Disenio integral de un secador experimental de tunel.pdf

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y

ELCTRICA UNIDAD ZACATENCO

PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERIA DE SISTEMAS

MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERA DE SISTEMAS

TESIS PARA OBTENER EL GRADO

DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA DE SISTEMAS:

DISEO INTEGRAL DE UN SECADOR EXPERIMENTAL DE TNEL

Desarrollado en el Centro de Desarrollo de Productos Biticos

y la SEPI- ESIME Zacatenco

QUE PRESENTA EL ALUMNO

ING. MIGUEL NGEL PREZ GUTIRREZ.

DIRECTOR DE TESIS

DR. CARLOS LPEZ GONZLEZ,

CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BITICOS DEL IPN

DIRECTOR DE TESIS

DR. IGNACIO ENRIQUE PEN ESCALANTE,

PROGRAMA EN INGENIERA DE SISTEMAS, SEPI-ESIME ZACATENCO

2013

Miguel ngel Prez Gutirrez Diseo integral de un secador experimental de tnel

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Dedicatoria.

A Lul, con amor y gratitud por la comprensin 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, cuados y en especial a mis sobrinos; Mago, Too, Isra,

Alan, Pau, Albe, Efrn, Dianis, Adn, Lalo, Monse, Salo, Marianita, Emi y Juanito, con el

deseo de que esta meta cumplida sirva de inspiracin para crecer y superarse cada da.

A mis padres: Paulina y Salomn, por lo que sembraron en m y porque s que en alguna

parte del cielo estn juntos y cuidndonos.

Agradecimientos.

A Dios, por todas las bendiciones que nos regala a cada da y por permitirme concluir esta

etapa de mi formacin.

Al Instituto Politcnico Nacional, a la SEPI-ESIME Zacatenco y al Centro de Desarrollo de

Productos Biticos, por el apoyo brindado en formacin y recursos para desarrollar esta

tesis.

A mis directores de tesis, los Doctores Carlos Lpez e Ignacio Pen, por su paciente y

generosa gua.

A mis compaeros, amigos y todos aquellos quienes participaron e hicieron posible el buen

trmino de este proyecto.


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NDICE

RESUMEN .......................................................................................................................... 8

ABSTRACT .......................................................................................................................... 9

INTRODUCCIN ................................................................................................................... 10

CAPTULO 1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIN. .......................... 12

1.1. Justificacin ............................................................................................................ 12

1.2. Marco contextual..................................................................................................... 13

1.2.1. Contexto fsico. ................................................................................................. 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. Especficos. ...................................................................................................... 17

CAPTULO 2. MARCO TERICO Y METODOLGICO ....................................................... 18

2.1. El proceso de secado. ............................................................................................ 18

2.2. La conservacin de alimentos ................................................................................ 18

2.3. El procesamiento de imgenes digitales. ................................................................ 19

2.4. La teora general de sistemas. ................................................................................ 20

2.5. Tipo de investigacin. ............................................................................................. 21

2.6. Metodologa ............................................................................................................ 22

2.6.1. Fases de la MITSE ........................................................................................... 22

2.7. Etapas de la investigacin. ..................................................................................... 24

CAPTULO 3. APLICACIN DEL MTODO ......................................................................... 26

3.1. Fase 1: Anlisis....................................................................................................... 26

3.1.1. Requerimientos del rea................................................................................... 26

3.1.2. Situacin Inicial. ................................................................................................ 27

3.1.3. Tnel de secado. .............................................................................................. 28

3.1.4. Sistema de captura de imgenes. .................................................................... 28

3.2. Fase 2: Diagnstico ................................................................................................ 28

3.2.1. Equipos disponibles. ......................................................................................... 29

3.2.1.1. Termmetro digital ............................................................................................ 29

3.2.1.2. Balanza............................................................................................................. 31

3.2.1.3. Cmaras de video ............................................................................................ 32

3.2.2. Definicin del modelo de secado. ..................................................................... 33

3.2.3. Variables de estudio. ........................................................................................ 34


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3.3. Fase 3: Diseo. ....................................................................................................... 35

3.3.1. Seleccin de muestras. .................................................................................... 36

3.3.2. Diseo del tnel de secado .............................................................................. 37

3.3.3. Diseo del sistema de comunicaciones. ........................................................... 40

3.3.4. Diseo del sistema de procesamiento de imgenes. ....................................... 40

3.3.5. Anlisis del subsistema de informacin ............................................................ 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. Descripcin de las tablas de base de datos ..................................................... 47

3.4.3. Subsistema de adquisicin de imgenes ......................................................... 50

3.4.4. Subsistema de adquisicin de datos ................................................................ 51

3.4.5. Desarrollo de la interface de usuario: ............................................................... 53

3.4.6. Lenguaje de programacin. .............................................................................. 54

CAPTULO 4. RESULTADOS ............................................................................................... 55

4.1. Fase 5: Puesta en marcha del Equipo .................................................................... 55

4.2. Experimentos .......................................................................................................... 57

4.3. Anlisis de imgenes .............................................................................................. 58

4.4. Caso Prctico: Secado de Manzanilla. ................................................................... 58

4.5. Anlisis estadstico ................................................................................................. 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 Teora del secado ............................................................................................. 72

Definicin de conceptos ................................................................................................. 76

Operacin de secado. .................................................................................................... 76

ANEXO 3. El procesamiento de imgenes. ...................................................................... 79

Imagen ptica vs. imagen digital. ................................................................................... 79

Usos actuales y tendencias. ........................................................................................... 81

ANEXO 4. TEORA GENERAL DE SISTEMAS ................................................................ 83

Bases epistemolgicas de la teora general de sistemas ............................................... 83

Conceptos bsicos de la teora general de sistemas ..................................................... 85

Metodologas de la ingeniera de sistemas .................................................................... 90

Sistemas duros ............................................................................................................... 90

Sistemas suaves ............................................................................................................ 90


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ANEXO 5 Tendencias en tecnologas de conservacin de alimentos ............................. 91

ANEXO 6 Prctica de obtencin de parmetros de secado. ............................................ 94

ANEXO 7 El estndar RS-232 .......................................................................................... 97

ANEXO 8.- Cotizacin para construccin del prototipo ..................................................... 99

GLOSARIO DE TRMINOS ................................................................................................ 101

INDICE DE CUADROS Y FIGURAS ................................................................................... 108

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................... 110


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RESUMEN

En el Centro de Desarrollo de Productos Biticos (CEPROBI), se construy un secador de

tnel y charolas experimental, cuyo propsito es apoyar a los proyectos de investigacin y

de capacitacin en los cursos que se imparten, donde interesa demostrar el proceso del

secado de materiales biolgicos.

Se desarroll un prototipo para la captura y anlisis automtico de imgenes digitales y

datos, consistente en un conjunto de cmaras, equipos de medicin y software de control.

Este prototipo puede ser aplicado en equipos y sistemas para adquirir, clasificar y analizar

imgenes automticamente, y relacionar la informacin generada de tales imgenes con

otras variables de operacin como el peso y la temperatura.

El desarrollo de esta tesis se centra en la integracin del prototipo para la captura y anlisis

de imgenes digitales y datos con el tnel de secado, mediante interfaces de comunicacin.

Con esta integracin ms el desarrollo de un software para monitorear el proceso, es posible

capturar y analizar imgenes digitales en tiempo real del material que se seca, obteniendo

lecturas de cambios en color y forma, as como del cambio de peso (cinticas de secado), y

de la temperatura.

El prototipo ms el secador de tnel de charolas experimental, forman un paquete

tecnolgico de bajo costo que puede ser de utilidad para instituciones de educacin en

ingeniera o investigacin y desarrollo, en la obtencin de parmetros de secado de

materiales.

Para la realizacin de este trabajo se emple una metodologa basada en la de sistemas

duros, y el proceso ciberntico, la cual se describe y se denomin como Metodologa para

la Investigacin Tecnolgica Sistmica Experimental (MITSE).

Se realizaron ensayos con el equipo ya integrado, obteniendo resultados favorables y

comprobndose experimentalmente la factibilidad de obtener prototipos con fines de

investigacin y educativos.


