Trabajo realizado sobre prototipo de un sistema detección y control

RAE
1. TIPO DOCUMENTO: Trabajo realizado sobre prototipo de un sistema detección y control de
la evacuación de gases de la combustión en recintos cerrados.
2. TITULO: INGENIEROS ELECTRONICOS
3. AUTOR: Alexander Huertas Guaqueta, Emersson Agudelo, Jaime Andrés Ordoñez Sereno.
4. LUGAR: Bogotá D.C
5. FECHA: Enero 2011
6. PALABRAS CLAVES: Gases de la Combustión, Microcontrolador, sensores de gas.
7. DESCRIPCION DEL TRABAJO: El presente trabajo es un prototipo para la detección,
control y evacuación de los gases de la combustión en recintos cerrados donde este
instalados artefactos a gas que carecen de un sistema de ventilación para minimizar los
riesgos de accidentes por inhalación de estos gases.
8. LINEA DE INVESTIGACION: Este trabajo se desarrolla en el marco de la línea institucional
de La Facultad de ingenierías, Tecnologías Actuales y sociedad, Instrumentación y control.
9. FUENTES CONSULTADAS: Warner, Peter O. “Análisis de los Contaminantes del Aire” ,
Editora Paraninfo, 1985, Kenneth Wark; Cecil F. Warner “Contaminación del Aire: Origen y
Control” Editora Limusa, Dr. Mariano Seoanez Calvo y Equipo de Colaboradores,
“Ingeniería del Medio Ambiente” Ediciones Mundi-Prensa, Catelló 37-28001 Madrid, Chou
Jack. Hazardous Gas Monitor.
10. CONTENIDOS: En este trabajo se encuentra planteado el planteamiento de un problema a
la inadecuada ventilación en un recinto cerrado cuyo objetivo principal es diseñar e
implementar un prototipo de detección, control y evacuación de los gases combustibles en
recintos cerrados.
11. METODOLOGIA: l enfoque a emplear en la investigación, es: empírico-analítico: cuyo
interés es el técnico, orientado a la interpretación y transformación de ideas, las cuales
serán plasmadas en el papel, de allí partir a una solución, la cual será soportada con todos
los conocimientos adquirido a través de los años de estudio y el tiempo que dure al
investigación
12. CONCLUSIONES: Se logro desarrollar un sistema totalmente autónomo para la
Seguridad de un recinto cerrado..El prototipo es ideal para la verificación continua de la
operación de los gasodomésticos, la acumulación de gases peligrosos en recintos cerrados.
El sensor de gas seleccionado proporciono una gran confiabilidad en la medición de
niveles de gas, además su costo y su fácil configuración lo hace un sensor adecuado para
uso residencial y comercial.
PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE DETECCION Y CONTROL DE LA
EVACUACION DE GASES DE LA COMBUSTION EN RECINTOS CERRADOS
AUTORES.
ALEXANDER HUERTAS GUAQUETA
EMERSSON AGUDELO PRIETO
JAIME ANDRES ORDOÑEZ SERENO
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
PROYECTO DE GRADO
BOGOTA D.C.
2011
2
PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE DETECCION Y CONTROL DE LA
EVACUACION DE GASES DE LA COMBUSTION EN RECINTOS CERRADOS
AUTORES.
ALEXANDER HUERTAS GUAQUETA
EMERSSON AGUDELO PRIETO
JAIME ANDRES ORDOÑEZ SERENO
Proyecto de Grado para optar el titulo de
Ingenieros electrónicos.
Asesor.
Ing. ANTONIO JOSE ALBARRACIN RAMIREZ
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
PROYECTO DE GRADO
BOGOTA D.C.
2011
3
Nota de aceptación:
____________________________________
____________________________________
____________________________________
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____________________________________
Firma del Presidente del Jurado
____________________________________
Firma del Jurado
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Firma del Jurado
____________________________________
Firma del asesor metodológico
Bogotá D.C, 21 Enero 2011
4
AGRADECIMIENTOS
A Dios, a nuestras familias, a todas las personas que de una u otra manera
colaboraron en la realización del presente trabajo y especialmente a nuestro
Asesor de Tesis el Ing. Antonio Albarracín y por su invaluable colaboración.
De igual manera a ustedes maestros que día a día nos transmitieron sus
conocimientos.
Ahora somos profesionales.
Gracias
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
5
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION
10
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
13
1.1 ANTECEDENTES
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.3 JUSTIFICACIÓN
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo General
1.4.2 Objetivo Específicos
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
13
21
22
23
24
25
26
2. MARCO DE REFERENCIA
25
2.1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL
2.1.1 Sistemas de control
2.1.1.1 Sistema de Control lazo cerrado .
2.1.1.2 Sistema de Control en lazo abierto.
2.1.1.3 Generalidades de los sistemas de Control.
2.2 PARÁMETROS CLAVES EN EL CONTROL DE LA COMBUSTIÓN.
2.2.1 Mediciones caudal de combustión
2.2.2 Medición de la temperatura
2.2.3 Medición de la composición de los productos de la combustión
2.3 MARCO LEGAL O NORMATIVO
2.4 MARCO TEORICO
2.4.1Sistemas básicos de control de combustión
2.4.2 Microcontroladores
25
25
26
29
27
27
27
28
31
31
35
35
41
3. METODOLOGIA
49
3.1ENFOQUE DE LA INVESTIGACION
3.2 LINEAS DE INVESTIGACION USB
49
49
4. DESARROLLO INGENIERIL
51
4.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA
4.3 COMPARACION DIFERENTES MICROCONTROLADORES
4.3.1 Tablas Comparativas
4.3.2 Microcontrolador Motorola MC68HC908GP32
4.4 TIPO DE SENSORES DE GAS
6
51
54
57
61
63
4.4.1 Sensores Electroquímicos
4.4.2 Sensores Catalíticos de gases combustibles
4.5 SENSOR GAS IMPLEMENTADO EN EL PROYECTO
4.5.1 Características sensitivas
4.5.2 Características de temperatura
4.5.3 Lectura TGS 813
4.6 PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR
4.7 CONFIGURACIÓN MICRO MOTOROLA MC68HC908GP32
4.8 RECURSOS DE TIEMPO
4.9 ESTADOS DE PROCESO
4.9.1 Configuración salidas digitales
4.9.2 Configuración entradas análogo
4.9.3 Configuración del Display
4.10 VARIABLES DEL PROGRAMA
4.10.1 Boléanos
4.10.2 Formatos visualización
4.11 APLICACIÓN
4.12 PROCOLOS DE PRUEBA
4.13 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
63
65
68
70
71
71
76
74
75
76
76
77
77
78
79
80
85
86
91
5. CONCLUSIONES
92
6. RECOMENDACIONES
93
7. BIBLIOGRAFIA
94
GLOSARIO
96
ANEXOS
98
7
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.SISTEMA DE CONTROL LAZO CERRADO
26
Figura 2.SISTEMA DE CONTROL LAZO ABIERTO
26
Figura 3.SISTEMAS BÁSICOS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN
38
Figura 4. SISTEMA DE CONTROL SERIE-PARALELO CON CORRECTOR
38
Figura 5.SISTEMA DE CONTROL SERIE-PARALELO
39
Figura 6.PROGRAMADOR MICROGRADES
47
Figura 7. DISPLAY LCD DE 2X16
47
Figura 8.MICROCONTROLADOR MOTOROLA REF. MC68HC908GP32
61
Figura 9.SENSOR ELECTROQUIMICO
64
Figura 10. SENSOR CATALITICO
66
Figura 11.SELECCION DE SENSORES
67
Figura 12. CARACTERÍSTICAS TÍPICO DE LA SENSIBILIDAD TGS 813
70
Figura 13. CARACTERÍSTICAS DE TEMPERATURA Y HUMEDAD TGS 813 71
Figura 14.CONFIGURACION SENSOR TGS 813
72
Figura 15 .DIAGRAMA DE FLUJO
73
8
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla No 1 FAMILIA MOTOROLA
Tabla No 2 FAMILIA ATMEL
Tabla No 3 FAMILIA MICROCHIP PIC 16
Tabla No 4 COMPARACION DE LOS MICROCONTROLADORES
Tabla No 5 SENSORES DE GAS
Tabla No 6 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO 1
Tabla No 7 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO 2
Tabla No 8 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO 3
Tabla No 9 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO 4
Tabla No 10 EFECTIVIDAD DEL PROTOTIPO
9
58
58
59
60
68
86
87
88
90
90
INTRODUCCION
Cimsa Ltda. es una empresa dedicada a la fabricación de gasodomésticos
(estufas, hornos, calentadores de acumulación) y a la importación de calentadores
de paso para uso domestico y/o industrial certificada en el año 2007 bajo la norma
ISO 9001 donde asegura sus procesos es por eso que esta compañía Colombiana
implementa así su laboratorio para seguir dándole cumplimiento a la norma y así
garantizar el buen funcionamiento de sus productos.
