ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO
PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERIA DE SISTEMAS MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS
TESIS PARA OBTENER EL GRADO
DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS:
“DISEÑO INTEGRAL DE UN SECADOR EXPERIMENTAL DE TÚNEL” Desarrollado en el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos
y la SEPI- ESIME Zacatenco
QUE PRESENTA EL ALUMNO
ING. MIGUEL ÁNGEL PÉREZ GUTIÉRREZ.
DIRECTOR DE TESIS
DR. CARLOS LÓPEZ GONZÁLEZ,
CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS DEL IPN
DIRECTOR DE TESIS
DR. IGNACIO ENRIQUE PEÓN ESCALANTE,
PROGRAMA EN INGENIERÍA DE SISTEMAS, SEPI-ESIME ZACATENCO
Dedicatoria.
A Lulú, con amor y gratitud por la comprensión y apoyo en cada proyecto que emprendemos juntos, siempre juntos.
A Migue y Luisito con todo mi amor y esperanza en el futuro.
A mi familia, hermanos, suegros, cuñados y en especial a mis sobrinos; Mago, Toño, Isra, Alan, Pau, Albe, Efrén, Dianis, Adán, Lalo, Monse, Salo, Marianita, Emi y Juanito, con el deseo de que esta meta cumplida sirva de inspiración para crecer y superarse cada día.
A mis padres: Paulina y Salomón, por lo que sembraron en mí y porque sé que en alguna parte del cielo están juntos y cuidándonos.
Agradecimientos.
A Dios, por todas las bendiciones que nos regala a cada día y por permitirme concluir esta etapa de mi formación.
Al Instituto Politécnico Nacional, a la SEPI-ESIME Zacatenco y al Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, por el apoyo brindado en formación y recursos para desarrollar esta tesis.
A mis directores de tesis, los Doctores Carlos López e Ignacio Peón, por su paciente y generosa guía.
ÍNDICE
RESUMEN ... 8
ABSTRACT ... 9
INTRODUCCIÓN ... 10
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIÓN. ... 12
1.1. Justificación ... 12
1.2. Marco contextual... 13
1.2.1. Contexto físico. ... 13
1.2.2. Contexto temporal ... 14
1.2.3. Contexto cultural ... 15
1.3. OBJETIVOS ... 17
1.3.1. General. ... 17
1.3.2. Específicos. ... 17
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO ... 18
2.1. El proceso de secado. ... 18
2.2. La conservación de alimentos ... 18
2.3. El procesamiento de imágenes digitales. ... 19
2.4. La teoría general de sistemas. ... 20
2.5. Tipo de investigación. ... 21
2.6. Metodología ... 22
2.6.1. Fases de la MITSE ... 22
2.7. Etapas de la investigación. ... 24
CAPÍTULO 3. APLICACIÓN DEL MÉTODO ... 26
3.1. Fase 1: Análisis... 26
3.1.1. Requerimientos del área... 26
3.1.2. Situación Inicial. ... 27
3.1.3. Túnel de secado. ... 28
3.1.4. Sistema de captura de imágenes. ... 28
3.2. Fase 2: Diagnóstico ... 28
3.2.1. Equipos disponibles. ... 29
3.2.1.1. Termómetro digital ... 29
3.2.1.2. Balanza... 31
3.2.1.3. Cámaras de video ... 32
3.2.2. Definición del modelo de secado. ... 33
3.3. Fase 3: Diseño. ... 35
3.3.1. Selección de muestras. ... 36
3.3.2. Diseño del túnel de secado ... 37
3.3.3. Diseño del sistema de comunicaciones. ... 40
3.3.4. Diseño del sistema de procesamiento de imágenes. ... 40
3.3.5. Análisis del subsistema de información ... 41
3.4. Fase 4 : Desarrollo. ... 45
3.4.1. Desarrollo del Software. Diagrama de flujo ... 45
3.4.2. Base de datos. ... 47
3.4.2.1. Descripción de las tablas de base de datos ... 47
3.4.3. Subsistema de adquisición de imágenes ... 50
3.4.4. Subsistema de adquisición de datos ... 51
3.4.5. Desarrollo de la interface de usuario: ... 53
3.4.6. Lenguaje de programación. ... 54
CAPÍTULO 4. RESULTADOS ... 55
4.1. Fase 5: Puesta en marcha del Equipo ... 55
4.2. Experimentos ... 57
4.3. Análisis de imágenes ... 58
4.4. Caso Práctico: Secado de Manzanilla. ... 58
4.5. Análisis estadístico ... 59
4.6. Periodo de secado a velocidad constante ... 62
CONCLUSIONES ... 67
RECOMENDACIONES ... 68
ANEXOS ... 69
ANEXO 1 Equipos en el mercado ... 69
ANEXO 2 Teoría del secado ... 72
Definición de conceptos ... 76
Operación de secado. ... 76
ANEXO 3. El procesamiento de imágenes. ... 79
Imagen óptica vs. imagen digital. ... 79
Usos actuales y tendencias. ... 81
ANEXO 4. TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS ... 83
Bases epistemológicas de la teoría general de sistemas ... 83
Conceptos básicos de la teoría general de sistemas ... 85
Metodologías de la ingeniería de sistemas ... 90
Sistemas duros ... 90
ANEXO 5 Tendencias en tecnologías de conservación de alimentos ... 91
ANEXO 6 Práctica de obtención de parámetros de secado. ... 94
ANEXO 7 El estándar RS-232 ... 97
ANEXO 8.- Cotización para construcción del prototipo ... 99
GLOSARIO DE TÉRMINOS ... 101
INDICE DE CUADROS Y FIGURAS ... 108
RESUMEN
En el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI), se construyó un secador de túnel y charolas experimental, cuyo propósito es apoyar a los proyectos de investigación y de capacitación en los cursos que se imparten, donde interesa demostrar el proceso del secado de materiales biológicos.
Se desarrolló un prototipo para la captura y análisis automático de imágenes digitales y datos, consistente en un conjunto de cámaras, equipos de medición y software de control. Este prototipo puede ser aplicado en equipos y sistemas para adquirir, clasificar y analizar imágenes automáticamente, y relacionar la información generada de tales imágenes con otras variables de operación como el peso y la temperatura.
El desarrollo de esta tesis se centra en la integración del prototipo para la captura y análisis de imágenes digitales y datos con el túnel de secado, mediante interfaces de comunicación. Con esta integración más el desarrollo de un software para monitorear el proceso, es posible capturar y analizar imágenes digitales en tiempo real del material que se seca, obteniendo lecturas de cambios en color y forma, así como del cambio de peso (cinéticas de secado), y de la temperatura.
El prototipo más el secador de túnel de charolas experimental, forman un paquete tecnológico de bajo costo que puede ser de utilidad para instituciones de educación en ingeniería o investigación y desarrollo, en la obtención de parámetros de secado de materiales.
Para la realización de este trabajo se empleó una metodología basada en la de sistemas
duros, y el proceso cibernético, la cual se describe y se denominó como “Metodología para la Investigación Tecnológica Sistémica Experimental” (MITSE).
ABSTRACT
A prototype system for the automatic capture and analysis of digital images and data was developed at the Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI-IPN). This prototype can be used in devices and systems to acquire, classify and analyze images in real time, and to compare the numerical data obtained from images with other operating variables, such as weight, pressure, temperature, etc. In this thesis, the subject is concerned with the drying of materials in an experimental tray tunnel.