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ABSTRACT

A prototype system for the automatic capture and analysis of digital images and data was

developed at the Centro de Desarrollo de Productos Biticos (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.

What was done in this work were found elements to propose a methodology for experimental

systemic technological research (MITSE), which shows the characteristics of research that is

required to develop systems that support the object of study, and that can help develop

solutions to specific research problems.


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INTRODUCCIN

La tecnologa de alimentos es la aplicacin de mltiples ciencias enfocadas a la produccin,

proceso, conservacin y estudio de productos alimenticios. Por la tendencia general de

reducir costos de operacin y hacer ms eficiente el uso de la energa al servicio de la

transformacin, los procesos que intervienen deben ser cada vez ms eficientes y

automatizados, requiriendo de la participacin de especialistas en varias disciplinas que

mejoren los equipos, procesos y metodologas utilizadas para las distintas operaciones que

la componen.

El secado de alimentos es una operacin que se emplea para transformar alimentos. El

objetivo primordial del proceso de deshidratacin es reducir el contenido de humedad del

producto a un nivel que limite el crecimiento microbiano y las reacciones qumicas. Los tipos

de secadores que existen se pueden clasificar por la tecnologa que utilizan para el secado:

conveccin, liofilizacin, aspersin, radiacin, entre otros; por la forma de alimentar el

producto, por lote o continuos.

El aire caliente es usado como el medio para inducir la evaporacin del agua en el material

a secar en la mayora de los secadores mencionados, y ha tenido un uso muy extendido

desde tiempos remotos.

Para fines educativos y de investigacin, el secador de conveccin de tipo tnel con aire

forzado es de los ms empleados, ya que permite un control ms preciso de las condiciones

de secado y representa uno de los modelos de secador ms extendidos en su uso por su

simpleza y bajo costo de construccin y operacin.

Durante el secado, el producto sufre cambios fsicos como encogimiento y cambio de color.

Estos cambios dependen del tipo de producto y de las condiciones en que se realiza la

operacin. El registro y anlisis de estos cambios se puede llevar a cabo de manera

inmediata mediante la incorporacin de otras tcnicas como la inspeccin visual asistida por

computadora, y el tratamiento digital de imgenes, con las ventajas de que se genera

informacin en tiempo real, que es una tcnica no invasiva y que reduce tiempo en los

procesos de medicin, permitiendo la retroalimentacin oportuna de informacin al sistema.

El diseo integral de un secador experimental de tnel realizado en el CEPROBI, tiene como

finalidad cubrir los requerimientos mencionados anteriormente. El proceso implica que


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durante su realizacin se lleve a cabo la adquisicin de imgenes, su visualizacin,

almacenamiento, y parte del procesamiento para su posterior anlisis.

Por lo anterior, es necesario contar con un sistema de adquisicin y almacenamiento de

imgenes digitales como parte del desarrollo de este prototipo: sta es la principal

aportacin de este trabajo.

La tesis est organizada en tres captulos, ms anexos, referencias bibliogrficas, glosario e

ndices de ilustraciones y cuadros.

En el captulo 1 se describen los fundamentos y el contexto de la investigacin. Tambin se

analiza la problemtica de la caracterizacin de los productos de secado y se expone la

necesidad de contar con desarrollos de sistemas y subsistemas que contribuyan a solventar

esta situacin. As mismo, se describen las condiciones de tiempo, lugar y situacin en que

se realiz la investigacin.

En el captulo 2 se dan los marcos terico y metodolgico con que se abord el presente

trabajo, se describen los principios de las disciplinas que intervienen tanto en el secado de

alimentos, como en el tratamiento de imgenes digitales; se presenta la Metodologa de

Investigacin Tecnolgica Sistmica Experimental (MITSE), concluyendo que se tienen los

elementos suficientes para abordar esta problemtica y desarrollar el sistema.

El captulo 3 describe la aplicacin del mtodo y sus diferentes etapas, desde la

construccin del tnel hasta el desarrollo del subsistema de software diseado para controlar

la adquisicin y tratamiento de imgenes, as como la adquisicin de las variables de peso y

temperatura, y los algoritmos para realizar en tiempo real las grficas de secado por cada

experimento en proceso.

Tambin se explica cmo se logr concentrar en una sola interface de usuario todos los

elementos antes descritos, con lo cual se facilita, automatiza y hace ms eficiente la

realizacin de los procesos.

Finalmente, se presentan las conclusiones y resultados de los trabajos realizados, se hace

un anlisis de la aplicacin de la metodologa utilizada y se cierra con un conjunto de

recomendaciones, producto de las experiencias obtenidas durante la realizacin de este

trabajo, que como todo sistema -siguiendo la propia metodologa- debe ser retroalimentado y

mejorado.


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CAPTULO 1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIN.

1.1. Justificacin

En la actualidad, dentro de los proyectos de investigacin de las tecnologas de alimentos,

en especial en el desarrollo de nuevos productos, suele ser necesario caracterizar las

condiciones de secado de diversos materiales, ya que sta es una operacin muy empleada

como medio de conservacin y transformacin. Un tnel de secado con aire en charolas es

una herramienta de gran ayuda, al permitir la obtencin de datos fsicos y termodinmicos de

los materiales a deshidratar, as como velocidades de secado, modelos empricos de

cinticas de secado, los cuales son de utilidad en la caracterizacin, comprensin y

prediccin de patrones de deshidratacin, tiempo de secado y consumo energtico durante

la operacin. As mismo, estos datos son de gran utilidad en el diseo de deshidratadores y

el clculo del costo energtico del proceso.

Con el anlisis de imgenes acoplado a un sistema de secado de materiales, y con el

desarrollo de las tcnicas de tratamiento de imgenes, es posible un seguimiento ms

preciso de los cambios que experimentan los productos al someterse al proceso de secado,

tales como el cambio de color y el encogimiento; ste ltimo es un indicador indirecto del

cambio de rea 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 adems permitan capturar, procesar y analizar

imgenes.

Cada material, alimento o producto biolgico que se estudia requiere un anlisis particular.

Caracterizar y reproducir las condiciones ptimas de secado de acuerdo con el material o

producto que se est procesando requiere tecnologa de registro de esos cambios que sea

adecuada, eficiente y que entregue resultados reproducibles. A pesar de que en el mercado

existen equipos similares al que se desarroll en esta tesis, tienen la desventaja de ser

costosos y con frecuencia son tecnologas cerradas, lo que impide ajustarlos a las

necesidades de una investigacin o mejorarlos a bajo costo. El modelo de equipo que se

propone en este estudio tiene la ventaja de ser ms barato en su diseo y construccin,

adems de que puede obtener datos de los cambios en el material que se deshidrata en


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tiempo real. As mismo, se trata de un sistema de tecnologa abierta susceptible de

adaptarse y/o modificarse de acuerdo con las necesidades experimentales.

Dentro de las actividades acadmicas desarrolladas en el centro, est la formacin

acadmica, la capacitacin y la actualizacin tecnolgica, En el departamento de Desarrollo

Tecnolgico (DDT) se pretende ampliar la oferta de cursos de propsito especfico tanto

para alumnos de los programas de posgrado, como para cualquier persona interesada en

sta tecnologa: fundamentos del secado de alimentos, para el cual el desarrollo de esta

tesis resulta til por ser un equipo experimental.

La necesidad de este tipo de sistemas para el desarrollo de actividades acadmicas no solo

en el CEPROBI, sino en el pas en general, es amplia, y el presupuesto destinado a este

rubro es escaso; estas herramientas tecnolgicas son generalmente de importacin, de

costos muy elevados tanto de compra como de operacin y mantenimiento. Otros equipos

son descontinuados por el fabricante y su reparacin y/o actualizacin suele ser incosteable.

Es por todo lo anterior que se requiere desarrollar la capacidad de desarrollo e integracin

de sistemas para poder adaptar las soluciones a estas necesidades, bajo un marco

metodolgico con enfoque de sistemas especfico.

1.2. Marco contextual

1.2.1. Contexto fsico.

La presente investigacin se llev a cabo en la planta piloto del departamento de Desarrollo

Tecnolgico del Centro de Desarrollo de Productos Biticos (CEPROBI), perteneciente al

Instituto Politcnico Nacional (IPN).