En todas las combustiones gran parte de los elementos que constituyen el
combustible forman compuestos gaseosos al arder. La gama y cantidad de gases
que se producen en los incendios depende de los materiales presentes en la
combustión. Suele ser el problema principal, el total desconocimiento de las
constantes y reacciones que se están produciendo en el siniestro. Estos gases
pueden ser, en parte, tóxicos y producir en las personas que lo respiran
Incapacidades
físicas,
pérdida
de
coordinación,
los
desorientación,
envenenamientos e incluso la muerte; más del 80 % de las víctimas de incendios
mueren por efecto de los gases.
Los niveles de tolerancia para el organismo humano, de los distintos
contaminantes, se hallan recogidos en la normativa vigente sobre Seguridad y
Salud. Los gases tóxicos se suelen dividir en 3 tipos: asfixiantes, irritantes y
venenosos (tóxicos). La gravedad de los efectos depende de la dosis absorbida,
de las condiciones fisiológicas de la persona afectada, etc. La expresión, gases de
la combustión, engloba el conjunto de gases que se hallan en un recinto cuando
éstos se enfrían. La mayor o menor concentración de un determinado tipo de gas
depende del tipo de combustible y de la cantidad de oxigeno disponible para la
combustión y la temperatura.
10
En todos los casos deberemos tener en cuenta que puede existir una insuficiencia
de oxigeno; la insuficiencia de oxigeno en el aire nos puede llevar a la asfixia
dependiendo de la proporción de oxigeno presente en la atmósfera; los síntomas o
efectos sobre el organismo varían:
•
20%(Nivel de oxigeno en la atmósfera normal). Ausencia de síntomas.
•
17% Disminuye el volumen respiratorio, disminución de la coordinación
Muscular, aumento el esfuerzo para pensar.
•
12% Se corta la respiración, desvanecimiento y mareo. Aumenta la
Frecuencia Cardiaca, pérdida de coordinación muscular.
•
10-12% Nauseas y vómitos, parálisis.
•
6- 8 %...Colapso.
•
< 6%.... Muerte en 6-8 minutos.
En los incendios existe una gran disminución de la proporción de oxigeno debido a
los gases que se desprenden de la combustión. Este motivo puede obligar a
plantear en la mayoría de los casos la rápida evacuación del personal, que se
pueda ver afectado en un local cerrado.
a) Monóxido de carbono CO.
La mayoría de las muertes en los incendios se producen por envenenamiento con
CO, más que por cualquier otro producto tóxico de la combustión. Al menos en lo
que a datos aportados y estudiados en las autopsias, es un gas incoloro, inodoro e
insípido. Presente en prácticamente todos los fuegos. Una baja concentración de
oxígeno en el ambiente de la combustión, una mala ventilación favorece la
aparición de mayores concentraciones de CO; son las combustiones incompletas
del carbono las causantes del desprendimiento de CO.
El CO se combina con la hemoglobina de la sangre. Con una mayor avidez que el
oxigeno. Por lo tanto desplaza a éste y lo suplanta, haciendo llegar a las células
11
en vez de O2 el monóxido de carbono, provocando una rápida hipoxia del cerebro
y de los tejidos que desencadenan en la muerte si no se suministra rápidamente
oxigeno al afectado.
La exposición al monóxido de carbono no es acumulativa, sin embargo, el cuerpo
necesita de algún tiempo para ir liberándolo. Así, la exposición a 2 o 3 fuegos
diferentes a lo largo de una jornada de trabajo equivaldrá a la de uno de mayores
proporciones ¡su densidad relativa respecto del aire es 0.97!.
b) Dióxido de carbono C02.
Es un gas asfixiante. Resulta de la combustión incompleta, ignífuga, inodora e
incolora. Los fuegos que se generan al aire libre, en general, presentan mayores
concentraciones de C02 que de CO al aumentar la concentración de anhídrido
carbónico, aumenta el ritmo respiratorio, y con ello la inhalación de otros gases
tóxicos.
Ya conociendo los diferentes tipos de gases de la combustión y su peligrosidad es
de vital importancia hacer un sistema de evacuación de estos gases, ya que el
laboratorio de Industrias Cimsa Ltda. aun no se ha implementado queremos darle
al encargo del laboratorio tranquilidad y bienestar en el momentos que realice sus
pruebas de laboratorio.
En la investigación sobre las posibles soluciones del prototipo; tuvimos en cuenta
muchos circuitos que podrían llegar a tener lo necesario para poder ser parte del
él, pero por diferentes razones (resultados en las pruebas, costos, facilidad de
adquisiciones) se decidió hacerlo de la forma; en el cual se desarrollo por medio
de un micro controlador donde se analiza sus características de manejo lógico
digital y sus evidentes ventajas de configuración que se moldea de manera
práctica para cada aplicación o necesidad de diseño, para la supervisión, control y
evacuación de gases de combustión en recintos cerrados .
12
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Antecedentes
Existen métodos como la utilización de campanas extractoras, con salidas de
humos al exterior en los locales destinados a cocinas, donde existan calderas y
calentadores de circuito abierto con evacuación conducida; esto provoca un fuerte
movimiento de aire de dicho local, que unido a una insuficiente entrada de aire del
exterior, puede provocar un funcionamiento incorrecto de los aparatos a gas y el
retorno de humos a través del corta tiros, pudiendo producir intoxicaciones a las
personas que se encuentran en dicho local, o incomodidades a los usuarios que
disponen de aparatos que cumplan, al activarse el sistema de seguridad de
evacuaciones que incorporan.