The prototype system is integrated with three elements: 1) a subsystem of communication, which drives the instrumental of measurement, four video cameras, and the acquisition of data and images in a controlled and synchronized way; 2) a surveillance subsystem which reeds data iteratively, in previously controlled and defined lapses, selected by the operator; and 3) the data processing subsystem, which saves and processes the data to display plots and valuable information from the experiments in real time.
An experimental try drying tunnel was developed and equipped with the prototype system for monitoring and acquiring images and data of temperature and weight loss in real time. With this device it is possible to get and analyze changes in color and form of digital images from the drying material, besides the weight (drying kinetics), and the temperature changes.
The prototype and the tray drying tunnel is a low cost drying and data analysis kit which is useful as a tool in engineering education and research and development laboratories to obtain drying parameters of materials.
This work focuses on the assembly of the basic system components, and subsystem development of monitoring of material surfaces during drying, so that gives cohesion to the existing parts and result in a technical package capable of being copied and transferred.
INTRODUCCIÓN
La tecnología de alimentos es la aplicación de múltiples ciencias enfocadas a la producción, proceso, conservación y estudio de productos alimenticios. Por la tendencia general de reducir costos de operación y hacer más eficiente el uso de la energía al servicio de la transformación, los procesos que intervienen deben ser cada vez más eficientes y automatizados, requiriendo de la participación de especialistas en varias disciplinas que mejoren los equipos, procesos y metodologías utilizadas para las distintas operaciones que la componen.
El secado de alimentos es una operación que se emplea para transformar alimentos. El objetivo primordial del proceso de deshidratación es reducir el contenido de humedad del producto a un nivel que limite el crecimiento microbiano y las reacciones químicas. Los tipos de secadores que existen se pueden clasificar por la tecnología que utilizan para el secado: convección, liofilización, aspersión, radiación, entre otros; por la forma de alimentar el producto, por lote o continuos.
El aire caliente es usado como el medio para inducir la evaporación del agua en el material a secar en la mayoría de los secadores mencionados, y ha tenido un uso muy extendido desde tiempos remotos.
Para fines educativos y de investigación, el secador de convección de tipo túnel con aire forzado es de los más empleados, ya que permite un control más preciso de las condiciones de secado y representa uno de los modelos de secador más extendidos en su uso por su simpleza y bajo costo de construcción y operación.
Durante el secado, el producto sufre cambios físicos como encogimiento y cambio de color. Estos cambios dependen del tipo de producto y de las condiciones en que se realiza la operación. El registro y análisis de estos cambios se puede llevar a cabo de manera inmediata mediante la incorporación de otras técnicas como la inspección visual asistida por computadora, y el tratamiento digital de imágenes, con las ventajas de que se genera información en tiempo real, que es una técnica no invasiva y que reduce tiempo en los procesos de medición, permitiendo la retroalimentación oportuna de información al sistema.
durante su realización se lleve a cabo la adquisición de imágenes, su visualización, almacenamiento, y parte del procesamiento para su posterior análisis.
Por lo anterior, es necesario contar con un sistema de adquisición y almacenamiento de imágenes digitales como parte del desarrollo de este prototipo: ésta es la principal aportación de este trabajo.
La tesis está organizada en tres capítulos, más anexos, referencias bibliográficas, glosario e índices de ilustraciones y cuadros.
En el capítulo 1 se describen los fundamentos y el contexto de la investigación. También se analiza la problemática de la caracterización de los productos de secado y se expone la necesidad de contar con desarrollos de sistemas y subsistemas que contribuyan a solventar esta situación. Así mismo, se describen las condiciones de tiempo, lugar y situación en que se realizó la investigación.
En el capítulo 2 se dan los marcos teórico y metodológico con que se abordó el presente trabajo, se describen los principios de las disciplinas que intervienen tanto en el secado de alimentos, como en el tratamiento de imágenes digitales; se presenta la Metodología de Investigación Tecnológica Sistémica Experimental (MITSE), concluyendo que se tienen los elementos suficientes para abordar esta problemática y desarrollar el sistema.
El capítulo 3 describe la aplicación del método y sus diferentes etapas, desde la construcción del túnel hasta el desarrollo del subsistema de software diseñado para controlar la adquisición y tratamiento de imágenes, así como la adquisición de las variables de peso y temperatura, y los algoritmos para realizar en tiempo real las gráficas de secado por cada experimento en proceso.
También se explica cómo se logró concentrar en una sola interface de usuario todos los elementos antes descritos, con lo cual se facilita, automatiza y hace más eficiente la realización de los procesos.
CAPÍTULO 1.
FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA
INVESTIGACIÓN.
1.1.
Justificación
En la actualidad, dentro de los proyectos de investigación de las tecnologías de alimentos, en especial en el desarrollo de nuevos productos, suele ser necesario caracterizar las condiciones de secado de diversos materiales, ya que ésta es una operación muy empleada como medio de conservación y transformación. Un túnel de secado con aire en charolas es una herramienta de gran ayuda, al permitir la obtención de datos físicos y termodinámicos de los materiales a deshidratar, así como velocidades de secado, modelos empíricos de cinéticas de secado, los cuales son de utilidad en la caracterización, comprensión y predicción de patrones de deshidratación, tiempo de secado y consumo energético durante la operación. Así mismo, estos datos son de gran utilidad en el diseño de deshidratadores y el cálculo del costo energético del proceso.
Con el análisis de imágenes acoplado a un sistema de secado de materiales, y con el desarrollo de las técnicas de tratamiento de imágenes, es posible un seguimiento más preciso de los cambios que experimentan los productos al someterse al proceso de secado, tales como el cambio de color y el encogimiento; éste último es un indicador indirecto del cambio de área de transferencia de masa. De lo anterior surge la necesidad de tener herramientas que cuenten con sistemas para monitorear los cambios en variables como la temperatura, humedad, peso y que además permitan capturar, procesar y analizar imágenes.
tiempo real. Así mismo, se trata de un sistema de tecnología “abierta” susceptible de
adaptarse y/o modificarse de acuerdo con las necesidades experimentales.
Dentro de las actividades académicas desarrolladas en el centro, está la formación académica, la capacitación y la actualización tecnológica, En el departamento de Desarrollo Tecnológico (DDT) se pretende ampliar la oferta de cursos de propósito específico tanto para alumnos de los programas de posgrado, como para cualquier persona interesada en
ésta tecnología: “fundamentos del secado de alimentos”, para el cual el desarrollo de esta
tesis resulta útil por ser un equipo experimental.
La necesidad de este tipo de sistemas para el desarrollo de actividades académicas no solo en el CEPROBI, sino en el país en general, es amplia, y el presupuesto destinado a este rubro es escaso; estas herramientas tecnológicas son generalmente de importación, de costos muy elevados tanto de compra como de operación y mantenimiento. Otros equipos son descontinuados por el fabricante y su reparación y/o actualización suele ser incosteable. Es por todo lo anterior que se requiere desarrollar la capacidad de desarrollo e integración de sistemas para poder adaptar las soluciones a estas necesidades, bajo un marco metodológico con enfoque de sistemas específico.
1.2.
Marco contextual
1.2.1.
Contexto físico.
La presente investigación se llevó a cabo en la planta piloto del departamento de Desarrollo Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI), perteneciente al Instituto Politécnico Nacional (IPN).
El CEPROBI se encuentra ubicado en el municipio de Yautepec, en el estado de Morelos y se constituyó oficialmente en 1984. Tiene como objetivos realizar investigación básica y aplicada, que permita la integración de paquetes tecnológicos, tendientes a la explotación racional y aprovechamiento óptimo de los recursos bióticos del país y formar recursos humanos de alto nivel académico en las áreas de biotecnología, bioingeniería y protección vegetal orientadas al desarrollo científico y tecnológico del país[1].
y Alimentos Funcionales, con un total de 12 laboratorios, distribuidos en los cuatro departamentos.