El CEPROBI se encuentra ubicado en el municipio de Yautepec, en el estado de Morelos y

se constituy oficialmente en 1984. Tiene como objetivos realizar investigacin bsica y

aplicada, que permita la integracin de paquetes tecnolgicos, tendientes a la explotacin

racional y aprovechamiento ptimo de los recursos biticos del pas y formar recursos

humanos de alto nivel acadmico en las reas de biotecnologa, bioingeniera y proteccin

vegetal orientadas al desarrollo cientfico y tecnolgico del pas[1].

Para realizar docencia e investigacin, el CeProBi est organizado en cuatro departamentos

acadmicos: Biotecnologa, Interacciones Planta-Insecto, Desarrollo Tecnolgico y Nutricin


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y Alimentos Funcionales, con un total de 12 laboratorios, distribuidos en los cuatro

departamentos.

El objetivo del departamento de Desarrollo Tecnolgico, es realizar investigacin orientada al

desarrollo de tecnologas para el aprovechamiento de recursos biticos, a travs del estudio

de biomolculas, con nfasis en el almidn y promover el desarrollo tecnolgico para la

formacin de industrias procesadoras de productos biolgicos. Cuenta con tres laboratorios,

entre ellos se encuentra la planta piloto.[1]

En el departamento se desarrolla una lnea de investigacin: Estudio y aprovechamiento de

biomolculas, y varias sublneas de investigacin; una de ellas es: Estudio de la ingeniera

necesaria para el desarrollo de procesos y/o la transformacin y conservacin de las

materias primas as como el estudio de sus propiedades fsicas, dentro de la cual se

enmarca la presente investigacin.

Son cuatro los laboratorios que existen en este departamento:

1. Anlisis Instrumental

2. Control de Calidad

3. Almidones

4. Planta Piloto

Por otro lado, en las ltimas dos administraciones del IPN, se ha dado especial nfasis a la

vinculacin con el sector productivo y la pertinencia de la investigacin realizada en el

Instituto; por lo que ha sido el propsito 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 (interaccin con el entorno), de las

actividades realizadas por el IPN, se cre el Modelo de Integracin Social en el ao de 2004,

lo cual ha impulsado desde entonces la reorientacin de los esfuerzos de la administracin

del CEPROBI para cumplir con esa tarea, incrementando convenios de colaboracin y

favoreciendo las condiciones para lograr estos objetivos [2].

En el ao 2008, se desarrolla en el Centro un prototipo electrnico y de software para

adquisicin de imgenes, el cual demostr la factibilidad de contar con elementos propios


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para trabajar con este tipo de archivos digitales. En el ao de 2009, en el Departamento de

Desarrollo Tecnolgico, se detecta la necesidad de contar con un secador de tnel

experimental, que se pudiera utilizar tanto para la imparticin de cursos, como para auxiliar

las tareas de investigacin. 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 disear uno que cubriera esas necesidades y se pudiera elaborar con

recursos existentes.

Es entonces que, durante el proceso del diseo, se tuvo la visin de integrar el sistema con

subsistemas de control, monitoreo y procesamiento de la informacin, adems de permitir la

captura de imgenes, lo que ha dado como resultado el sistema que se presenta en este

trabajo de investigacin.

1.2.3. Contexto cultural

El prototipo de propsito especfico desarrollado en este trabajo tiene la intencin de ser

utilizado como herramienta de la investigacin bsica y la aplicada, as como en la docencia.

Su influencia est en ser una tecnologa que genera informacin vlida y suficiente, con la

flexibilidad para adaptarse a diferentes situaciones experimentales.

Es por lo anterior, que se propone la Metodologa de Investigacin Tecnolgica Sistmica

Experimental (MITSE). Culturalmente, en Mxico y especficamente en el CEPROBI-IPN, ha

existido poco inters en este campo. Actualmente se depende tanto de tecnologa como de

equipos ajenos al Instituto, crendose una dependencia de tecnologas de empresas e

instituciones externas, para el desarrollo del quehacer cientfico del CEPROBI, pero en

especial de estudio y anlisis de las operaciones unitarias en el DDT.

En Mxico se requiere esa vinculacin entre la ciencia y la prctica para solucionar

problemas concretos, y en el caso del IPN, eso es lo que se busca primordialmente con el

Modelo de Integracin Social. [3]

As, tenemos que tradicionalmente el secado ha sido la operacin que ms se ha usado en

la industria para conservar productos, no solo en Mxico, sino a nivel mundial, ya que reduce

el contenido de humedad y la actividad de agua (Aw), inhibiendo y/o retardando tanto

reacciones qumicas de deterioro, como el desarrollo de microorganismos no deseados.


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Cuando se requiere escoger que fuente de calor es la mejor para deshidratar un alimento,

debe realizarse un balance costo-beneficio. Si bien la energa solar suele ser la eleccin

energtica ms barata, tiene los inconvenientes de ser difcil de controlar, depender de la

incidencia solar (da-noche) y del clima, as como requerir tiempos prolongados de secado.

El usar fuentes de calor fsiles (combustleo, carbn o gas) debe analizarse con

detenimiento y evaluar con suficiente exactitud su conveniencia.

Otro aspecto a considerar, es que el proceso de secado tambin induce cambios en las

propiedades del producto, afectando sus caractersticas finales en peso, color, sabor,

textura, forma, propiedades nutricionales y capacidad de rehidratacin. Para obtener

productos con el mejor balance entre estos aspectos, es que se requieren estudios

especficos para cada producto, y es aqu donde se utilizan secadores experimentales o de

baja escala, que permiten con bajo costo de operacin, realizar estos estudios.

Debido a la necesidad de este tipo de secadores de tnel para investigacin y educacin, se

tiene el desarrollo de varios equipos de lnea como el secador de charolas Modelo PS-SE-

200/EL marca Generatoris que se comercializa en Mxico, o el UOP8 Tray Drier de la

empresa Armfield de Inglaterra, por citar algunos ejemplos; sin embargo, en la bibliografa

consultada, se encontr que estos modelos no cuentan con adquisicin de datos ni de video,

por lo que no se ajustan a la necesidad de manejo de imgenes planteado en esta tesis,

adems de que su costo oscila en los 400,000 pesos (ANEXO 1 Equipos en el mercado).

A nivel investigacin tambin se encontr que existen esfuerzos de desarrollo de prototipos

con algunas de las caractersticas descritas en esta tesis. Dentro de la literatura estudiada

se encontr un desarrollo que se enfoca en la educacin a distancia, diseando un

laboratorio virtual donde las imgenes y vdeo que se toman y envan por la red en tiempo

real, corresponden al equipo completo, pudindose observar a distancia el experimento en

su conjunto (equipo, muestra y operadores), incluso controlndolo remotamente, poniendo

nfasis en la operacin del equipo, mientras que en esta tesis, en obtener imgenes en

tiempo real del material que se est secando; dicho ejemplo es el caso de un tnel

desarrollado en la Universidad de las Amricas (UDLA) en puebla. Otra diferencia, es que

aquel maneja lmites de temperatura de 30 a 70C, y el modelo que se presenta en esta

tesis llega a los 110, requerido para trabajar con modelos de estudio que requieran tales

temperatura, como materiales no alimenticios: celulosa, arcillas, etc.


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1.3. OBJETIVOS

1.3.1. General.

Disear e integrar los componentes necesarios para un secador de charolas experimental de

tnel con registro de imgenes.

1.3.2. Especficos.

Realizar un diagnstico de la problemtica del secado en la conservacin de

alimentos.

Disear un secador experimental de tnel con aire caliente y charolas.

Construir un prototipo del secador que incluya un subsistema de captura de

imgenes.

Disear y construir un mecanismo automatizado de monitoreo de peso y captura de

imgenes durante el proceso de secado (en tiempo real).

Desarrollar un sistema de registro y procesamiento de las imgenes capturadas

Comprobar experimentalmente los modelos obtenidos en el sistema.

Describir la metodologa para la investigacin tecnolgica sistmica experimental

(MITSE).