Otro problema que suele presentarse en cuanto a las evacuaciones de gases en
aparatos de circuito abierto y de tiro natural con salida a fachada, es la falta de tiro
que puede producirse en determinadas circunstancias y que puede provocar
intoxicaciones a las personas.
Todo esto ha sido puesto de manifiesto por las propias empresas distribuidoras de
gas y debe ser objeto de inmediata regulación estableciéndose los requisitos y
condiciones que se deberán tener en cuenta a la hora de realizar este tipo de
instalaciones al efecto de evitar los diferentes riesgos.
Por otra parte, se debe tener en cuenta que ya existen en el mercado aparatos
(detectores de gas, alarmas) que eliminan los riesgos citados; algunos productos
de control y evacuación que existen en el mercado, que por su alto costo no son
viables para el laboratorio de Cimsa Ltda.
13
La empresa
AMETEK PROCESS INSTRUMENTS fabrica analizadores de
proceso en línea para el análisis de composición de los flujos de gas y de la
muestra líquida. Las aplicaciones más comunes incluyen: análisis de pureza,
mezcla de control, la calidad, concentración, color, el control de velocidad de
reacción, análisis de residuos de efluentes, feedgas vigilancia, la detección de
color de los precursores, el análisis de baño de galvanoplastia, y muchos otros1
1
AMETEK PROCESS INTRUMENTES [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009].
Disponible en http:// www.ametekpi.com
14
Unidad de control para sensor de gas Crowcon Detection Instruments
La empresa Crowcon se ha dedicado a desarrollar una gama de paneles de
control para adaptarse a todos los usos. Todos los sistemas de vigilancia fijos del
gas se pueden interconectar con cualquier detector del fuego y de gas; el sistema
de control distribuido (DCS). Además cada sistema se puede dirigir para conducir
los anunciadores alejados y los paneles mímicos.
La gama fija de la supervisión del gas consiste en:
Sistema de control del canal del vórtice 1 a 12, sistema de control del canal de
Gasmaster 1 a 4, Sistema de control del solo canal de Gasflag, gas monitor más
sistema de control de 1 a 16 canales, Sistema de vigilancia del CO2 de llarSafe2
2
Crowcon Detection Instruments [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009].
Disponible en http:// www.crowcon.com
15
Unidad de control para sensor de gas Dräger Safety
Para todas las aplicaciones el departamento de Ingeniería de Drager ha diseñado
un sistema de alarma de gases que cumple con todas las exigencias, Se trata de
un solo armario de pared para uno o pocos puntos de detección, es un sistema de
racks modular de 19 o un sistema SCADA completo compuesto por sub-armarios
de conexión conectados con una consola de vigilancia controlada por PC para
representación y documentación de todos los avisos de estado con imágenes
aumentadas de instalación. 3
3
Dräger Safety [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.draeger.com
16
Detector multigases Dräger Safety
Para la medición paralela de varios gases Dräger ofrece un producto Con una
selección de más de 25 sensores electroquímicos distintos, dos sensores
catalíticos para gases combustibles y dos sensores infrarrojos el Multiwarn II es
muy adecuado para el control de gases tóxicos y combustibles así como para el
control de la falta o exceso de oxígeno en el ambiente. 4
4
Dräger Safety [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en http://
www.draeger.com
17
HazardWatch sistema de detección de gases
Construido usando el estado de los equipos de automatización de arte industrial y
de control para realizar las exigencias de un tiro y sistema de detección de gas
certificado por mutuo de fábrica para ser compatible con la norma NFPA 72
(2002).5
5
GENERAL MONITORS [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.generalmonitors.com
18
La Becker Serie PIC
Presión Instrumentación columna proporciona regulado y condicionado las
presiones de suministro de válvulas de control y la instrumentación utilizada en
aplicaciones de tuberías de gas natural. El PIC regula la presión completa de la
transmisión de gas natural / tuberías de distribución y regula a niveles diferentes
de presión necesaria para operar las válvulas de control y la instrumentación
relacionada. El PIC cuenta con un montaje completamente soldada que es la
presión nominal de 600 ANSI (estándar) y 900 ANSI (opcional) de presión. Cada
PIC es prueba hidrostática a 1.5 veces el número de ANSI plena presión. PIC's
están
disponibles
con
una
variedad
de
opciones
y
configuraciones.
Instrumentación de presión columnas pueden estar equipados con catalizador (sin
llama), calentadores, secadores de filtro, la instrumentación soportes de montaje, y
una variedad de otros componentes opcionales. El PIC Becker es el original
"Columna", diseñado para su uso en la distribución de gas natural / líneas de
transmisión. 6
6
BECKER [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.becker-international.com
19
Fire & Gas solución de sistema
Desde 1948, SIMTRONICS se ha especializado en productos de alta tecnología
para el análisis y detección de gas. Este sistema con una línea de sensores
remotos viene a la vanguardia de la innovación tecnológica (30 patentes
registradas) garantizan un sistema seguro y eficiente:
• Muy alto nivel de seguridad, SIL 2
• Protocolo de la inteligencia distribuida donde cada sensor interactúa con los
módulos de salida,
• topología de anillo de seguridad con un solo cable trae reducción de costos,
• Integración y control de señales digitales y analógicas,
• MODBUS / de LonWorks permitiendo la conexión de puerta de enlace con los
sistemas de supervisión, SCADA, PLC
• Configuración flexible usando su propia herramienta de configuración dedicada,
fácil de usar sistema de explotación.7
7
SIMTRONICS [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.simtronics.eu
20
Actualmente existe muchas empresas dedicadas al manejo y control de gases de
la combustión como URIGO LTDA, , DINIGAS. DETCON INC, EMSICA S.R.L, RKI
INSTRUMENTS entre otras; el común denominador para estas empresas es que
todas ellas dirigen sus productos hacia el sector Industrial
El sector residencial, es un sector en el cual empresas como las anteriormente
mencionadas no lo tienen muy abarcado ya que afirman que debido a que estos
equipos al ser muy “completos”
requieren de una inversión para la cual una
familia no va a hacer de fácil acceso.
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La calidad del aire en recintos cerrados afecta la salud y bienestar tanto de los
residentes como del personal de un edificio. Dentro de las diferentes fuentes de
contaminación, la emanación de monóxido de carbono (CO) a partir de la
combustión incompleta de gas, principalmente derivado de artefactos a gas en
malas condiciones e insuficiente ventilación, es el factor más importante y letal de
todos. La intoxicación involuntaria por este gas es una de las situaciones más
frecuentes en el ámbito doméstico al no tener olor, color, ni sabor, lo que dificulta
enormemente su detección. Los efectos causados por la exposición al monóxido
de carbono están relacionados con la capacidad de la sangre para transportar el
oxigeno. El problema es provocado por la capacidad del CO para unirse a la
hemoglobina, entre 210 - 270 veces superior a la del oxígeno, formando car
oxihemoglobina lo que impide el transporte de oxígeno a las células por tal razón,
en caso de inhalación de CO, se produce una intoxicación progresiva hasta
generar una condición prácticamente nula de intercambio de oxígeno a nivel
pulmonar, provocando hipoxia generalizada, luego anoxia y finalmente el deceso,
en general, provocado por la insuficiencia cardiaca que se produce a
consecuencia de la hipoxia miocárdica.