Elobjetivo del departamento de Desarrollo Tecnológico,es realizar investigación orientada al desarrollo de tecnologías para el aprovechamiento de recursos bióticos, a través del estudio de biomoléculas, con énfasis en el almidón y promover el desarrollo tecnológico para la formación de industrias procesadoras de productos biológicos. Cuenta con tres laboratorios, entre ellos se encuentra la planta piloto.[1]
En el departamento se desarrolla una línea de investigación: Estudio y aprovechamiento de biomoléculas, y varias sublíneas de investigación; una de ellas es: Estudio de la ingeniería necesaria para el desarrollo de procesos y/o la transformación y conservación de las materias primas así como el estudio de sus propiedades físicas, dentro de la cual se enmarca la presente investigación.
Son cuatro los laboratorios que existen en este departamento:
1. Análisis Instrumental 2. Control de Calidad 3. Almidones
4. Planta Piloto
Por otro lado, en las últimas dos administraciones del IPN, se ha dado especial énfasis a la vinculación con el sector productivo y la pertinencia de la investigación realizada en el Instituto; por lo que ha sido el propósito de el CEPROBI, tener impacto en las actividades productivas del estado de Morelos, representando al IPN en la entidad.
1.2.2.
Contexto temporal
Bajo la premisa institucional de asegurar la pertinencia (interacción con el entorno), de las actividades realizadas por el IPN, se creó el Modelo de Integración Social en el año de 2004, lo cual ha impulsado desde entonces la reorientación de los esfuerzos de la administración del CEPROBI para cumplir con esa tarea, incrementando convenios de colaboración y favoreciendo las condiciones para lograr estos objetivos [2].
para trabajar con este tipo de archivos digitales. En el año de 2009, en el Departamento de Desarrollo Tecnológico, se detecta la necesidad de contar con un secador de túnel experimental, que se pudiera utilizar tanto para la impartición de cursos, como para auxiliar las tareas de investigación. Ante la falta en el mercado de uno que cumpliera con los requerimientos del laboratorio y se ajustara a los recursos presupuestales con los que se contaba, se decide diseñar uno que cubriera esas necesidades y se pudiera elaborar con recursos existentes.
Es entonces que, durante el proceso del diseño, se tuvo la visión de integrar el sistema con subsistemas de control, monitoreo y procesamiento de la información, además de permitir la captura de imágenes, lo que ha dado como resultado el sistema que se presenta en este trabajo de investigación.
1.2.3.
Contexto cultural
El prototipo de propósito específico desarrollado en este trabajo tiene la intención de ser utilizado como herramienta de la investigación básica y la aplicada, así como en la docencia. Su influencia está en ser una tecnología que genera información válida y suficiente, con la flexibilidad para adaptarse a diferentes situaciones experimentales.
Es por lo anterior, que se propone la Metodología de Investigación Tecnológica Sistémica Experimental (MITSE). Culturalmente, en México y específicamente en el CEPROBI-IPN, ha existido poco interés en este campo. Actualmente se depende tanto de tecnología como de equipos ajenos al Instituto, creándose una dependencia de tecnologías de empresas e instituciones externas, para el desarrollo del quehacer científico del CEPROBI, pero en especial de estudio y análisis de las operaciones unitarias en el DDT.
En México se requiere esa vinculación entre la ciencia y la práctica para solucionar problemas concretos, y en el caso del IPN, eso es lo que se busca primordialmente con el Modelo de Integración Social. [3]
Cuando se requiere escoger que fuente de calor es la mejor para deshidratar un alimento, debe realizarse un balance costo-beneficio. Si bien la energía solar suele ser la elección energética más barata, tiene los inconvenientes de ser difícil de controlar, depender de la incidencia solar (día-noche) y del clima, así como requerir tiempos prolongados de secado. El usar fuentes de calor fósiles (combustóleo, carbón o gas) debe analizarse con detenimiento y evaluar con suficiente exactitud su conveniencia.
Otro aspecto a considerar, es que el proceso de secado también induce cambios en las propiedades del producto, afectando sus características finales en peso, color, sabor, textura, forma, propiedades nutricionales y capacidad de rehidratación. Para obtener productos con el mejor balance entre estos aspectos, es que se requieren estudios específicos para cada producto, y es aquí donde se utilizan secadores experimentales o de baja escala, que permiten con bajo costo de operación, realizar estos estudios.
Debido a la necesidad de este tipo de secadores de túnel para investigación y educación, se tiene el desarrollo de varios equipos de línea como el secador de charolas Modelo PS-SE-200/EL marca Generatoris que se comercializa en México, o el UOP8 Tray Drier de la empresa Armfield de Inglaterra, por citar algunos ejemplos; sin embargo, en la bibliografía consultada, se encontró que estos modelos no cuentan con adquisición de datos ni de video, por lo que no se ajustan a la necesidad de manejo de imágenes planteado en esta tesis, además de que su costo oscila en los 400,000 pesos (ANEXO 1 Equipos en el mercado).
1.3.
OBJETIVOS
1.3.1.
General.
Diseñar e integrar los componentes necesarios para un secador de charolas experimental de túnel con registro de imágenes.
1.3.2.
Específicos.
Realizar un diagnóstico de la problemática del secado en la conservación de alimentos.
Diseñar un secador experimental de túnel con aire caliente y charolas.
Construir un prototipo del secador que incluya un subsistema de captura de imágenes.
Diseñar y construir un mecanismo automatizado de monitoreo de peso y captura de
imágenes durante el proceso de secado (en “tiempo real”).
Desarrollar un sistema de registro y procesamiento de las imágenes capturadas Comprobar experimentalmente los modelos obtenidos en el sistema.
CAPÍTULO 2.
MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO
En este capítulo se presentan las bases teóricas y los antecedentes de las partes principales que componen éste trabajo, tanto la parte de la operación del secado, como la automatización y utilización del procesamiento de imágenes, pasando por el análisis de la problemática de la conservación de los alimentos, todas integradas bajo el enfoque de sistemas, del cual también se muestran los antecedentes teóricos.
2.1.
El proceso de secado.
Las operaciones unitarias son partes o pasos específicos de los procesos industriales, cuyo propósito es modificar las características de las materias primas o de los materiales en proceso, con el objeto de obtener productos con cualidades bien definidas (Ibarz R., A y Barbosa-Cánovas, G.V, 2005). Estas modificaciones están encaminadas a la obtención de productos que tengan un mayor valor y/o aceptación en el mercado; o bien que presenten mayores posibilidades de almacenamiento y transporte, así como el que sirvan para cubrir alguna necesidad específica.
El secado es la operación unitaria mediante la cual se extrae la humedad de un producto. Respecto de su origen, no se sabe exactamente desde cuando nuestros ancestros emplearon este proceso para conservar alimentos, pero la historia muestra que fue un proceso de prueba y error. El primer registro de este método data del siglo XVIII y fue utilizado para secar vegetales [4]. Eventualmente se logró una base científica que permitió el desarrollo de una industria mundial de procesamiento y conservación de alimentos. Como en la mayoría de los avances tecnológicos, el desarrollo de la industria del secado ha estado estrechamente ligado a escenarios de guerra alrededor del mundo, al requerirse conservar y transportar alimentos con una calidad y duración suficientes [5]. En ANEXO 2 Teoría del secado, se explican los principios teóricos del proceso de secado, donde se puede ver su complejidad al aplicarlo en productos alimenticios.
