 mm
Peso aproximado (vacío): 28 kg
Componente Descripción o característica
Tanque superior Capacidad: 9 L
Tanque inferior Capacidad: 28 L
Consumo: 53W
Bomba Caudal (Máximo):20 L/min
Altura de elevación (Máxima): 12m
Sensor de nivel análogo Sensor ultrasónico “DINGTEK DF520” (Rango
de medición 5-200cm)
Sensor flotador tipo “Reed Switch” RGP 472-S
Sensor de nivel digital (Rango de medición 0-23cm)
Sensor flotador tipo interruptor “L6-P”
Medidor de caudal Turbina “YFS-201” (1/2”, 1-30L/min, Output:
Pulsos 0-5V)
Indicador de caudal Rotámetro (1/2”, 2-19 L/min)
Electroválvula para agua Electroválvula 2W-160-15 (1/2NPT, NC, 24V)
Válvula de bola (1/2”, 0-20 L/min)
Válvulas manuales
Válvula de globo (1/2”, 0-20 L/min)
Sensor de presión Sensor Autonics PSA-1 (1/8 NPT – 0-1000KPa)
Indicador de presión Manómetro inundado en glicerina 0-100psi
Electroválvula aire comprimido Electroválvula 2W-025-08 (1/4NPT, NC, 24V)
Tanque tipo extintor Presión de trabajo: 0 – 90 psi
240
ANEXO X.
COTIZACIONES
241
242
243
244
245
246
247

2019 2 Im

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DISEÑO DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA LA MEDICIÓN Y CONTROL DE

NIVEL, PRESIÓN Y CAUDAL PARA UN LABORATORIO DE

NEIDER STIVEN ARAGÓN HERNÁNDEZ

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

NEIDER STIVEN ARAGÓN HERNÁNDEZ

Proyecto integral de grado para optar por el título de

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

Bogotá, D.C., Julio 2019

Presidente Institucional y Rector del Claustro

Dr. MARIO POSADA GARCÍA-PEÑA

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. LUIS JAIME POSADA GARCÍA-PEÑA

Vicerrectora Académica y de Posgrados

Dra. ANA JOSEFA HERRERA VARGAS

Decano Facultad de Ingenierías

Ing. JULIO CESAR FUENTES ARISMENDI

Director Programa de Ingeniería Mecánica

Ing. CARLOS MAURICIO VELOZA VILLAMIL

A mi compañero de proyecto y amigo Alejandro, por su compromiso, disposición y

Neider Stiven Aragón Hernández

Alejandro Suan Medina

Los autores del presente proyecto agradecen en primera instancia al cuerpo de

2.FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL MÓDULO Y DIAGNÓSTICO DE

3. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS FUNCIONALES

5.DISEÑO DEL MÓDULO DIDÁCTICO 69

6. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS DE LA ESTRUCTURA 148

7. ELABORACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL MÓDULO 156

9. IMPACTO AMBIENTAL 184

10. ANÁLISIS DE COSTOS 185

11. CONCLUSIONES 188

12. RECOMENDACIONES 190

Imagen 1. Flujo laminar 24

Cuadro 1. Inspección y prueba bomba 1 37

Ecuación 1. Espesor tanque inferior 71

Gráfica 1. Valores de α en las fórmulas para tanques rectangulares 72

Anexo A. Características de cable AWG22 194

Para el desarrollo del proyecto inicialmente se realizó un diagnóstico de diferentes

Paso seguido, se realizó un proceso de evaluación a las diferentes alternativas para

Adicionalmente, se realizaron planos del equipo, manual de operación e inspección

Finalmente, se realizó un análisis del impacto ambiental que generaría el módulo y

PALABRAS CLAVE: Módulo didáctico, nivel, presión, caudal, sistema de control,

El desarrollo constante y la evolución de los procesos industriales ha provocado un

En todo proceso industrial es importante la medición, control y monitoreo de algunas

De acuerdo a lo anterior, el presente proyecto surge con el objeto de brindar a los

• Realizar el diagnóstico de los requerimientos funcionales para el módulo didáctico

• Establecer los parámetros y requerimientos funcionales necesarios para el diseño

• Plantear y evaluar alternativas de diseño

• Desarrollar el diseño de los subsistemas del módulo y de la alternativa

• Realizar simulaciones por elementos finitos para la estructura del módulo

• Elaborar el sistema de control del módulo.

• Elaborar planos de construcción, manual de operación e inspección de

• Analizar el impacto ambiental del módulo.

• Realizar análisis de costos.

1.1 MÓDULO DIDÁCTICO

Un módulo didáctico consiste en un elemento o material que aporta todas las

En cuanto a los módulos didácticos orientados a la instrumentación y control de

1.2 FLUJO O CAUDAL

1.2.1 Perfiles de flujo.