21
La absorción de CO es directamente proporcional a su concentración en el
ambiente, al tiempo de exposición y a la velocidad de ventilación, que depende de
la actividad realizada durante el tiempo de exposición, siendo los grupos de mayor
riesgo los pacientes de edad avanzada con afecciones cardiacas y respiratorias,
mujeres embarazadas, recién operados y niños, debido a su elevada frecuencia
respiratoria en comparación con una persona adulta .Los síntomas más frecuentes
corresponden a cefalea, vértigo, náuseas, vómitos, somnolencia y síncope.
¿Cómo hacer un prototipo para el
sistema de detección, control y
evacuación de los gases de la combustión en recintos cerrados?
1.3
JUSTIFICACIÓN
El problema de la evacuación de gases en los recintos cerrados cobra relevancia
en Cimsa Ltda.
Debido a múltiples accidentes en departamentos, edificios
originados por problemas de mal funcionamiento de artefactos a gas, tales como
la intoxicación por monóxido de carbono. Esto queda en evidencia con la puesta
en marcha del proceso de inspecciones periódicas, establecidas por los expertos o
empresas dedicado a los suministros de estos gases.
En el contexto de modernización relativa a instalaciones interiores de gas, y dados
múltiples casos de intoxicación por inhalación de CO en edificios y recintos
cerrados, surge la necesidad de validar un sistema de evacuación de gases de la
combustión que permita abordar el diseño de este laboratorio en forma segura y
de acuerdo a la realidad de la Empresa.
Minimizaremos
los riesgos de accidentes por inhalación de los gases de la
combustión al personal encargado del laboratorio ofreciendo seguridad y
bienestar.
22
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo General
Diseñar e implementar un prototipo de detección, control y evacuación de los
gases de la combustión en recintos cerrados.
1.4.2 Objetivo Específicos
•
Analizar los diferentes tipos de gases de la combustión originados en un
recinto cerrado donde estén instalados diferentes gasodomésticos.
•
Diseñar el circuito que cumpla con las condiciones del prototipo.
•
Seleccionar el sensor adecuado para la detección de los gases de la
combustión en un recinto cerrado.
•
Seleccionar el dispositivo de control y demás elementos para los gases de
la combustión en un recinto cerrado.
•
Diseñar el programa lógico para la detección, control y evacuación de los
gases de combustión en recintos cerrados.
•
Implementar el sistema y hacer las pruebas necesarias para ponerlo a
punto.
23
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
El prototipo contara con sistema con el cual se puede variar el porcentaje de
gases de la combustión en un recinto cerrado, además contara con alarma sonora
cundo la concentración de gases supere el nivel permitido. Tendrá un LCD para
visualizar el porcentaje de la combustión.
El sistema tendrá dos ventiladores para el control de los gases, uno será como
ventilador y otro como extractor, los cuales serán controlados proporcionalmente.
El prototipo está enfocado en la detección de gas natural, gas propano y el
monóxido de carbono, ya que son gases combustibles.
24
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL.
2.1.1 Sistemas de control
Un sistema de control está conformado por un conjunto de elementos relacionados
entre sí, que ofrecen datos de salida dependiendo de los datos de entrada que
tengamos. Los componentes básicos de un sistema de control son:
•
Objetivos de control
•
Componentes del sistema de control
•
Resultados de salida
A su vez los sistemas de control se dividen según su aplicación en:
•
De lazo cerrado
•
De lazo abierto.
2.1.1.1 Sistemas de control de lazo cerrado
En este sistema continuamente se está monitoreando o inspeccionando la señal
de error, la cual a su vez es aplicada al controlador para generar la señal de
control y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado, es decir compara
continuamente la señal de salida con la de entrada y la corrige cuando es
necesario como se observa en la FIGURA 1. Este es el método mas utilizado en
las industrias y los diferentes sistemas de control pues nos mantiene constante la
señal de salida.
25
r
q
Controlador
Planta
Sensor
FIGURA 1 (SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO)
2.1.1.2 Sistema de control en lazo abierto
En estos sistemas de control la señal de salida no es monitoreada para generar
una señal de control es decir la señal de entrada o referencia es la única variable
que ejerce una acción de control sobre el valor de la variable de salida, en otras
palabras no se mide la señal de salida (variable controlada), ni se realimenta para
ser comparada con la entrada (señal de referencia), por lo tanto no utiliza
sensores para medir la variable controlada y a cada entrada de referencia le
corresponde una condición operativa fija como se observa en la FIGURA 2. Un
ejemplo muy claro es la máquina de lavar; las acciones de prelavado, lavado,
secado, etc., se cumplen con base en tiempos prefijados.
r
q
Controlador
Planta
FIGURA 2 (SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO)
26
2.1.1.3 Generalidades de los sistemas de control
Los elementos básicos de los sistemas de control son:
•
controlador del sistema
•
Sensores (para medir la variable controlada)
•
Interfaces o acondicionador de señal
•
Actuadores
•
Controles de actuador.
2.2 PARÁMETROS CLAVES EN EL CONTROL DE LA COMBUSTIÓN
El problema de la regulación de la combustión
radica en el manejo de tres
parámetros primordiales que son: caudal de combustible, caudal de aire,
temperatura y composición de los productos de combustión. Por ende el manejo
de estos parámetros requiere de instrumentos de medida precisos, confiables y
económicos que nos permitan suministrar un control eficaz.
Es aquí donde la medición forma parte vital del proceso de control, por esta razón
la selección y puesta en marcha de instrumentos de medida debe hacerse de
forma adecuada y siguiendo algunos criterios de selección.
2.2.1 Medición de Caudal de Combustible.
A la hora de seleccionar un medidor de flujo de combustible se deben tener en
cuenta los siguientes aspectos:
•
Es necesario conocer las condiciones del proceso, esto es la presión,
temperatura y flujos normales de operación, así como sus límites
máximo y mínimo de operación. También se debe conocer las
características del combustible que se desea medir como son
viscosidad, densidad (que pueden ser indicadas por quien vende el
27
combustible). Se debe conocer adicionalmente si el flujo es estable,
pulsante, variable, si la tubería en que se instalará el medidor tiene un
tramo recto apropiado, y las condiciones ambientales.
•
Tecnología a utilizar, es decir qué tipo de medidor debemos usar
(Turbina, presión diferencial, flujo magnético, coriolis, vortex).
•
Es importante definir la precisión que se necesita, pues de esto
dependerá la selección de los componentes y el costo del Sistema de
evacuación
esto
es,
si
se
requiere
calibraciones
especiales,
compensaciones por temperatura o presión.
•
Otros aspectos a tener en cuenta sor: normas que cumple el dispositivo
(Normativas API), periodo de garantía, experiencia del fabricante y
especialización.
2.2.2 Medición de la Temperatura
A la hora de seleccionar un dispositivo para medir la temperatura de los gases de
combustión se deben tener en cuenta los siguientes aspectos.