2.2.
La conservación de alimentos
alto costo de las tecnologías de procesamiento. Este problema se acentúa cuando se trata de productos altamente perecederos, como las frutas y hortalizas, donde un promedio del 23% (hasta un 40-50% en zonas tropicales), se pierden por deterioro microbiológico y fisiológico y daño mecánico durante la cosecha, envasado y transporte [6], sin mencionar las pérdidas por motivos económicos, como es el desplome de precios cuando hay sobreproducción, las políticas internas de protección de los productores locales, y el desperdicio provocado por el despilfarro del consumidor final.
La reducción de las pérdidas de productos perecederos requiere la adopción de varias medidas durante la cosecha, la manipulación, el almacenamiento, el envasado y el procesamiento de alimentos frescos para obtener productos adecuados con mejores propiedades de almacenamiento. En ANEXO 5 Tendencias en tecnologías de conservación de alimentos, se presentan las tendencias tecnológicas enfocadas al envasado y el procesamiento para la conservación de alimentos. [7]
2.3.
El procesamiento de imágenes digitales.
Se entiende por imagen digital aquella imagen que es captada por medios electrónicos y es representada en archivos digitales (a través de una serie de pulsos eléctricos basados en un sistema binario), que puede ser interpretada correctamente por una computadora. El procesamiento de imágenes es el tratamiento que se le da a este tipo de imágenes. La imagen digital se compone de n x m elementos llamados pixeles, a los que les corresponde una posición en un plano bidimensional (o cartesiano), así como un valor de intensidad (de
“luz” y/o de color), por lo que puede representarse como una función . Donde son coordenadas en el plano, y es el valor de intensidad en ese punto.
2.4.
La teoría general de sistemas.
En un sentido amplio, la Teoría General de Sistemas (TGS) se puede ver como una forma sistemática y científica de aproximación y representación de la realidad y, al mismo tiempo, como una orientación hacia una práctica para formas de trabajo transdisciplinarias. Si la vemos como un paradigma científico, la TGS se caracteriza por su perspectiva holística e integradora, en donde lo importante son las relaciones y los conjuntos que a partir de ellas emergen. En su aspecto práctico, la TGS ofrece un ambiente adecuado para la interrelación y comunicación fecunda entre especialistas y especialidades [8].
Desde la perspectiva de la TGS, todo sistema puede formar parte de un sistema mayor (Supra sistema), y a la vez se puede dividir en sistemas más elementales (Subsistema). La tarea de conectar sistemas se conoce como integración, y su objetivo es obtener resultados que por separado los subsistemas no podrían producir.
Dentro de las metodologías de sistemas, se encuentran las diseñadas para sistemas
“duros”. Partiendo de la investigación de operaciones se llega a la ingeniería de sistemas,
como la postulada por Jenkins en los años 60, donde trata de problemas concretos, con objetivos y metas claras y puntuales. Sin embargo, se considera necesario complementarla con otras metodologías y modelos que ponen énfasis en el aprendizaje y la retroalimentación, tanto en las fases de diseño como en la operación. En el caso que nos ocupa, se trata de un secador experimental de túnel, como se verá más adelante.
2.5.
Tipo de investigación.
Por el objeto de estudio, se puede considerar al tipo de investigación de este trabajo como
“Investigación aplicada”, porque “Se utilizan los conocimientos en la práctica, para emplearlos en un provecho social”. [10]
Según Grajales, (2000), en su definición de investigación aplicada, comenta que “La investigación aplicada guarda íntima relación con la básica, pues depende de los descubrimientos y avances de la investigación básica y se enriquece con ellos, pero se caracteriza por su interés en la aplicación, utilización y consecuencias prácticas de los conocimientos. La investigación aplicada busca el conocer para hacer, para actuar, para
construir, para modificar”.
De acuerdo con las variables que la componen, se puede considerar la investigación realizada en esta tesis como Investigación experimental, por el rol del investigador en “la manipulación de una variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, que tiene el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular. [10] El objetivo de este trabajo es obtener un equipo para desarrollo de experimentos de secado. Es un desarrollo sistémico, porque se desarrolla con rigor científico: trata de definir un modelo matemático del secado de alimentos a través del análisis de imágenes obtenidas durante el desarrollo de corridas experimentales de secado. Relaciona las imágenes con las variables de temperatura y peso e integra los equipos de experimentación de que se compone, con equipos de medición y de información, valiéndose para ello, de interfaces de comunicación. El sistema resultante permite obtener y caracterizar en tiempo real el material a secar, obteniendo datos de relevancia para el análisis del proceso y realizando algunos análisis de forma inmediata. Este trabajo busca también lograr una reducida intervención humana en la lectura y captura de datos, con lo cual se verán disminuidos los factores generadores de error en los análisis.
2.6.
Metodología
Dadas las premisas comentadas en el punto anterior, el presente trabajo contiene elementos de integración, de diseño y de experimentación en tres ámbitos principalmente:
1) construcción del equipo,
2) elección y configuración de interfaces de comunicación y 3) desarrollo del sistema informático.
La integración de estos subsistemas, incluyendo su funcionamiento como un solo sistema, permitirá obtener información general que, a su vez, permitirá realizar ajustes para controlarlo, mejorarlo o corregirlo; con base en lo dicho, se propone la Metodología de Investigación Tecnológica Sistémica Experimental (MITSE), misma que está basada en una de las metodologías de la ingeniería de sistemas: la propuesta primero por Hall y posteriormente por W. Jenkins. Al tratarse de un desarrollo tecnológico, es conveniente utilizar conceptos y metodologías de la Ingeniería de Sistemas, porque se trata de cubrir un requerimiento (Contar con un equipo de laboratorio para secado con adquisición de imágenes), que es concreto en sus objetivos y necesidades. Lo anterior está enriquecido por el modelo cibernético, según el cual, mediante la integración de sistemas que se comunican entre ellos, se obtiene información útil que permite retroalimentar y controlar el proceso objeto de estudio. Para lograr la integración del sistema, se contemplan las etapas correspondientes de: análisis, diseño, construcción, evaluación y retroalimentación.
Al aplicar la MITSE a procesos u operaciones básicas dentro de la tecnología de alimentos, (en este caso específicamente el secado), se requiere de comprobación física, cuantificable, verificable y reproducible. De aquí que la MITSE es intrínsecamente un método experimental sistemático y científico. En Figura. 1 se muestran las fases de la metodología, las cuales se describen a continuación.
2.6.1.
Fases de la MITSE
Identificación y formulación del problema (objeto de estudio) Organización del proyecto
Identificación del sistema y suprasistema. Definición de los objetivos del suprasistema
FASE 2: Diagnóstico de la situación actual y sus posibles soluciones. El objetivo es obtener un dictamen que, con base en él, permita diseñar formas potenciales de solución del problema; en este caso, conocer las alternativas de equipos e información para poder realizar la investigación, a saber:
Definición de las medidas de desempeño del sistema Recopilación de datos e información
Definición de alternativas de equipo y técnicas experimentales.