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CAPTULO 2. MARCO TERICO Y METODOLGICO

En este captulo se presentan las bases tericas y los antecedentes de las partes principales

que componen ste trabajo, tanto la parte de la operacin del secado, como la

automatizacin y utilizacin del procesamiento de imgenes, pasando por el anlisis de la

problemtica de la conservacin de los alimentos, todas integradas bajo el enfoque de

sistemas, del cual tambin se muestran los antecedentes tericos.

2.1. El proceso de secado.

Las operaciones unitarias son partes o pasos especficos de los procesos industriales, cuyo

propsito es modificar las caractersticas 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-Cnovas, G.V, 2005). Estas modificaciones estn encaminadas a la obtencin de

productos que tengan un mayor valor y/o aceptacin en el mercado; o bien que presenten

mayores posibilidades de almacenamiento y transporte, as como el que sirvan para cubrir

alguna necesidad especfica.

El secado es la operacin 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 mtodo data del siglo XVIII y fue

utilizado para secar vegetales [4]. Eventualmente se logr una base cientfica que permiti el

desarrollo de una industria mundial de procesamiento y conservacin de alimentos. Como en

la mayora de los avances tecnolgicos, 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 duracin suficientes [5]. En ANEXO 2 Teora del

secado, se explican los principios tericos del proceso de secado, donde se puede ver su

complejidad al aplicarlo en productos alimenticios.

2.2. La conservacin de alimentos

Segn la FAO (Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentacin

por sus siglas en ingls), las prdidas pos-cosecha de los cultivos de alimentos exceden el

30% en varios pases en desarrollo, debido principalmente a la falta de infraestructura y al


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alto costo de las tecnologas de procesamiento. Este problema se acenta 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 microbiolgico y

fisiolgico y dao mecnico durante la cosecha, envasado y transporte [6], sin mencionar las

prdidas por motivos econmicos, como es el desplome de precios cuando hay

sobreproduccin, las polticas internas de proteccin de los productores locales, y el

desperdicio provocado por el despilfarro del consumidor final.

La reduccin de las prdidas de productos perecederos requiere la adopcin de varias

medidas durante la cosecha, la manipulacin, el almacenamiento, el envasado y el

procesamiento de alimentos frescos para obtener productos adecuados con mejores

propiedades de almacenamiento. En ANEXO 5 Tendencias en tecnologas de

conservacin de alimentos, se presentan las tendencias tecnolgicas enfocadas al envasado

y el procesamiento para la conservacin de alimentos. [7]

2.3. El procesamiento de imgenes digitales.

Se entiende por imagen digital aquella imagen que es captada por medios electrnicos y es

representada en archivos digitales (a travs de una serie de pulsos elctricos basados en un

sistema binario), que puede ser interpretada correctamente por una computadora. El

procesamiento de imgenes es el tratamiento que se le da a este tipo de imgenes. La

imagen digital se compone de n x m elementos llamados pixeles, a los que les corresponde

una posicin en un plano bidimensional (o cartesiano), as como un valor de intensidad (de

luz y/o de color), por lo que puede representarse como una funcin . Donde

son coordenadas en el plano, y es el valor de intensidad en ese punto.

El procesamiento de imgenes es de gran inters por su amplia variedad de aplicaciones,

principalmente para dos objetivos: 1) mejorar las cualidades de la imagen para la percepcin

del ojo humano y su interpretacin, y 2) para desarrollar equipos capaces de aplicar mtodos

de adquisicin, almacenamiento, transmisin y representacin de imgenes[37]. En ANEXO

3. El procesamiento de imgenes., se profundiza en la teora sobre el procesamiento de

imgenes digitales.


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2.4. La teora general de sistemas.

En un sentido amplio, la Teora General de Sistemas (TGS) se puede ver como una forma

sistemtica y cientfica de aproximacin y representacin de la realidad y, al mismo tiempo,

como una orientacin hacia una prctica para formas de trabajo transdisciplinarias. Si la

vemos como un paradigma cientfico, la TGS se caracteriza por su perspectiva holstica e

integradora, en donde lo importante son las relaciones y los conjuntos que a partir de ellas

emergen. En su aspecto prctico, la TGS ofrece un ambiente adecuado para la interrelacin

y comunicacin 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 ms elementales (Subsistema). La

tarea de conectar sistemas se conoce como integracin, y su objetivo es obtener resultados

que por separado los subsistemas no podran producir.

Dentro de las metodologas de sistemas, se encuentran las diseadas para sistemas

duros. Partiendo de la investigacin de operaciones se llega a la ingeniera de sistemas,

como la postulada por Jenkins en los aos 60, donde trata de problemas concretos, con

objetivos y metas claras y puntuales. Sin embargo, se considera necesario complementarla

con otras metodologas y modelos que ponen nfasis en el aprendizaje y la

retroalimentacin, tanto en las fases de diseo como en la operacin. En el caso que nos

ocupa, se trata de un secador experimental de tnel, como se ver ms adelante.

Otro concepto de inters para este trabajo, es el de proceso ciberntico, (del griego

kibernetes, timonear). Definido por Weiner en los aos 40, sobre la base de tres teoras: la

teora de sistemas, la de informacin y la de control, introdujo un anlisis ms completo

sobre los conceptos de retroalimentacin y comportamiento dirigido a metas, lo aplic en

sistemas sociales, biolgicos y mecnicos, tambin previ el rol central que tendra la

computadora en los procesos industriales e intelectuales. Estas ideas fueron tan relevantes,

que fueron tomadas por las ciencias de la computacin, la biologa, filosofa, psicologa y

muchas ramas de las ciencias sociales. Del proceso Ciberntico se distinguen el control y la

retroalimentacin, mismos que se basan a su vez en la integracin de subsistemas mediante

la comunicacin entre ellos, y el control que se logra con el procesamiento de esa

informacin. En ANEXO 4, se dan las bases de la TGS, del enfoque de sistemas y de su

interrelacin con la investigacin cientfica. [9]


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2.5. Tipo de investigacin.

Por el objeto de estudio, se puede considerar al tipo de investigacin de este trabajo como

Investigacin aplicada, porque Se utilizan los conocimientos en la prctica, para

emplearlos en un provecho social. [10]

Segn Grajales, (2000), en su definicin de investigacin aplicada, comenta que La

investigacin aplicada guarda ntima relacin con la bsica, pues depende de los

descubrimientos y avances de la investigacin bsica y se enriquece con ellos, pero se

caracteriza por su inters en la aplicacin, utilizacin y consecuencias prcticas de los

conocimientos. La investigacin aplicada busca el conocer para hacer, para actuar, para

construir, para modificar.

De acuerdo con las variables que la componen, se puede considerar la investigacin

realizada en esta tesis como Investigacin experimental, por el rol del investigador en la

manipulacin de una variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente

controladas, que tiene el fin de describir de qu modo o por qu causa se produce una

situacin o acontecimiento particular. [10] El objetivo de este trabajo es obtener un equipo

para desarrollo de experimentos de secado. Es un desarrollo sistmico, porque se desarrolla

con rigor cientfico: trata de definir un modelo matemtico del secado de alimentos a travs

del anlisis de imgenes obtenidas durante el desarrollo de corridas experimentales de

secado. Relaciona las imgenes con las variables de temperatura y peso e integra los

equipos de experimentacin de que se compone, con equipos de medicin y de informacin,

valindose para ello, de interfaces de comunicacin. El sistema resultante permite obtener y

caracterizar en tiempo real el material a secar, obteniendo datos de relevancia para el

anlisis del proceso y realizando algunos anlisis de forma inmediata. Este trabajo busca

tambin lograr una reducida intervencin humana en la lectura y captura de datos, con lo

cual se vern disminuidos los factores generadores de error en los anlisis.

Bajo esta perspectiva, se acotarn los experimentos, procurando delimitar los alcances y

caractersticas que se pueden medir, principalmente en cuanto a cambios de coloracin y

cambios en el tamao y peso.


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2.6. Metodologa

Dadas las premisas comentadas en el punto anterior, el presente trabajo contiene elementos

de integracin, de diseo y de experimentacin en tres mbitos principalmente:

1) construccin del equipo,

2) eleccin y configuracin de interfaces de comunicacin y

3) desarrollo del sistema informtico.