Medición con o sin contacto: Se usan básicamente dos métodos importantes para
medir la temperatura de los objetos. Los termómetros de contacto sólo pueden
utilizarse para:
•
Mediciones de penetración / inmersión.
•
Mediciones de temperatura ambiente.
28
Los termómetros sin contacto tienen la ventaja de realizar mediciones en
superficies sensibles y productos estériles, así como mediciones en productos
peligrosos o lugares de difícil acceso debido a que no hay influencia en el objeto a
medir, además que nos permiten tener un registro simple de temperatura incluso
en procesos rápidos y dinámicos.
Existen algunas aplicaciones en las que la medición por contacto es el método
más aconsejable para medir temperaturas de superficie, mientras que existen
otras aplicaciones en las que se ha demostrado que la medición de temperatura
sin contacto es la más aconsejable. Un instrumento con la combinación de los dos
métodos normalmente es lo ideal.
Aplicaciones típicas de contacto:
Objetos con elevada capacidad de calor:
•
Metales
•
Grandes masas metálicas
Objetos con superficies lisas:
•
Laminas pulidas de acero
•
Tuberías pulidas de calefacción
Aplicaciones típicas de no contacto:
I. Partes en movimiento
•
Líneas de papel en movimiento
•
Líneas de laminas metálicas en movimiento
29
II. Partes Activas
•
Componentes eléctricos.
•
Conductores
•
Transformadores
III. Dispositivos Mecánicos
•
Cajas de Engranajes
•
Cojinetes de motores grandes y pequeños
Seleccionar el sensor correcto: El trabajo de medición determina el tipo de
termómetro. Según los siguientes criterios se debe seleccionar el sensor de
temperatura y sensor de gas más idóneo:
•
Rango
•
Exactitud
•
Linealidad
•
Estabilidad
•
Calibración
•
Diseño
•
Tiempo de respuesta
•
Resistencia
•
Costo
De acuerdo a estas características se selecciona el sensor a utilizar, el cual puede
ser de contacto o no contacto.
Sensor de Contacto
•
Termopares
30
•
Termo resistencias
•
Termistores
Sensor de no contacto
•
Sensores infrarrojos
•
Sensores catalíticos
2.2.3 Medición de la Composición de los Productos de Combustión
Los contaminantes más importantes provenientes de la combustión incompleta de
combustibles son: Monóxido de Carbono, óxidos de nitrógeno, partículas en
suspensión los hidrocarburos aromáticos y azufre.
Entre los principales métodos para la medición de los contaminantes del aire se
encuentran.
2.3
•
Ionización de llama
•
Absorción Infrarroja
•
Espectroscopia de fluorescencia
•
Recolección de partículas
•
Espectrofotometría
MARCO LEGAL O NORMATIVO
Teniendo en cuenta que en Colombia existen alrededor de 2 300 000 instalaciones
para el suministro de gas combustible en edificaciones residenciales y
comerciales, se hace necesario fijar requisitos mínimos de idoneidad y calidad que
31
se deben cumplir para la proyección, construcción, ampliación, reforma o revisión
de las mismas
Fundamenta esta medida el hecho de que en los resultados de las actuaciones de
la Superintendencia de Industria y Comercio se ha logrado establecer que los
accidentes por inhalación de gases tóxicos, como el monóxido de carbono y gases
combustibles, ocurren como consecuencia de la inadecuada protección del
trazado de tuberías de conducción, ubicación de artefactos gasodomésticos,
condiciones de ventilación de recintos en los que se ubican artefactos
gasodomésticos y la evacuación de los productos de la combustión, o por
modificaciones no autorizadas en el mismo artefacto o en su instalación. 8
En los recintos donde se encuentren instalados artefactos a gas, se deberá
realizar una medición de la concentración de Monóxido de Carbono (CO) en tres
(3) puntos ubicados a un metro de la separación del artefacto a gas de mayor
potencia. Las mediciones se harán con todos los artefactos a gas funcionando a
su potencia nominal, cinco (5) minutos después de haber sido encendidos. El
mayor valor obtenido deberá ser inferior a 50 ppm de concentración de Monóxido
de Carbono (CO) diluido en el ambiente
8 Superintendencia de Industria y comercio: Resolución 14471 del 2002
32
En el proceso de selección puede optarse por aparatos de distintas
características: fijos, transportables o portátiles. Se consideran fijos aquellos que
tienen instaladas todas sus partes en lugares permanentes. Los transportables
son aquellos aparatos que, si bien no han sido desarrollados para ser portátiles,
pueden ser trasladados con cierta facilidad de un lugar a otro. Los portátiles son
aparatos alimentados por baterías que se utilizan para lecturas cortas, es decir,
por períodos de tiempo breves. Los últimos pueden ser de tres tipos: los de mano,
que en general pesan menos de 1 Kg., con el fin de ser operados con una sola
mano; los monitores personales, de peso y dimensiones similares, que mientras
estén unidos al usuario operan en forma continuada (aunque no siempre censan
permanentemente); por último, los grandes, de hasta 5 Kg. de peso. Estos últimos
suelen poseer una correa o arnés para que el usuario los transporte, y en algunos
casos también una sonda rígida, que se orienta a mano.
Para cualquiera de los distintos tipos de aparatos debe tenerse en cuenta que,
aunque la alimentación sea continua (aparato de servicio continuo), el censado
puede ser tanto continuo como intermitente. El elemento sensor puede contener
componentes de circuito asociados.
Situación normativa en la Unión Europea
En la Comunidad Europea, el empleo de sensores y detectores de gases en
aplicaciones industriales y comerciales está reglado por la norma EN 45544-4:
1999. La autoridad de la cual procede dicha norma es el CENELEC, Comité
Europeo
de
Normalización
Electrotécnica,
integrado
por
los
comités
electrotécnicos nacionales de Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España,
Finlandia, Francia, Gran Bretaña, Grecia, Irlanda, Islandia, Italia, Luxemburgo,
Países Bajos, Noruega, Portugal, Suecia y Suiza. Ambas proporcionan
33
indicaciones para la selección, la instalación, el uso y el mantenimiento de
aparatos destinados a detectar y medir gases combustibles9.
NTP 338: Control de fugas en almacenamientos de gases tóxicos
Detección y control de las fugas
Resulta innecesario justificar la necesidad de disponer de sistemas de detección
de fugas en las instalaciones. En ambientes exteriores, puede resultar suficiente el
empleo de sistemas de medición manual para su aplicación de forma periódica en
aquellos lugares susceptibles de emisión. En el caso del almacenamiento del
cloro, por ejemplo, la utilización de una sal amoniacal como sistema de
identificación de fugas, resulta extraordinariamente útil, ya que en contacto con el
cloro forma inmediatamente humos blanquecinos de cloruro amónico. En este
sentido, resulta conveniente disponer de un sistema de detección sobre la
dirección y velocidad del aire en el ámbito físico en el que pueden producirse
emisiones, con la iluminación nocturna precisa, a los consiguientes efectos. Con
ello será factible predecir, ante la puesta en marcha de un plan de emergencia, la
dispersión del producto contaminante en el aire, informando oportunamente al
personal que pudiera verse afectado.