FASE 3: Diseño de prototipos y sistemas. Con base en una evaluación de las alternativas generadas, se selecciona la que optimice la operación del sistema, se modelan los prototipos y subsistemas, considerando su costo en tiempo y dinero, a saber:
Modelación del sistema
Optimización de la operación del sistema Diseño del control de la operación del sistema
FASE 4: Construcción del sistema. Los resultados del diseño se presentan a los investigadores responsables y se busca su aprobación para la implantación del diseño propuesto. Enseguida, se construyen los equipos y subsistemas de información del sistema. Después de que el sistema se haya construido en detalle, tendrá que probarse para demostrar el buen desempeño de su operación, confiabilidad, etc., a saber:
Documentación y autorización del sistema
Construcción e instalación del sistema, componentes físicos y lógicos
ANÁLISIS de la problemática a
resolver
DIAGNÓSTICO
de la situación actual y posibles soluciones
DISEÑO de prototipos y sistemas
CONSTRUCCIÓN de prototipos y sistemas
EVALUACIÓN de resultados y propuestas de
mejora
Operación inicial del sistema
Apreciación retrospectiva de la operación del sistema
[image:24.612.77.565.246.597.2]Retroalimentación (Ver Figura. 1). Por un lado, el sistema estará operando en un ambiente dinámico y cambiante que probablemente tendrá características diferentes a las que tenía cuando el sistema fue diseñado. Por otro lado, se trata de un ambiente de investigación, en el que las tareas inherentes a los proyectos de investigación, muchas veces requieren de desarrollos a la medida o innovadores: el aprendizaje en la resolución permitirá obtener mejores resultados en desarrollos posteriores de este tipo.
Figura. 1. Fases de la MITSE.
2.7.
Etapas de la investigación.
Esta investigación se divide en dos etapas. La Primera Etapa, comprende las tres primeras
fases de la MITSE. La Primera Fase consiste en determinar las necesidades tanto del Departamento de Desarrollo Tecnológico (DDT), en cuanto a la pertinencia del uso de un sistema como el desarrollado en esta tesis, así como el tipo de material con el que se va a
Aplicación y evaluación de Solución (Mundo Real)
Retroalimentación Definición del
trabajar. La Segunda Fase consiste en realizar un diagnóstico de las características del túnel de secado, de los instrumentos de medición que se ocuparán y de su funcionamiento, así como de las necesidades de información para el sistema.
En esta misma fase se evaluará la posibilidad de adaptar y modificar un sistema de captura de imágenes de construcción propia del IPN. La Tercera Fase consiste en el diseño del sistema, así como de cada subsistema que lo compone.
La Segunda Etapa de esta investigación cubre las dos últimas fases de la MITSE: la Cuarta Fase, cuyo objetivo es materializar los subsistemas diseñados en las etapas previas, Es aquí donde se lleva a cabo la construcción/adecuación del túnel, propiamente dicho, también el desarrollo de las interfaces de comunicación y la elaboración del sistema informático para la captura de imágenes y datos.
Posteriormente se diseñan y ejecutan los experimentos para probar el funcionamiento del sistema en su conjunto y por subsistema.
Finalmente se realiza la evaluación de los resultados que arrojen los distintos experimentos realizados, para pasar a la última fase del ciclo, de propuestas de mejora.
CAPÍTULO 3.
APLICACIÓN DEL MÉTODO
3.1.
Fase 1: Análisis
3.1.1.
Requerimientos del área.
El Departamento de Desarrollo Tecnológico (DDT) del CEPROBI, cuenta con un grupo de investigadores y el equipamiento para el estudio de algunas operaciones unitarias, como lo es el secado. Esta operación depende de muchas variables, las cuales es necesario validar cuando se trata de caracterizar el secado y obtener un modelo empírico o experimental para algún producto en particular. Contar con datos de cada proceso de manera inmediata y reproducible es un requisito.
Un tipo de secador muy utilizado por la industria de los alimentos es el de convección forzada con aire caliente, ya que es de los secadores más baratos en su construcción, mantenimiento y operación, y versátiles en su uso, porque una gran variedad de alimentos pueden deshidratarse con él; tal es el caso de frutas y hortalizas enteras o en rodajas, hierbas aromáticas, secado y ahumado de productos cárnicos, algunos productos a granel como semillas, entre otros. El aire se calienta con resistencias eléctricas, con la combustión de gas o petróleo (Directo o indirecto) o con energía solar (directa o indirecta).
El secador experimental de túnel desarrollado en esta tesis basa su funcionamiento en el secado por convección forzada con aire caliente. Con él puede estudiarse el secado bajo las condiciones mencionadas y, tanto reproducir, como escalar esas condiciones en secadores de igual fundamento en su operación, semiindustriales o industriales.
En este secador experimental es necesario garantizar que la temperatura del aire pueda manipularse a criterio del investigador. En algunas corridas experimentales es necesario que la temperatura sea constante durante todo el experimento; o bien, que la temperatura se pueda elevar a ritmos definidos. En ocasiones, se requiere que la temperatura se mantenga en valores elevados (90-110 ºC).
temperatura es difícil de lograr. Por lo anterior, se optó por usar resistencias eléctricas como fuente de energía para calentar el aire. Sin embargo, la información que se puede obtener del secador experimental propuesto es útil tanto en el diseño de secadores convencionales que usan fuentes renovables como no renovables.
El secador experimental de túnel debe contar con la capacidad de controlar el proceso. Para conseguirlo, se requiere un software que por un lado permita la adquisición de datos y por otro almacene y procese la información obtenida. Para éste sistema de información se definieron las siguientes necesidades:
Captura en línea de las variables temperatura y peso. Cálculo del área del producto a secar
Seguimiento a la variación del área de secado. Obtención de las gráficas de secado
Obtención del tono/brillo de la muestra Variación en el tono/brillo de la muestra Cálculo del flux de masa en el secado Capacidad de reproducir el proceso
Almacenamiento de los resultados para futuras referencias
Con estos requerimientos, se puede proceder al diseño del sistema, previo diagnóstico de la situación en que se inicia este trabajo, siguiendo la metodología propuesta.
3.1.2.
Situación Inicial.
Como resultado del análisis, se encontraron algunos elementos físicos aislados (sin interconexión entre ellos); es decir, antecedentes del equipo que se iba a desarrollar, así como esfuerzos aislados para la construcción de un sistema de caracterización del secado. En vista de lo anterior, fue necesario revisar su funcionalidad y a partir de ello proponer alternativas de trabajo.
de imágenes del material deshidratado. A continuación se hace una descripción y diagnóstico de estos elementos.
3.1.3.
Túnel de secado.
Como se ha mencionado anteriormente, el cuerpo del túnel de secado es desarrollo propio del CEPROBI, y aunque era funcional, no contaba con control de temperatura, control de velocidad del aire y monitoreo de la variación del peso de la muestra, suficientemente confiables. El control de estas variables se realizaba manualmente y dependía de la habilidad del operario.
La fabricación se hizo con materiales reciclados, fáciles de conseguir, con lo que se cumple con uno de los objetivos de factibilidad del proyecto. Una propuesta original era obtener un paquete tecnológico de bajo costo, susceptible de ser reproducido y transferido a otras personas y/o instituciones.
3.1.4.
Sistema de captura de imágenes.
El sistema de captura de imágenes sisad_1 – contryal_v, 1 fue diseñado en el CEPROBI-IPN, con la finalidad de obtener imágenes de manera automatizada en un biorreactor, obteniendo en esa aplicación buenos resultados. Para aplicarlo en el monitoreo de materiales en un túnel de secado es necesario realizarle ajustes tanto en el hardware, como en el software. Así mismo, debe adaptarse el sistema de captura a la montura donde será colocado en el túnel de secado. Se deben encontrar las mejores condiciones de iluminación, la posición más adecuada y el número de cámaras a utilizar y su programación. Esto depende de la definición y necesidades del proceso de secado.
3.2.
Fase 2: Diagnóstico
balanza. Finalmente, la temperatura del interior del túnel se registró con un termómetro digital.