La integracin de estos subsistemas, incluyendo su funcionamiento como un solo sistema,

permitir obtener informacin general que, a su vez, permitir realizar ajustes para

controlarlo, mejorarlo o corregirlo; con base en lo dicho, se propone la Metodologa de

Investigacin Tecnolgica Sistmica Experimental (MITSE), misma que est basada en una

de las metodologas de la ingeniera de sistemas: la propuesta primero por Hall y

posteriormente por W. Jenkins. Al tratarse de un desarrollo tecnolgico, es conveniente

utilizar conceptos y metodologas de la Ingeniera de Sistemas, porque se trata de cubrir un

requerimiento (Contar con un equipo de laboratorio para secado con adquisicin de

imgenes), que es concreto en sus objetivos y necesidades. Lo anterior est enriquecido por

el modelo ciberntico, segn el cual, mediante la integracin de sistemas que se comunican

entre ellos, se obtiene informacin til que permite retroalimentar y controlar el proceso

objeto de estudio. Para lograr la integracin del sistema, se contemplan las etapas

correspondientes de: anlisis, diseo, construccin, evaluacin y retroalimentacin.

Al aplicar la MITSE a procesos u operaciones bsicas dentro de la tecnologa de alimentos,

(en este caso especficamente el secado), se requiere de comprobacin fsica, cuantificable,

verificable y reproducible. De aqu que la MITSE es intrnsecamente un mtodo

experimental sistemtico y cientfico. En Figura. 1 se muestran las fases de la metodologa,

las cuales se describen a continuacin.

2.6.1. Fases de la MITSE

FASE 1: Anlisis de la problemtica. La metodologa inicia con un anlisis de la situacin a

resolver o mejorar. As se define el sistema y sus objetivos, y se podr llegar a una solucin

adecuada. Al tratarse de aspectos de investigacin experimental, se har nfasis en el

objeto de estudio y en los equipos y subsistemas a utilizar. Contempla los siguientes puntos:


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Identificacin y formulacin del problema (objeto de estudio)

Organizacin del proyecto

Identificacin del sistema y suprasistema.

Definicin de los objetivos del suprasistema

FASE 2: Diagnstico de la situacin actual y sus posibles soluciones. El objetivo es obtener

un dictamen que, con base en l, permita disear formas potenciales de solucin del

problema; en este caso, conocer las alternativas de equipos e informacin para poder

realizar la investigacin, a saber:

Definicin de las medidas de desempeo del sistema

Recopilacin de datos e informacin

Definicin de alternativas de equipo y tcnicas experimentales.

FASE 3: Diseo de prototipos y sistemas. Con base en una evaluacin de las alternativas

generadas, se selecciona la que optimice la operacin del sistema, se modelan los

prototipos y subsistemas, considerando su costo en tiempo y dinero, a saber:

Modelacin del sistema

Optimizacin de la operacin del sistema

Diseo del control de la operacin del sistema

FASE 4: Construccin del sistema. Los resultados del diseo se presentan a los

investigadores responsables y se busca su aprobacin para la implantacin del diseo

propuesto. Enseguida, se construyen los equipos y subsistemas de informacin del sistema.

Despus de que el sistema se haya construido en detalle, tendr que probarse para

demostrar el buen desempeo de su operacin, confiabilidad, etc., a saber:

Documentacin y autorizacin del sistema

Construccin e instalacin del sistema, componentes fsicos y lgicos

FASE 5: Evaluacin de resultados y propuestas de mejora. Despus de la fase de

construccin, y una vez realizadas las pruebas, se mide la eficiencia de la operacin del

sistema. En caso de que la operacin del sistema no sea satisfactoria en cualquier momento

posterior a su puesta en marcha, tendr que iniciarse la fase 1 de la metodologa,

identificando los problemas que hicieron obsoleto el sistema diseado, a saber:


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ANLISIS de la problemtica a

resolver

DIAGNSTICO

de la situacin actual y posibles soluciones

DISEO de prototipos y sistemas

CONSTRUCCIN de prototipos y sistemas

EVALUACIN de resultados y propuestas de

mejora

Operacin inicial del sistema

Apreciacin retrospectiva de la operacin del sistema

Retroalimentacin (Ver Figura. 1). Por un lado, el sistema estar operando en un ambiente

dinmico y cambiante que probablemente tendr caractersticas diferentes a las que tena

cuando el sistema fue diseado. Por otro lado, se trata de un ambiente de investigacin, en

el que las tareas inherentes a los proyectos de investigacin, muchas veces requieren de

desarrollos a la medida o innovadores: el aprendizaje en la resolucin permitir obtener

mejores resultados en desarrollos posteriores de este tipo.

Figura. 1. Fases de la MITSE.

2.7. Etapas de la investigacin.

Esta investigacin 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 Tecnolgico (DDT), en cuanto a la pertinencia del uso de un

sistema como el desarrollado en esta tesis, as como el tipo de material con el que se va a

Aplicacin y evaluacin de Solucin (Mundo Real)

Retroalimentacin Definicin del

problema (Mundo Real)

Propuesta de Solucin (Mundo

Conceptual)


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trabajar. La Segunda Fase consiste en realizar un diagnstico de las caractersticas del tnel

de secado, de los instrumentos de medicin que se ocuparn y de su funcionamiento, as

como de las necesidades de informacin para el sistema.

En esta misma fase se evaluar la posibilidad de adaptar y modificar un sistema de captura

de imgenes de construccin propia del IPN. La Tercera Fase consiste en el diseo del

sistema, as como de cada subsistema que lo compone.

La Segunda Etapa de esta investigacin cubre las dos ltimas fases de la MITSE: la Cuarta

Fase, cuyo objetivo es materializar los subsistemas diseados en las etapas previas, Es aqu

donde se lleva a cabo la construccin/adecuacin del tnel, propiamente dicho, tambin el

desarrollo de las interfaces de comunicacin y la elaboracin del sistema informtico para la

captura de imgenes y datos.

Posteriormente se disean y ejecutan los experimentos para probar el funcionamiento del

sistema en su conjunto y por subsistema.

Finalmente se realiza la evaluacin de los resultados que arrojen los distintos experimentos

realizados, para pasar a la ltima fase del ciclo, de propuestas de mejora.


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CAPTULO 3. APLICACIN DEL MTODO

3.1. Fase 1: Anlisis

3.1.1. Requerimientos del rea.

El Departamento de Desarrollo Tecnolgico (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 operacin depende de muchas variables, las cuales es necesario validar

cuando se trata de caracterizar el secado y obtener un modelo emprico o experimental para

algn 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 conveccin

forzada con aire caliente, ya que es de los secadores ms baratos en su construccin,

mantenimiento y operacin, y verstiles en su uso, porque una gran variedad de alimentos

pueden deshidratarse con l; tal es el caso de frutas y hortalizas enteras o en rodajas,

hierbas aromticas, secado y ahumado de productos crnicos, algunos productos a granel

como semillas, entre otros. El aire se calienta con resistencias elctricas, con la combustin

de gas o petrleo (Directo o indirecto) o con energa solar (directa o indirecta).

El secador experimental de tnel desarrollado en esta tesis basa su funcionamiento en el

secado por conveccin forzada con aire caliente. Con l puede estudiarse el secado bajo las

condiciones mencionadas y, tanto reproducir, como escalar esas condiciones en secadores

de igual fundamento en su operacin, 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 C).

No obstante que la tendencia actual en los procesos industriales es la sustitucin de las

fuentes convencionales de energa (petrleo, gas, carbn), por energas verdes o ms

limpias (elica, solar, geotrmica, etc.), un secador experimental como el desarrollado aqu,

necesita un control de la temperatura preciso. Con energas como la solar, el control de la


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temperatura es difcil de lograr. Por lo anterior, se opt por usar resistencias elctricas como

fuente de energa para calentar el aire. Sin embargo, la informacin que se puede obtener

del secador experimental propuesto es til tanto en el diseo de secadores convencionales

que usan fuentes renovables como no renovables.

El secador experimental de tnel debe contar con la capacidad de controlar el proceso. Para

conseguirlo, se requiere un software que por un lado permita la adquisicin de datos y por

otro almacene y procese la informacin obtenida. Para ste sistema de informacin se

definieron las siguientes necesidades:

Captura en lnea de las variables temperatura y peso.