En ambientes interiores, sin embargo, los sistemas de detección continua de
gases son de extraordinaria eficacia. Estos sistemas responden, en general, a un
9
CENELEC [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en http://
www.cenelec.eu
34
sistema constituido por un sensor, una unidad de detección y dispositivos varios
(válvulas, ventiladores, sirenas, lámparas de aviso, etc.) 10.
Las medidas complementarias para la prevención de explosiones, consisten en
eliminar de la zona de riesgo toda posible fuente de ignición (chispas y descargas
eléctricas, calor, impactos mecánicos provenientes de materiales inadecuados,
etc.). El mantenimiento preventivo periódico, se procurará que sea. como mínimo,
anual.
Los niveles de alarma estarán regulados en función del grado de peligrosidad del
contaminante. En los casos en los que el gas resulte a su vez ser inflamable, el
nivel de alarma se establecerá cuando se supere el 20 % del límite inferior de
inflamabilidad. Respecto a los gases tóxicos, el límite de alarma vendrá
determinado de tal forma que el personal pueda actuar sin riesgo alguno para su
salud.
En Colombia todavía no una norma que avale el diseño y construcción de un
detector de fugas de gases combustibles sin embargo existen normas técnicas
sobre instalación de gasodomésticos, ventilación de tuberías.
2.4 MARCO TEORICO
2.4.1 SISTEMAS BÁSICOS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN
Un sistema de control automático de combustión debe proveer el logro de tres
funciones básicas:
10
INSTITUO NACIONALPARA EL HIGUIENE Y EL TRABAO [Internet] [consultado 11
Octubre de 2009]. Disponible en http:// www.insht.es
35
I.
Ajustar el suministro de combustible para asegurar la transferencia de calor
suficiente para mantener el valor deseado de la condición maestra.
II.
Ajustar el suministro de aire de combustión para mantener una relación
aire-combustible adecuada, y por ende obtener una óptima eficiencia en el
proceso de combustión.
III.
Ajustar los equipos de tal forma que la velocidad de salida de los productos
de combustión sea igual a la velocidad con que se forman dentro del
proceso. Esto se hace con el propósito de no haya acumulaciones de masa
dentro del dispositivo que puedan perjudicar el desempeño.
El método que se selecciona para el control de la entrada de combustible y aire se
basa considerando el combustible o combustibles a ser quemados, el equipo físico
que ha de ser operado, y el método de manufactura que desarrolla el fabricante en
particular. Desde el punto de vista del control de combustible y aire, todos los
sistemas de control de combustión pueden clasificarse como sistemas en paralelo
o sistemas en serie. Dado que existen varios fabricantes de estos sistemas se
tienen un número de variaciones de cada uno de los sistemas básicos (no
modificados).
Sistema de control en serie
Las dos versiones más comunes de sistemas de control en serie no modificados
se muestran como alternativas (a) y (b) en la figura 3. En cada caso la presión de
vapor es considerada como la condición maestra a satisfacer. La señal de
cualquier desviación de la presión de vapor de su valor establecido se usa para
ajustar el flujo de aire, como en el caso de la alternativa (a); o el suministro de
combustible como en el caso de la alternativa (b). La medición de la variable
controlada se utiliza entonces para el ajuste de la segunda variable, la cual, en la
36
alternativa (a) es el suministro de combustible y en la alternativa (b) es el flujo de
aire.
FIG. 3. SISTEMAS BÁSICOS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN:
a) Control de combustión tipo serie; b) Control de combustión tipo paralelo.
Muchos fabricantes de sistemas de control de combustión utilizan cualquiera de
estos sistemas de control en serie no modificado cuando (1) el combustible que se
quema posee un poder calorífico relativamente constante y (2) se dispone de una
medida satisfactoria de la velocidad de quemado de combustible.
Sistema de control en paralelo
El sistema de control en paralelo mostrado en la figura 3(b), la presión de vapor
también es usada como la condición maestra y las señales de cambio de la
37
presión de vapor se utilizan para cambiar simultáneamente ambas entrada,
combustible y aire.
Los sistemas en paralelo no modificados se usan principalmente en instalaciones
de alta precisión en el ajuste simultáneo de consumo de combustible y flujo de
aire. Buenos ejemplos de tales instalaciones son las calderas que se operan con
combustibles sólidos, como el carbón.
Sistema de control serie-paralelo
Una modificación que es común en los métodos de control en serie y en paralelo
consiste en aplicar un factor corrector a la entrada de combustible o al suministro
de aire de combustión. El factor de corrección usualmente es un indicativo de la
relación de flujo de vapor y flujo de aire y la corrección se hace con base en la
relación. Esto se ilustra en la figura 4.
FIG. 4 SISTEMA DE CONTROL SERIE-PARALELO CON CORRECTOR
El método de control serie-paralelo puede ser utilizado prácticamente con
cualquier tipo de combustible y equipo de quemado.
38
Un segundo método serie-paralelo que es comúnmente usado se muestra en la
figura 5. En este arreglo, la medida de la condición maestra (presión de vapor) se
usa para ajustar el suministro de combustible. La cantidad de vapor de salida se
usa como medida de la liberación de calor del combustible que se suministra. La
cantidad de calor requerida por libra de vapor que se produce es un valor
constante para una instalación típica y se establece que el requerimiento de aire
de combustión por unidad de calor que se libera por un combustible en particular
permanece constante. Siguiendo este razonamiento se concluye que la medida
del flujo de vapor es una forma precisa para realizar ajustes al suministro de aire
de combustión.
FIG. 5 SISTEMA DE CONTROL SERIE-PARALELO donde a) La medida de la
presión de vapor es usada para ajusta el suministro de combustible y b) La
cantidad de flujo de vapor es usada para ajustar el suministro de aire.
Esta alternativa usualmente se emplea cuando se queman combustibles que
requieren que los valores instantáneos de entrada de combustible y suministro de
aire se mantengan en una relación adecuada, y particularmente cuando el poder
39
calorífico del combustible pueda variar de forma impredecible; o cuando los
mecanismos de alimentación de combustible puedan estar sujetos a variaciones
en la velocidad de suministro. El carbón pulverizado y los gases desecho de una
refinería de petróleo son buenos ejemplos de combustibles con poder calorífico
variable.
Los principios de funcionamiento diferencian varios tipos de sensores. Los
catalíticos que operan por oxidación de los gases sobre un elemento catalítico
calentado por energía eléctrica. Los de conductividad térmica que actúan ante el
cambio de pérdida de calor por conducción de un elemento calentado por
electricidad, que se encuentra en el gas sujeto a medición, y al que se compara
con un elemento similar ubicado en una célula de gas de referencia. Los sensores
infrarrojos que miden la absorción infrarroja del gas detectado.
Los infrarrojos de paso abierto que pueden detectar gas en cualquier ubicación a
lo largo de un paso abierto, atravesado por el haz infrarrojo. Los de absorción de
radiación electromagnética que funciona por el principio electromagnético por
parte del gas que es detectado por la energía de un haz de radiación. Los
sensores semiconductores miden los cambios en la conductancia eléctrica de un
semiconductor en la superficie de éste, Los electroquímicos miden los cambios en
los parámetros eléctricos de electrodos colocados en un electrolito; esos cambios
se producen por reacciones del gas sobre la superficie de los electrodos.