En cuanto al sistema de adquisición de imágenes, se decidió usar otra opción distinta al sistema de captura de imágenes sisad_1 – contryal_v,1. Este aparato realiza la función deseada, pero requiere de tarjetas lectoras de video adicionales, con las que no se contaba. El hecho de no contar con una descripción escrita detallada del aparato, hacía muy difícil su adaptación al secador.
Respecto a los demás equipos con que se cuenta, se eligieron los siguientes para el desarrollo del sistema.
3.2.1.
Equipos disponibles.
Los instrumentos de medición a utilizar para el seguimiento de las variables a medir, son los siguientes:
3.2.1.1.
Termómetro digital
Se utilizó un termómetro digital marca Cole Parmer modelo DigiSense, (Singapur), (Figura. 2), con capacidad para realizar hasta 12 mediciones simultáneamente, con las características especificadas en el Cuadro 1. Los termocoples usados fueron de tipo T y J.
Cuadro 1.- Características del termómetro digital
CARACTERISTICA DESCRIPCIÓN
Entradas • Hasta 12 termocoples para medir, cada uno conectado a canales separados.
• Los termocoples pueden ser de diferentes tipos.
• Soporta termocoples de los tipos B, E, J, K, N, R, S o T.
• Los canales pueden activarse/desactivarse
individualmente.
Almacenamiento de datos
• Se pueden almacenar hasta 4680 registros en la unidad
(Cada registro incluye lecturas de los 12 canales, mas la fecha y la hora)
• Se puede dar seguimiento a los datos.
• Botón STORE que permite almacenar manualmente los
datos actuales
• Los datos se mantienen aun cuando se apaga o
desconecta la unidad.
• Intervalo de muestreo de 4 segundos a 1 hora.
• Las lecturas se pueden guardar y desplegar en °C, °F, °K, o °R.
• Resolución de 0.1°.
• Puede mostrar: Temperatura actual, máxima, mínima o
el promedio.
• En el promedio también muestra el número de lecturas. • La función “HOLD” congela los doce canales.
Salida de datos
• Los 12 canales pueden enviarse a la impresora simultáneamente.
• El registro de los datos o los actuales o almacenados se
pueden enviar directamente a una impresora serial.
• Se puede ajustar el tiempo entre ciclos de impresión. • El registro de los datos o los actuales o almacenados se pueden enviar a una computadora personal (PC)(RS-232 serial).
Calibración • Los canales se pueden calibrar manualmente cada uno.
• La calibración de fábrica se almacena y puede ser
recuperada en cualquier momento.
Alarmas
• Se pueden configurar alarmas de alta/baja temperatura a cada canal.
• Un termocople abierto lanza una alarma
automáticamente.
• Una alarma hace que se despliegue un ícono en el
display.
• La alarma emite un sonido, el cual puede ser
desactivado.
3.2.1.2.
Balanza.
[image:31.612.165.454.234.728.2]Uno de los parámetros más importantes durante la operación del secado, es el peso, ya que la forma inicial de calcular la cantidad de masa de agua que pierde el producto, es la variación de peso en el tiempo. Para realizar esta medición en las muestras a deshidratar, se utilizó una balanza digital marca TorRey, modelo L-EQ-5, (México), con división mínima de 0.1 g, (Figura. 3), con comunicación vía puerto serial RS-232 y con las características mostradas en el Cuadro 2:
Cuadro 2 Características de la balanza digital.
CARACTERISTICA VALOR
Capacidad 5Kg/10lb/160oz
División mínima 1g / 0.002lb / 0.05oz
Display Cuarzo Líquido
Pantalla Iluminada
Energía 110V/60Hz
Conector serial RS-232
Tara máxima 5Kg
Plato 20 cm X 24 cm (7.8” x
9.4”)
Temperatura de
Operación -10 a 40 ºC
Temperatura de
almacenaje -20 a 50 ºC
Material de fabricación Acero inoxidable grado alimenticio
Peso Neto 3.5Kg./10lb
3.2.1.3.
Cámaras de video
[image:32.612.162.462.214.432.2]Se utilizaron 4 mini-cámaras alámbricas cromáticas de televisión (Ruiye, RY-208C, Guangdong, China), integradas en el sistema de captura mediante conectividad RCA y acopladas al túnel de secado como se ve en la Figura. 4. Las especificaciones de las cámaras se muestran en el Cuadro 3. El costo de estas cámaras fue de aproximadamente USD$ 20, cada una.
Cuadro 3.- Especificaciones de las cámaras de video
CARACTERÍSTICA VALOR
Sistema NTSC
Tecnología CMOS
Enfoque Manual
Resolución Estandarizada para televisión: 320 x 240 líneas
Salida de video RCA
Impedancia 75Ω
Amplitud de la señal de video 1Vpp Frecuencia de exploración
(Velocidad de la imagen) 25 f/sec Tensiones de alimentación 8, 9 y 12 Vdc Consumo de corriente 100 y 150 mA
Figura. 4.-Cámara de video a color.
Como complemento al equipo principal, se contó con una PC armada, con procesador AMD
[image:32.612.177.446.310.666.2]adquisición y el registro de los datos de cada variable, almacena las imágenes adquiridas por las cámaras acopladas a ésta y analiza los datos matemáticamente.
También se usó un anemómetro manual de propela marca Airflow, modelo LCA-6000, (Estados Unidos), para medir la velocidad del aire a la salida del túnel.
La humedad relativa al interior y a la salida del túnel de secado se midió con un psicrómetro
de onda o “matraca” de mercurio marca Brannan, modelo BRANA135442 (Inglaterra), el cual consta de un termómetro de bulbo seco y otro de bulbo húmedo. La temperatura y la humedad relativa ambiental se midieron con un Termo-Higrómetro digital marca Extech Instruments, Modelo445702 (China).
3.2.2.
Definición del modelo de secado.
La definición del modelo de secado depende de las características intrínsecas del material a secar y de su consecuente comportamiento durante las corridas de secado. Los alimentos fibrosos y/ o compactos en su estructura presentan comportamientos en la transferencia de masa y calor de tipo Fickeano. En los materiales de tipo granular o porosos (como arena suelta) la transferencia de masa y energía obedecen a mecanismos de capilaridad y tensión superficial, principalmente (Foust, 2001).
1ª Ley de Fick. La difusión es un fenómeno de transporte por movimiento atómico, es decir, movimiento de átomos o moléculas, que se puede dar en un material (sólido, líquido o gaseoso) o entre más materiales. Es un proceso dependiente del tiempo y en un determinado momento es importante conocer la rapidez con que ocurre la difusión; se llama velocidad de flujo al número de átomos o moléculas que atraviesan una determinada superficie por unidad de tiempo; se calcula mediante la siguiente ecuación:
Y su forma diferencial:
Denominada primera ley de Fick.
Donde:
J: es el Flux o flujo de masa, medido en 1/cm2.s D: difusividad = cm2/s
dC: diferencial o gradiente de concentración = g/cm3
dx: diferencial de la distancia entre la zona menos y más concentrada = cm
2ª Ley de Fick. En muchos fenómenos estudiados, la difusión ocurre en régimen transitorio.
En este caso, tanto el flujo como la concentración varían con el tiempo. Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual al coeficiente de difusión por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La solución de la segunda ley de Fick es:
Donde
C: Concentración = g/cm3 D: Difusividad = cm2/s
Se espera que el análisis de imágenes complemente la información generada a partir de las otras variables, como área, temperatura y pérdida de humedad en la integración del modelo.
3.2.3.
Variables de estudio.
la cual podrá realizar los cálculos necesarios en cada muestreo. Las variables a estudiar en la muestra son las siguientes:
Peso.