Clculo del rea del producto a secar

Seguimiento a la variacin del rea de secado.

Obtencin de las grficas de secado

Obtencin del tono/brillo de la muestra

Variacin en el tono/brillo de la muestra

Clculo 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 diseo del sistema, previo diagnstico de la

situacin en que se inicia este trabajo, siguiendo la metodologa propuesta.

3.1.2. Situacin Inicial.

Como resultado del anlisis, se encontraron algunos elementos fsicos aislados (sin

interconexin entre ellos); es decir, antecedentes del equipo que se iba a desarrollar, as

como esfuerzos aislados para la construccin de un sistema de caracterizacin del secado.

En vista de lo anterior, fue necesario revisar su funcionalidad y a partir de ello proponer

alternativas de trabajo.

Entre lo ms relevante con que se contaba, era un tnel de secado experimental, sin control

de temperatura, ni aparatos de medicin, slo se contaba con el cuerpo del tnel y la

estructura donde ste se montaba. Otro desarrollo con que se contaba, era el de un sistema

de adquisicin de imgenes, desarrollado en el laboratorio de microscopa del CEPROBI, del

cual se consider integrarlo al tnel de secado para que realizara la funcin de adquisicin


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de imgenes del material deshidratado. A continuacin se hace una descripcin y

diagnstico de estos elementos.

3.1.3. Tnel de secado.

Como se ha mencionado anteriormente, el cuerpo del tnel 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 variacin del peso de la muestra, suficientemente

confiables. El control de estas variables se realizaba manualmente y dependa de la

habilidad del operario.

La fabricacin se hizo con materiales reciclados, fciles de conseguir, con lo que se cumple

con uno de los objetivos de factibilidad del proyecto. Una propuesta original era obtener un

paquete tecnolgico de bajo costo, susceptible de ser reproducido y transferido a otras

personas y/o instituciones.

3.1.4. Sistema de captura de imgenes.

El sistema de captura de imgenes sisad_1 contryal_v, 1 fue diseado en el CEPROBI-

IPN, con la finalidad de obtener imgenes de manera automatizada en un biorreactor,

obteniendo en esa aplicacin buenos resultados. Para aplicarlo en el monitoreo de

materiales en un tnel de secado es necesario realizarle ajustes tanto en el hardware, como

en el software. As mismo, debe adaptarse el sistema de captura a la montura donde ser

colocado en el tnel de secado. Se deben encontrar las mejores condiciones de iluminacin,

la posicin ms adecuada y el nmero de cmaras a utilizar y su programacin. Esto

depende de la definicin y necesidades del proceso de secado.

3.2. Fase 2: Diagnstico

Respecto al tnel experimental, fue posible realizar las adaptaciones necesarias para

desarrollar el sistema. Fue necesario agregar un termostato digital, para mantener la

temperatura constante y un restato, para controlar la velocidad de giro del motor del

soplador, mismo que controla la velocidad de flujo del aire. Por otro lado, se acondicion un

dispositivo mecnico para monitorear y registrar la variacin del peso de la muestra,

consistente de un arns para sostener las charolas, mismo que cuelga del plato de una


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balanza. Finalmente, la temperatura del interior del tnel se registr con un termmetro

digital.

En cuanto al sistema de adquisicin de imgenes, se decidi usar otra opcin distinta al

sistema de captura de imgenes sisad_1 contryal_v,1. Este aparato realiza la funcin

deseada, pero requiere de tarjetas lectoras de video adicionales, con las que no se contaba.

El hecho de no contar con una descripcin escrita detallada del aparato, haca muy difcil su

adaptacin al secador.

Respecto a los dems equipos con que se cuenta, se eligieron los siguientes para el

desarrollo del sistema.

3.2.1. Equipos disponibles.

Los instrumentos de medicin a utilizar para el seguimiento de las variables a medir, son los

siguientes:

3.2.1.1. Termmetro digital

Se utiliz un termmetro digital marca Cole Parmer modelo DigiSense, (Singapur), (Figura.

2), con capacidad para realizar hasta 12 mediciones simultneamente, con las

caractersticas especificadas en el Cuadro 1. Los termocoples usados fueron de tipo T y J.

Cuadro 1.- Caractersticas del termmetro digital

CARACTERISTICA DESCRIPCIN

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. Botn STORE que permite almacenar manualmente los datos actuales Los datos se mantienen aun cuando se apaga o desconecta la unidad.

Display Despliega el nmero de terminal y temperatura conforme obtiene el dato.


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Intervalo de muestreo de 4 segundos a 1 hora. Las lecturas se pueden guardar y desplegar en C, F, K, o R. Resolucin de 0.1. Puede mostrar: Temperatura actual, mxima, mnima o el promedio. En el promedio tambin muestra el nmero de lecturas. La funcin HOLD congela los doce canales.

Salida de datos

Los 12 canales pueden enviarse a la impresora simultneamente.

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 impresin.

El registro de los datos o los actuales o almacenados se pueden enviar a una computadora personal (PC)(RS-232 serial).

Calibracin

Los canales se pueden calibrar manualmente cada uno.

La calibracin de fbrica 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 automticamente.

Una alarma hace que se despliegue un cono en el display.

La alarma emite un sonido, el cual puede ser desactivado.

Figura. 2.- Termmetro digital de 12 Canales.


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3.2.1.2. Balanza.

Uno de los parmetros ms importantes durante la operacin del secado, es el peso, ya que

la forma inicial de calcular la cantidad de masa de agua que pierde el producto, es la

variacin de peso en el tiempo. Para realizar esta medicin en las muestras a deshidratar, se

utiliz una balanza digital marca TorRey, modelo L-EQ-5, (Mxico), con divisin mnima de

0.1 g, (Figura. 3), con comunicacin va puerto serial RS-232 y con las caractersticas

mostradas en el Cuadro 2:

Cuadro 2 Caractersticas de la balanza digital.

CARACTERISTICA

VALOR

Capacidad 5Kg/10lb/160oz

Divisin mnima 1g / 0.002lb / 0.05oz

Display Cuarzo Lquido

Pantalla Iluminada

Energa 110V/60Hz

Conector serial RS-232

Tara mxima 5Kg

Plato 20 cm X 24 cm (7.8 x 9.4)

Temperatura de Operacin

-10 a 40 C

Temperatura de almacenaje

-20 a 50 C

Material de fabricacin Acero inoxidable grado alimenticio

Peso Neto 3.5Kg./10lb

Figura. 3.- Balanza digital con interface de comunicaciones.


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3.2.1.3. Cmaras de video

Se utilizaron 4 mini-cmaras almbricas cromticas de televisin (Ruiye, RY-208C,

Guangdong, China), integradas en el sistema de captura mediante conectividad RCA y

acopladas al tnel de secado como se ve en la Figura. 4. Las especificaciones de las

cmaras se muestran en el Cuadro 3. El costo de estas cmaras fue de aproximadamente

USD$ 20, cada una.

Cuadro 3.- Especificaciones de las cmaras de video

CARACTERSTICA

VALOR

Sistema NTSC

Tecnologa CMOS

Enfoque Manual

Resolucin Estandarizada para televisin: 320 x 240 lneas Salida de video RCA

Impedancia 75

Amplitud de la seal de video 1Vpp

Frecuencia de exploracin (Velocidad de la imagen)

25 f/sec

Tensiones de alimentacin 8, 9 y 12 Vdc

Consumo de corriente 100 y 150 mA

Figura. 4.-Cmara de video a color.

Como complemento al equipo principal, se cont con una PC armada, con procesador AMD

Atthlon II X4 645 Processor 3.11 GHz, con 4.0 GB, 100 Gb en disco duro, que controla la


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adquisicin y el registro de los datos de cada variable, almacena las imgenes adquiridas

por las cmaras acopladas a sta y analiza los datos matemticamente.

Tambin se us un anemmetro manual de propela marca Airflow, modelo LCA-6000,

(Estados Unidos), para medir la velocidad del aire a la salida del tnel.