Los sensores en general son también llamados transductores, se utilizan con
mucha frecuencia en procesos industriales, procesos de comunicación, sistemas
de seguridad, entre otros; es una solución sencilla para vigilar cualquier acción o
proceso, actúan como el sistema nervioso de un proceso pues, están
continuamente censando. Hoy en día, debido a sus diferentes aplicaciones, se han
desarrollado varias clases de sensores, una de las más importantes los sensores
eléctricos, que a su señal de salida suministra un valor de corriente o de voltaje,
40
que por lo general tienen un rango preestablecido que va de 0-5 voltios, 0-10
voltios, o 4 - 20 mA. Existen variables que pueden ser medidas por un sensor
como lo son, temperatura, velocidad, movimiento, presión, la variable que se va a
utilizar en este proyecto es el caudal.
2.4.2 MICROCONTROLADORES
Existe una gran diversidad de Microcontroladores. Quizá la clasificación más
importante sea entre Microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las
prestaciones de los Microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y
8 bits, la realidad es que los Microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y
los de 4 bits se resisten a desaparecer. Lo anterior es porque los
Microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las
aplicaciones,
lo
que
hace
absurdo
emplear
micros
más
potentes
y
consecuentemente más caros.
En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad
de los Microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4
(Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las
técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.
Arquitectura básica
Aunque inicialmente todos los Microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica
de Von Neumann, en la actualidad se impone la arquitectura Harvard. La
arquitectura de Von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria
principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma distinta. A dicha
memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y
control).
41
La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que
contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos
sistemas de buses y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o
escritura) simultáneamente en ambas memorias.
El procesador o UCP es el elemento más importante del Microcontrolador y
determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software.
Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir la instrucción en
curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica dicha
instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del
resultado.
Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad
los
procesadores actuales: CISC, RISC y SISC.
CISC: Un gran número de procesadores usados en los Microcontroladores están
basados en la filosofía CISC
(Computadores de Juego de Instrucciones
Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio,
algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos
para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al
programador instrucciones complejas que actúan como macros.
RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los
Microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de
Juego de Instrucciones Reducido). En
estos procesadores el repertorio de
instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y,
generalmente, se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones
permiten optimizar el hardware y el software del procesador.
SISC
(Computadores
de
Juego
de
Instrucciones
Específico):
En
los
Microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de
42
instrucciones, además de ser reducido, es "específico", es decir, las instrucciones
se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista.
MEMORIA:
En los Microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en
el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el
conjunto de instrucciones que ejecuta la aplicación. Otra parte de memoria es del
tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.
Según el tipo de memoria ROM que dispongan los Microcontroladores, la
aplicación y utilización de los mismos es diferente. Las cinco versiones de
memoria no volátil que se pueden encontrar en los Microcontroladores del
mercado son: ROM CON MÁSCARA, OTP, EPROM, EEPROM y FLASH.
ROM CON MÁSCARA
Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la
fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace
aconsejable el empleo de los Microcontroladores con este tipo de memoria cuando
se precisan grandes cantidades de los mismos.
OTP
Es una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el
usuario. OTP (One Time Programmable). La versión OTP es recomendable
cuando la tirada del producto es baja, o bien, en la construcción de prototipos y
series muy pequeñas.
EPROM
Los
Microcontroladores
que
disponen
de
memoria
EPROM
(Erasable
Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. Si
se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie
por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las
43
cápsulas son de material cerámico y son más caros que los Microcontroladores
con memoria OTP que están hechos generalmente con plástico.
EEPROM
Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente
EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). No disponen
de ventana de cristal en la superficie. Los Microcontroladores dotados de memoria
EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas
veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores
en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar
modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede
grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es
recomendable
una
reprogramación
continua,
este
tipo
de
memoria
es
relativamente lenta.
FLASH
Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y
borrar, es programable en el circuito, es más rápida que la EEPROM y tolera más
ciclos de escritura/borrado.
PUERTAS DE ENTRADA Y SALIDA
La principal utilidad de las líneas de E/S es comunicar al computador interno con
los periféricos exteriores. Según los controladores de periféricos que posea cada
modelo de Microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a proporcionar el
soporte a las señales de entrada, salida y control.
RELOJ PRINCIPAL
Todos los Microcontroladores disponen de un circuito oscilador que sincroniza de
todas las operaciones del sistema. Generalmente, el circuito de reloj está
44
incorporado en el Microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes
exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo.
RECURSOS AUXILIARES
Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de
Microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras
incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para
aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo
mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma,
minimizará el coste, el hardware y el software. Los principales recursos
específicos que incorporan los Microcontroladores son:
Temporizadores o "Timers": Se emplean para controlar periodos de tiempo
(temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el
exterior (contadores).
Perro guardián o "Watchdog": Temporizador que cuando se bloquea el sistema
provoca un reset automáticamente.
Protección ante fallo de alimentación o "Brownout". Se trata de un circuito que
resetea al Microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a
un voltaje mínimo ("brownout").
Estado de reposo o de bajo consumo: Para ahorrar energía cuando el
Microcontrolador no está funcionando, éstos disponen de una instrucción especial
(SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el
cual los requerimientos de potencia son mínimos. Al activarse una interrupción
ocasionada por el acontecimiento esperado, el Microcontrolador se despierta y
reanuda su trabajo.
45
Conversor A/D (CAD): Los Microcontroladores que incorporan un Conversor A/D
(Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas.
Conversor D/A (CDA): Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento
del computador en su correspondiente señal analógica.
Comparador analógico: Algunos modelos de Microcontroladores disponen
internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre
una señal fija de referencia y otra variable. La salida del comparador proporciona
un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.
Modulador de anchura de impulsos o PWM: Son circuitos que proporcionan en su
salida impulsos de anchura variable.
MICROGRADES
Es una herramienta que permite realizar programas de manera gráfica en un
Microcontrolador. Su entorno hace que mediante dispositivos gráficos se puedan
construir ideas que se llevan a la práctica mediante un sistema de hardware
llamado Kit de Desarrollo11., en este se encuentra una tarjeta de proceso, que es
donde se localiza el Microcontrolador, y bornes para conectar periféricos a sus
pines. Cuenta además con una tarjeta de desarrollo en la que se hallan 10 Leds y
8
Interruptores, que simularán entradas y salidas al Microcontrolador, es decir,
que podríamos decir que un interruptor podría simular cuando una puerta está
abierta o cerrada, ó tal vez un led pueda simular cuando abrimos un grifo de agua.
11
TECVOLUCION [Internet] [consultado 25 Octubre de 2009]. Disponible en http://
tecvolucion.com/
46
El kit de desarrollo se alimenta con 110V A.C., además tiene un cable que lo
comunica con el computador y permite descargar
programas hechos en
microgrades en el Microcontrolador.