Temperatura.
Superficie de transferencia de masa y calor.
Propiedades ópticas: (color)
Respuesta: tiempo de secado
3.3.
Fase 3: Diseño.
[image:35.612.116.504.467.740.2]Al diseñar el sistema, se consideraron los elementos tanto físicos como de información con los que se contaba. A partir de ahí, se diseñó la integración del túnel de secado ya existente con los equipos de medición y los subsistemas de comunicaciones y de información. Por lo tanto es conveniente hablar de tres subsistemas integrados: El túnel de secado, el subsistema de comunicaciones y el desarrollo informático, que aunque cada uno tienen sus propios objetivos -incluso se puede aplicar la MITSE para cada subsistema -, en conjunto tienen como objetivo específico, mostrar las ventajas de su integración en un solo sistema, mediante la aplicación del enfoque sistémico. En Figura. 5, se pueden observar los subsistemas que componen el prototipo.
3.3.1.
Selección de muestras.
El material a secar se escogió como objeto de estudio de acuerdo con los siguientes criterios:
Se esperaban cambios evidentes por efecto de la deshidratación, mismos que pueden ser fácilmente detectados por el sistema (MASA, FORMA, COLOR) El material ha sido estudiado antes, por lo que hay información con la cual
comparar los resultados obtenidos.
El material es de interés agronómico e industrial en la zona de influencia del CEPROBI.
Tomando en cuenta estas premisas, se decidió utilizar muestras representativas de varios grupos de alimentos, así se eligió jitomate (Lycopersicum esculentum), que es de gran importancia por su producción en el estado de Morelos, el nopal (Opuntia ficus-indica), de igual manera, ya que Morelos es actualmente el segundo productor en México y existe un gran interés por sus distintas propiedades. En Cuadro 4, se muestra la información sobre producción de estos dos alimentos en el estado de Morelos [11].
También se consideraron la manzanilla (Chamaemelum nobile) y epazote (Dysphania ambrosioides) ambos frescos, por su relativa velocidad de secado, lo cual da la posibilidad de revisar resultados en menor tiempo. Finalmente se consideró la carne de res en filete, que es el principio de la materia prima utilizada para la elaboración de la cecina, platillo típico y referente de la gastronomía Morelense.
Cuadro 4,. Producción de Nopal y Jitomate en Morelos
Tipo/modalidad Estacionalidad Superficie en hectáreas Producción anual por hectárea
Nopal Todo el Año 500 ha 80 ton
Jitomate Saladette
Hidropónico Todo el año 60 hectáreas 220 ton
Jitomate Saladette
cielo abierto Marzo – Diciembre 2,250 hectáreas 23 ton Jitomate Bola
3.3.2.
Diseño del túnel de secado
El túnel de secado experimental, se diseñó y construyó en el departamento de Desarrollo Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del IPN, basados en las premisas de que se trata de un secador de bajo volumen por ser experimental, de bajo costo, fácil mantenimiento y reproducible, se definió un diseño es modular, aprovechando los recursos con que se contaba en ese momento, sin perder funcionalidad y con posibilidad de integrar más componentes en caso necesario.
El túnel consta de las siguientes partes:
Cuerpo del túnel.- De 1.8 m de longitud y 20 cm. de alto por 20 cm de ancho. Incluye la zona donde se localiza el soplador (entrada del aire), hasta la salida del mismo. Está compuesto a su vez por 3 secciones acopladas. El material del que está hecho es lámina galvanizada de 1mm de espesor, donde se albergan los demás componentes (Figura. 6).
[image:37.612.67.539.259.593.2]Zona del Soplador. Es la zona del secador por donde es conducido el aire de secado. En esta zona se encuentra un soplador de propela axial de tres aspas de aluminio, impulsadas
por un motor monofásico (115V C.A.) de 1/8 HP. El rotor del motor gira, en su velocidad máxima a 1750 rpm. Este soplador entrega una corriente de aire con velocidad de hasta 2 m/s, para el plano de la luz del túnel de secado. El flujo másico máximo de aire es de 8.8 m3/min, a la velocidad mencionada.
[image:38.612.68.555.158.492.2]Zona de calentamiento del aire: es la zona donde se eleva la temperatura del aire que emite el soplador, a través del cuerpo de calentamiento compuesto por tres resistencias eléctricas de acero negro, en forma de espiral, con una potencia de 900 watts, de fabricación mexicana; las tres resistencias conectadas en configuración estrella, permiten alcanzar temperaturas de hasta 115oC en las charolas de muestreo, ubicadas en la zona de secado (Figura. 7).
Zona de secado: Consta de tres charolas para colocar las muestras; cuenta con una ventanilla para maniobras y en la parte superior las charolas se acoplan a la balanza digital y se colocan las cámaras digitales para toma de muestras.
Aislantes térmicos: Dos paneles tipo radiador que evitan la pérdida de calor y que optimizan el funcionamiento del túnel, una colocada entre el soplador y el cuerpo de calentamiento y otra colocada a la salida del túnel. La zona de calefacción y la zona de secado se encuentran aisladas mediante una cubierta de lana de fibra de vidrio de 1 pulgada de espesor, para disminuir pérdida de calor por disipación del túnel (Figura 8).
Tablero de control: Es donde se encuentran los dispositivos que permiten controlar el funcionamiento del túnel en cuanto a temperatura, velocidad de rotación del soplador, e intensidad de iluminación de la zona de secado, consta de un gabinete de 20 x 20 x 15 cm, y contiene al pirómetro digital marca XMT-808, de fabricación china y un relevador electromecánico que suministra corriente a las resistencias de calentamiento Para el control de la velocidad del motor se cuenta con un potenciómetro y para el control de la intensidad de luz en la zona de muestreo un dimmer.
3.3.3.
Diseño del sistema de comunicaciones.
[image:40.612.59.579.220.549.2]Una vez terminado de construir el túnel de secado, se procedió a la instalación de los instrumentos de medición y su sistema para la obtención de datos (Figura. 9), es decir, las interfaces de la balanza y termómetro digitales, para su comunicación con la computadora, así como del dispositivo de captura de video. Finalmente se desarrolló el software que permite la captura de los datos en tiempo real y que almacena los datos de manera organizada y de fácil recuperación para su análisis posterior.
Figura. 9 Subsistema de Comunicaciones.
3.3.4.
Diseño del sistema de procesamiento de imágenes.
Para el diseño del sistema fue necesario determinar los parámetros de interés para medir y controlar. Interesaba seguir en tiempo real el cambio de aspecto (forma y color) de los materiales a deshidratar. En cuanto al análisis de la forma se estudió la posibilidad de emplear los siguientes índices: diámetro de Feret, circularidad, longitud y/o dimensión fractal de contornos, etc., optando inicialmente por medir el encogimiento de la muestra durante el
“ecado
de
Tu el
B
al
Bala za
Te ó et o
Módulo de
Videocá a as
E uipo
de
Có puto
Te o Pa J X
R“
-R“
-RCA X 4
R“- /
U“B
U“B
secado (cambio de área), parámetro que permite obtener las cinéticas del secado y dejar la posibilidad abierta para utilizar alguno de los índices mencionados anteriormente.
Una vez contando con los requerimientos y con los datos a obtener, fue posible iniciar el diseño y desarrollo del sistema, el cual a su vez, consta de las fases de elaboración de un sistema de software, las cuales son: análisis, diseño, desarrollo, pruebas, retroalimentación, afinación y puesta en funcionamiento. De acuerdo con el modelo para el Desarrollo de Sistemas de Cascada [12], las etapas a cubrir en el desarrollo de sistemas de información son las siguientes:
Fase 1.- Análisis Fase 2.- Diseño Fase 3.- Desarrollo Fase 4.- Pruebas
Fase 5.- Retroalimentación-Ajustes
Fase 6.- Liberación- Propuestas de mejora.