La humedad relativa al interior y a la salida del tnel de secado se midi con un psicrmetro

de onda o matraca de mercurio marca Brannan, modelo BRANA135442 (Inglaterra), el cual

consta de un termmetro de bulbo seco y otro de bulbo hmedo. La temperatura y la

humedad relativa ambiental se midieron con un Termo-Higrmetro digital marca Extech

Instruments, Modelo445702 (China).

3.2.2. Definicin del modelo de secado.

La definicin del modelo de secado depende de las caractersticas intrnsecas 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 energa obedecen a mecanismos de capilaridad y tensin

superficial, principalmente (Foust, 2001).

1 Ley de Fick. La difusin es un fenmeno de transporte por movimiento atmico, es decir,

movimiento de tomos o molculas, que se puede dar en un material (slido, lquido o

gaseoso) o entre ms materiales. Es un proceso dependiente del tiempo y en un

determinado momento es importante conocer la rapidez con que ocurre la difusin; se llama

velocidad de flujo al nmero de tomos o molculas que atraviesan una determinada

superficie por unidad de tiempo; se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Y su forma diferencial:

Y si se considera que la velocidad es constante y el gradiente de concentracin es conocido

y tambin constante (estado estacionario), la velocidad de flujo se expresa con la ecuacin:


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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 concentracin = g/cm3

dx: diferencial de la distancia entre la zona menos y ms concentrada = cm

2 Ley de Fick. En muchos fenmenos estudiados, la difusin ocurre en rgimen transitorio.

En este caso, tanto el flujo como la concentracin varan con el tiempo. Esta ley establece

que la velocidad de cambio de la composicin de la muestra es igual al coeficiente de

difusin por la velocidad de cambio del gradiente de concentracin. La solucin de la

segunda ley de Fick es:

Donde

C: Concentracin = g/cm3

D: Difusividad = cm2/s

Se espera que el anlisis de imgenes complemente la informacin generada a partir de las

otras variables, como rea, temperatura y prdida de humedad en la integracin del modelo.

3.2.3. Variables de estudio.

Las variables a estudiar permiten caracterizar el proceso de secado para cada producto y

determinar bajo qu condiciones se obtienen mejores resultados en dicho proceso;

asimismo, uno de los objetivos particulares del presente trabajo es explorar la posibilidad de

obtener resultados inmediatos al contar con el monitoreo automatizado y en lnea con la PC,


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la cual podr realizar los clculos necesarios en cada muestreo. Las variables a estudiar en

la muestra son las siguientes:

Peso.

Temperatura.

Superficie de transferencia de masa y calor.

Propiedades pticas: (color)

Respuesta: tiempo de secado

3.3. Fase 3: Diseo.

Al disear el sistema, se consideraron los elementos tanto fsicos como de informacin con

los que se contaba. A partir de ah, se dise la integracin del tnel de secado ya existente

con los equipos de medicin y los subsistemas de comunicaciones y de informacin. Por lo

tanto es conveniente hablar de tres subsistemas integrados: El tnel de secado, el

subsistema de comunicaciones y el desarrollo informtico, que aunque cada uno tienen sus

propios objetivos -incluso se puede aplicar la MITSE para cada subsistema -, en conjunto

tienen como objetivo especfico, mostrar las ventajas de su integracin en un solo sistema,

mediante la aplicacin del enfoque sistmico. En Figura. 5, se pueden observar los

subsistemas que componen el prototipo.

Figura. 5 Diseo de la integracin


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3.3.1. Seleccin de muestras.

El material a secar se escogi como objeto de estudio de acuerdo con los siguientes criterios:

Se esperaban cambios evidentes por efecto de la deshidratacin, mismos que pueden ser fcilmente detectados por el sistema (MASA, FORMA, COLOR)

El material ha sido estudiado antes, por lo que hay informacin con la cual comparar los resultados obtenidos.

El material es de inters agronmico e industrial en la zona de influencia del CEPROBI.

Tomando en cuenta estas premisas, se decidi utilizar muestras representativas de varios

grupos de alimentos, as se eligi jitomate (Lycopersicum esculentum), que es de gran

importancia por su produccin en el estado de Morelos, el nopal (Opuntia ficus-indica), de

igual manera, ya que Morelos es actualmente el segundo productor en Mxico y existe un

gran inters por sus distintas propiedades. En Cuadro 4, se muestra la informacin sobre

produccin de estos dos alimentos en el estado de Morelos [11].

Tambin 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 consider la carne de res en filete,

que es el principio de la materia prima utilizada para la elaboracin de la cecina, platillo tpico

y referente de la gastronoma Morelense.

Cuadro 4,. Produccin de Nopal y Jitomate en Morelos

Tipo/modalidad Estacionalidad Superficie en

hectreas Produccin anual

por hectrea

Nopal Todo el Ao 500 ha 80 ton

Jitomate Saladette Hidropnico

Todo el ao 60 hectreas 220 ton

Jitomate Saladette cielo abierto

Marzo Diciembre 2,250 hectreas 23 ton

Jitomate Bola Hidropnico

Todo el ao 10 hectreas 220 ton


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3.3.2. Diseo del tnel de secado

El tnel de secado experimental, se dise y construy en el departamento de Desarrollo

Tecnolgico del Centro de Desarrollo de Productos Biticos del IPN, basados en las

premisas de que se trata de un secador de bajo volumen por ser experimental, de bajo

costo, fcil mantenimiento y reproducible, se defini un diseo es modular, aprovechando los

recursos con que se contaba en ese momento, sin perder funcionalidad y con posibilidad de

integrar ms componentes en caso necesario.

El tnel consta de las siguientes partes:

Cuerpo del tnel.- 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. Est compuesto a

su vez por 3 secciones acopladas. El material del que est hecho es lmina galvanizada de

1mm de espesor, donde se albergan los dems componentes (Figura. 6).

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

Figura. 6 Vista exterior del secador de tnel.


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por un motor monofsico (115V C.A.) de 1/8 HP. El rotor del motor gira, en su velocidad

mxima a 1750 rpm. Este soplador entrega una corriente de aire con velocidad de hasta 2

m/s, para el plano de la luz del tnel de secado. El flujo msico mximo de aire es de 8.8

m3/min, a la velocidad mencionada.

Zona de calentamiento del aire: es la zona donde se eleva la temperatura del aire que emite

el soplador, a travs del cuerpo de calentamiento compuesto por tres resistencias elctricas

de acero negro, en forma de espiral, con una potencia de 900 watts, de fabricacin

mexicana; las tres resistencias conectadas en configuracin 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 cmaras digitales para toma de muestras.

Figura. 7. Vista interior, soplador y cuerpo de calentamiento.


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Aislantes trmicos: Dos paneles tipo radiador que evitan la prdida de calor y que optimizan

el funcionamiento del tnel, una colocada entre el soplador y el cuerpo de calentamiento y

otra colocada a la salida del tnel. La zona de calefaccin y la zona de secado se

encuentran aisladas mediante una cubierta de lana de fibra de vidrio de 1 pulgada de

espesor, para disminuir prdida de calor por disipacin del tnel (Figura 8).

Tablero de control: Es donde se encuentran los dispositivos que permiten controlar el

funcionamiento del tnel en cuanto a temperatura, velocidad de rotacin del soplador, e

intensidad de iluminacin de la zona de secado, consta de un gabinete de 20 x 20 x 15 cm, y

contiene al pirmetro digital marca XMT-808, de fabricacin china y un relevador

electromecnico que suministra corriente a las resistencias de calentamiento Para el control

de la velocidad del motor se cuenta con un potencimetro y para el control de la intensidad

de luz en la zona de muestreo un dimmer.

Figura. 8.Zona de charolas, control y equipos de medicin.


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3.3.3. Diseo del sistema de comunicaciones.

Una vez terminado de construir el tnel de secado, se procedi a la instalacin de los

instrumentos de medicin y su sistema para la obtencin de datos (Figura. 9), es decir, las

interfaces de la balanza y termmetro digitales, para su comunicacin con la computadora,

as como del dispositivo de captura de video. Finalmente se desarroll el software que

permite la captura de los datos en tiempo real y que almacena los datos de manera

organizada y de fcil recuperacin para su anlisis posterior.

Figura. 9 Subsistema de Comunicaciones.

3.3.4. Diseo del sistema de procesamiento de imgenes.

Para el diseo del sistema fue necesario determinar los parmetros de inters para medir y

controlar. Interesaba seguir en tiempo real el cambio de aspecto (forma y color) de los

materiales a deshidratar. En cuanto al anlisis de la forma se estudi la posibilidad de

emplear los siguientes ndices: dimetro de Feret, circularidad, longitud y/o dimensin fractal

de contornos, etc., optando inicialmente por medir el encogimiento de la muestra durante el

Secador de

Tunel

B

al

Balanza

Termmetro

Mdulo de Videocmaras

Equipo de

Cmputo

Termo Par J X 4

RS-232

RS-232

RCA X 4

RS-232/ USB

USB

USB


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secado (cambio de rea), parmetro que permite obtener las cinticas del secado y dejar la

posibilidad abierta para utilizar alguno de los ndices mencionados anteriormente.

Una vez contando con los requerimientos y con los datos a obtener, fue posible iniciar el

diseo y desarrollo del sistema, el cual a su vez, consta de las fases de elaboracin de un

sistema de software, las cuales son: anlisis, diseo, desarrollo, pruebas, retroalimentacin,

afinacin 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 informacin

son las siguientes:

Fase 1.- Anlisis

Fase 2.- Diseo

Fase 3.- Desarrollo

Fase 4.- Pruebas

Fase 5.- Retroalimentacin-Ajustes

Fase 6.- Liberacin- Propuestas de mejora.

A continuacin se detallan las etapas descritas anteriormente.

3.3.5. Anlisis del subsistema de informacin

Esta etapa consiste en definir alcances, necesidades y funcionalidades de la informacin

requerida para el sistema, considerando el sistema fsico con el cual se interactuar.

La metodologa para determinar los atributos del sistema, consisti en validar el

funcionamiento del tnel, mediante la realizacin de varios experimentos de secado, a

distintas temperaturas y velocidades del aire de secado. Se comprob 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 tnel se corrobor que es posible automatizar la

adquisicin de datos de entrada para el sistema, con las variables peso de la muestra,

temperatura del aire de secado, as como de las imgenes digitales en distintos intervalos.

Con esto, se mantiene otro de los objetivos del sistema, el cual es permitir la caracterizacin

del secado de diferentes materiales, mediante el anlisis de imgenes obtenidas durante el

secado.


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El anlisis de dichas imgenes consiste en comparar tamao (rea) del producto as como

sus variaciones en tonos y/o brillos, graficar los resultados y relacionarlos con los

parmetros de secado que se usan comnmente para la evaluacin experimental del mismo,

de tal manera que al concluir el secado, se obtengan de manera inmediata los siguientes

datos:

Prdida de humedad

Variacin de tamao

Variacin de coloracin.

Flux de masa en el secado (primera y segunda leyes de Fick)

Tambin es necesario que se almacenen los resultados obtenidos en cada corrida,

identificando cada experimento con una clave y descripcin, y cada lectura tambin con una

clave y los datos obtenidos, con la intencin de tenerlos clasificados y disponibles para

futuras referencias y poder utilizarlos para clculos posteriores que no estn integrados en el

sistema.

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,

Vaire, Intervalo

2.-Adquiere y almacena datos: T, W, e imagen

3.-Grafica y calcula

variaciones en tamao y

tono

4.-Obtiene resultados y

almacena corrida


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Inicio del Sistema

Abre comunicacin con instrumentos: - Termmetro (hasta 4 lecturas) - Bscula - Cmaras de vdeo (hasta 4 cmaras)

Solicita datos de Inicio: -Nombre y descripcin de la corrida. -Velocidad del Aire, Humedad relativa, Intervalo entre lecturas.

En el bloque 1 se indica el inicio del proceso. Aqu se prepara el experimento, colocando la

muestra en las charolas del equipo, y estas a su vez, colocndolas dentro de la cmara de

secado y fijando el peso inicial de la muestra. Despus 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 alimentacin al sistema con los siguientes

datos de entrada:

Nombre de la corrida

Descripcin de la corrida

Velocidad del Aire

Humedad relativa inicial

Duracin de la corrida

Intervalo para tomar datos

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

Figura. 11.-Bloque 1. Inicio del Sistema.


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imagen de ese momento. A continuacin se realiza el anlisis de la imagen obtenida,

convirtindola a escala de grises y posteriormente en binaria, de acuerdo al umbral de

binarizacin especificado al iniciar la corrida. Tambin se tabulan estos datos junto con el

tiempo transcurrido, el cambio de peso, de temperatura y tamao, realizando las grficas

correspondientes.

Se determin utilizar los algoritmos integrados en el software libre ImageJ (versin 1.45s,

2011, National Institute of Health, USA) (Anexo 3), el cual cuenta con rutinas de anlisis de

imgenes para determinar el tamao de la muestra, anlisis de tono; adems de que es

posible su integracin al sistema, al tratarse de un software de dominio pblico.

Figura. 12.- Bloques 2 y 3, Procesamiento de informacin.

Para esta etapa se utilizan procesamientos paralelos. Significa que, sin interrumpir el

monitoreo, se realizan los clculos y operaciones de transformacin, registro y grabacin de

datos; por lo anterior, el intervalo mnimo aceptado entre cada lectura es de un minuto.

Toma de imgenes (4 imgenes)

Lectura de temperaturas (4 lecturas)

Lectura de Peso

Adquisicin de datos

Registro en Base de datos

Generacin de imgenes en tonos de grises

Clculo del rea

Generacin de grficas

Procesamiento de datos


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El bloque 4 representa la conclusin del experimento, realizando las grficas 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 propsito.

En resumen, para el desarrollo del prototipo se cuenta con elementos de desarrollo propio y

elementos que solamente se integran:

Desarrollados en el CEPROBI:

Diseo del tnel

Cuerpo del tnel o Elaborado con lmina galvanizada de 0.5mm de grosor, reciclada. o Base de tubular cuadrada de calibre 1/16 de acero negro reciclada. o Aislante trmico a base de fibra de vidrio densidad media de 1 de grosor. o Sistema para acoplar Balanza. o Mdulo para las videocmaras con iluminacin

Interfaces de comunicacin.

Software o Anlisis y diseo o Interface de usuario o Rutinas de comunicacin entre el Tnel y el equipo de cmputo(PC) o Rutinas de adquisicin de datos o Rutinas de adquisicin de imgenes o Base de datos o Rutinas de procesamiento de datos

Integrados:

Equipos de medicin: Balanza digital, termmetro digital, psicrmetro de mercurio, termohigrmetro digital, anemmetro manual.

Resistencias elctricas de calentamiento.

Soplador axial.

Pirmetro-termmetro digital.

Control de iluminacin de cmara de secado

Control de variacin de rpm del soplador

Relevador electromecnico ON/OFF de 20 amperes

Cuatro lneas de focos LED de 6 unidades cada uno (12 V, cd)

4 Cmaras de video.

Tarjeta capturadora de video de 4 canales.

Drivers del EasyCap (multiple control de cmaras).

Rutinas de despliegue de grficas.

3.4. Fase 4 : Desarrollo.

3.4.1. Desarrollo del Software. Diagrama de flujo

Con base en los resultados del anlisis de requerimientos del sistema, se desarroll el

diagrama de flujo principal del sistema, el cual puede observarse en la Figura. 13:


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Figura. 13.- Diagrama de flujo.

Inici

Solicita datos iniciales:

-Nombre -Descripcin -Duracin, etc.

Prepara Corrida -Inicializa Cmaras -Abre Puertos de

Comunicacin para Termmetro y Balanza

Para cada Intervalo:

Binariza imagenes Calcula rea Actualiza Grfica Almacena en B.D.

Fin


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3.4.2. Base de datos.

Se dise 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. Descripcin de las tablas de base de datos

La tabla de base de datos llamada corridas, contiene los datos generales del experimento,

un identificador o clave, una descripcin, fecha y hora de inicio, el intervalo para tomar las

muestras y las condiciones iniciales con que se realizar el experimento, como es la

velocidad del aire, humedad relativa y % de humedad en base seca (Cuadro 5).

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