A continuación se detallan las etapas descritas anteriormente.
3.3.5.
Análisis del subsistema de información
Esta etapa consiste en definir alcances, necesidades y funcionalidades de la información requerida para el sistema, considerando el sistema físico con el cual se interactuará.
La metodología para determinar los atributos del sistema, consistió en validar el funcionamiento del túnel, mediante la realización de varios experimentos de secado, a distintas temperaturas y velocidades del aire de secado. Se comprobó el funcionamiento adecuado ya que las curvas de secado obtenidas corresponden con las esperadas para este tipo de equipos. [13]
Una vez validado el funcionamiento del túnel se corroboró que es posible automatizar la adquisición de datos de entrada para el sistema, con las variables peso de la muestra, temperatura del aire de secado, así como de las imágenes digitales en distintos intervalos.
El análisis de dichas imágenes consiste en comparar tamaño (área) del producto así como sus variaciones en tonos y/o brillos, graficar los resultados y relacionarlos con los parámetros de secado que se usan comúnmente para la evaluación experimental del mismo, de tal manera que al concluir el secado, se obtengan de manera inmediata los siguientes datos:
Pérdida de humedad Variación de tamaño Variación de coloración.
Flux de masa en el secado (primera y segunda leyes de Fick)
También es necesario que se almacenen los resultados obtenidos en cada corrida, identificando cada experimento con una clave y descripción, y cada lectura también con una clave y los datos obtenidos, con la intención de tenerlos clasificados y disponibles para futuras referencias y poder utilizarlos para cálculos posteriores que no estén integrados en el sistema.
[image:42.612.62.555.396.720.2]El funcionamiento del sistema se representa en Figura. 10, donde se pueden apreciar las diferentes etapas que lo conforman.
Figura. 10.-Diagrama de Bloques. Etapas del Proceso.
1.-Datos de
entrada: HR,
V
aire,
Intervalo
2.-Adquiere
y almacena
datos: T, W,
e imagen
3.-Grafica y
calcula
variaciones
en tamaño y
tono
4.-Obtiene
resultados y
Inicio del Sistema
Abre comunicación con instrumentos:
- Termómetro (hasta 4 lecturas)
- Báscula
- Cámaras de vídeo (hasta 4 cámaras)
Solicita datos de Inicio:
-Nombre y descripción de la corrida.
-Velocidad del Aire, Humedad relativa,
Intervalo entre lecturas.
En el bloque 1 se indica el inicio del proceso. Aquí se prepara el experimento, colocando la muestra en las charolas del equipo, y estas a su vez, colocándolas dentro de la cámara de secado y fijando el peso inicial de la muestra. Después se establece la velocidad del aire de secado y la temperatura, para, finalmente, poner a punto el sistema de captura y registro de datos (Figura. 11). El segundo bloque indica la alimentación al sistema con los siguientes datos de entrada:
Nombre de la corrida Descripción de la corrida Velocidad del Aire Humedad relativa inicial Duración de la corrida Intervalo para tomar datos
[image:43.612.67.565.259.645.2]Los bloques 2 y 3 indican las acciones que de manera iterativa se realizan hasta completar la corrida (Figura. 12): en cada intervalo se obtiene el peso, la temperatura y se adquiere la
imagen de ese momento. A continuación se realiza el análisis de la imagen obtenida, convirtiéndola a escala de grises y posteriormente en binaria, de acuerdo al umbral de binarización especificado al iniciar la corrida. También se tabulan estos datos junto con el tiempo transcurrido, el cambio de peso, de temperatura y tamaño, realizando las gráficas correspondientes.
[image:44.612.67.563.289.664.2]Se determinó utilizar los algoritmos integrados en el software libre ImageJ (versión 1.45s, 2011, National Institute of Health, USA) (Anexo 3), el cual cuenta con rutinas de análisis de imágenes para determinar el tamaño de la muestra, análisis de tono; además de que es posible su integración al sistema, al tratarse de un software de dominio público.
Figura. 12.- Bloques 2 y 3, Procesamiento de información.
Para esta etapa se utilizan procesamientos paralelos. Significa que, sin interrumpir el monitoreo, se realizan los cálculos y operaciones de transformación, registro y grabación de datos; por lo anterior, el intervalo mínimo aceptado entre cada lectura es de un minuto.
•
Toma de imágenes (4 imágenes)
•
Lectura de temperaturas (4
lecturas)
•
Lectura de Peso
Adquisición de
datos
•
Registro en Base de datos
•
Generación de imágenes en tonos
de grises
•
Cálculo del área
•
Generación de gráficas
Procesamiento
El bloque 4 representa la conclusión del experimento, realizando las gráficas definitivas, actualizando la base de datos y generando archivos de respaldo de tipo texto que pueden ser exportados a otro programa como Excel de Microsoft ©, para cualquier otro propósito.
En resumen, para el desarrollo del prototipo se cuenta con elementos de desarrollo propio y elementos que solamente se integran:
Desarrollados en el CEPROBI: Diseño del túnel
Cuerpo del túnel
o Elaborado con lámina galvanizada de 0.5mm de grosor, reciclada. o Base de tubular cuadrada de ¾“ calibre 1/16“ de acero negro reciclada. o Aislante térmico a base de fibra de vidrio densidad media de 1’ de grosor. o Sistema para acoplar Balanza.
o Módulo para las videocámaras con iluminación
Interfaces de comunicación. Software
o Análisis y diseño o Interface de usuario
o Rutinas de comunicación entre el Túnel y el equipo de cómputo(PC) o Rutinas de adquisición de datos
o Rutinas de adquisición de imágenes o Base de datos
o Rutinas de procesamiento de datos
Integrados:
Equipos de medición: Balanza digital, termómetro digital, psicrómetro de mercurio, termohigrómetro digital, anemómetro manual.
Resistencias eléctricas de calentamiento. Soplador axial.
Pirómetro-termómetro digital.
Control de iluminación de cámara de secado Control de variación de rpm del soplador
Relevador electromecánico ON/OFF de 20 amperes
Cuatro líneas de focos LED de 6 unidades cada uno (12 V, cd) 4 Cámaras de video.
Tarjeta capturadora de video de 4 canales.
Drivers del EasyCap (multiple control de cámaras). Rutinas de despliegue de gráficas.
3.4.
Fase 4 : Desarrollo.
3.4.1.
Desarrollo del Software. Diagrama de flujo
Figura. 13.- Diagrama de flujo.
Inici
Solicita datos iniciales:
-Nombre
-Descripción
-Duración, etc.
Prepara Corrida -Inicializa Cámaras
-Abre Puertos de Comunicación para Termómetro y Balanza
Para cada Intervalo:
Binariza imagenes
Calcula área
Actualiza Gráfica
Almacena en B.D.
3.4.2.
Base de datos.
[image:47.612.63.583.159.589.2]Se diseñó una base de datos en Microsoft-sql server©, para llevar a cabo el almacenamiento de los datos obtenidos de cada corrida (Figura. 14), la cual consta de tres tablas de base de datos con sus correspondientes consultas y relaciones.
Figura. 14.- Base de Datos
3.4.2.1.
Descripción de las tablas de base de datos
La tabla de base de datos llamada “corridas”, contiene los datos generales del experimento,