FIGURA 6 (PROGRAMADOR MICROGRADES)
LCD 2x16
La pantalla de cristal liquido o LCD (Liquid Crystal Display) es un dispositivo de
visualización gráfica para la presentación de caracteres, símbolos o incluso
dibujos (en algunos modelos), es este caso dispone de 2 filas de 16 caracteres
cada una y cada carácter dispone de una matriz de 5x7 puntos (píxeles), aunque
hay otros con mayor número de caracteres. Este dispositivo está gobernado
internamente por un micro controlador Hitachi 44780 el cual regula todos los
parámetros de presentación, este modelo es el más comúnmente usado; esta
información se basará en el manejo de este u otro LCD compatible.
47
Características principales:
•
Pantalla de caracteres ASCII, además de los caracteres Kanji y
griegos
griegos.
•
Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o la derecha.
•
•
Proporciona la dirección de la posición absoluta o relativa del
carácter.
arácter.
Memoria de 32 caracteres por línea de pantalla.
•
Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.
•
Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.
•
Conexión a un procesador usando un interfaz de 4 u 8 bits
Para comunicarse con la pantalla LCD podemos hacerlo por medio de sus pines
de entrada de dos maneras posibles, con bus de 4 bits o con bus de 8 bits.
FIGURA 7 (DISPLAY LCD DE 2X16)
48
3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION.
El enfoque dado al proyecto es de carácter empírico analítico, de interés técnico
orientado a la interpretación y transformación del mundo material proporcionando
una estructura particular a la metodología de investigación en tanto que orienta el
trabajo a la aseveración teóricas con verificación experimenta.
Teniendo en cuenta los conocimientos adquiridos en el área de Electrónica nos
damos cuenta que es posible implementar un sensor de gas el cual estará dirigido
en especial al sector residencial ya que este es un sector no muy explotado en el
mercado.
El impacto social que genera nuestro detector es positivo, ya que con este sistema
podemos brindar mayor seguridad en la utilización del gas. Con nuestro equipo se
podrá detectar a tiempo y así poder disminuir los riesgos de accidente con gas.
3.2
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD /
CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA
Tecnologías Actuales y Sociedad
El desarrollo científico y tecnológico, así como la innovación, son generadores de
incertidumbre. Uno de los modos característicos como desarrolla su contribución a
una imagen renovada de las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad es
justamente mediante el estudio de las consecuencias que la ciencia y la tecnología
tienen sobre nuestras sociedades; es en este sentido en el que adquiere
relevancia la problemática del riesgo, en tanto que algo relativo a las posibles
49
consecuencias negativas es proponer un sistema confiable a la sociedad con una
tecnología que sea asequible para cualquier persona.
Instrumentación y control de procesos.
Nos identificamos con esta sub-línea ya que controlaremos variables y parámetros
necesarios en este sistema utilizando una instrumentación adecuada y bajo costo.
Control.
Es importante para nosotros conocer los sistemas de control; para seleccionar el
más adecuado y aplicarlo a nuestra problemática.
50
4. DESARROLLO INGENIERIL
4.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA
51
Sensor de gas: Es una entrada análoga, es el encargado de detectar la medición
del gas en el recinto cerrado y lleva la información al Microcontrolador para hacer
su control para la extracción y evacuación.
Potenciómetro de ajuste: Permite la calibración del sistema para los niveles
permitidos de gas en el ambiente.
Buzzer: Funciona como una alarma auditiva la cual nos indicara por tonos la
mayor concentración de gas; estos tonos serán de lenta oscilación siempre y
cuando en el ambiente, si aumenta la rapidez de la oscilación nos indicara que nos
estamos al nivel de gas permitido
Teclado: Su función principal es el ingreso de datos para la verificación de las
salidas digitales y para el desplazamiento en las opciones de menú. Es un teclado
multiplexado de 4x4 el cual utiliza ocho entradas digitales del Microcontrolador.
Pantalla (LCD): En esta pantalla se visualizan las opciones de menú para la
inicialización de sistema, visualización presencia de gas en el ambiente y
calibración del sensor.
Led Indicadores: Son tres, Led verde indicara nivel estable, Led Amarillo indicara
ventilación y Led rojo indicara Alarma que se ha sobrepasado los niveles
permitidos
Ventilador y extractor: Por medio de este modulo se va ejecutar las acciones las
cuales serán enviadas por el controlador y de esta manera una señal digital se
convierte en un acción digital, funciona directamente proporcional con la medición
del sensor de gas controlado por el Microcontrolador con salidas PWM, constituido
por un motor eléctrico que acciona una paleta lo bastante grande para desplazar
de manera regular y continua una masa de aire.
52
Microcontrolador: Este es uno de lo mas importantes ya que es el que manejara
todos los sistemas, que por medio de algoritmos dará las órdenes pertinentes en
el momento Este componente será el celebro del prototipo ya que este tendrá la
función de transformar los datos de entradas en acciones a desarrollar.
4.2 GASES COMBUSTIBLES.
El uso de los gases combustibles en el país determina el comienzo de una era de
transición energética, la cual conducirá a la sustitución de los combustibles fósiles
tradicionales (carbón, petróleo) por sistemas energéticos gaseosos que permitan
el desarrollo económico sostenible con menor impacto ambiental.
El uso de los gases combustibles en el país determina el comienzo de una era de
transición energética, la cual conducirá a la sustitución de los combustibles fósiles
tradicionales (carbón, petróleo) por sistemas energéticos gaseosos que permitan
el desarrollo económico sostenible con menor impacto ambiental. Los gases
combustibles se consideran energéticos limpios porque en los procesos de
combustión no generan cenizas ni óxidos de azufre y, adicionalmente, poseen un
alto poder calorífico, que se traduce en mayor eficiencia y competitividad
económica con respecto a otros tipos de combustibles. Los hidrocarburos se
encuentran en depósitos localizados a diferentes profundidades de la corteza
terrestre entre capas de roca, donde se concentran y combinan los tres estados de
la materia.
•
Sólido: Carbón y asfaltos
•
Líquido: Crudo
•
Líquido y gaseoso: Gas disuelto en crudo y gas asociado
•
Gaseoso: Solamente se encuentra gas. Se dice que es libre o
no asociado
53
Es más probable que los pozos más profundos contengan gas y no petróleo. Los
gases combustibles están conformados por una mezcla de gases, cuya
composición varía de un lugar a otro, según el pozo de donde se extraiga. Por
tanto, la preparación de mezclas de gases hace parte de uno de los campos más
extensos y de mayor rentabilidad dentro de la industria de los gases combustibles.
Los gases combustibles se clasifican en familias. Todos los gases de una misma
familia tienen características comunes, de manera que pueden intercambiarse sin
necesidad de modificar ni la instalación ni los aparatos de consumo. Si se tiene
que cambiar el gas por otro que no sea de la misma familia, hay que substituir los
aparatos de consumo, o al menos, ciertos mecanismos (inyectores). En caso
contrario pueden producirse efectos indeseados, como desprendimiento o retorno
de la llama al inyector.
Primera familia: Gases manufacturados (gas ciudad, aire propanado, aire
butanado, gas hulla)
Segunda familia: gases naturales (metano)
Tercera familia: la forman el butano y el propano derivados de la destilación del
petróleo. Se denominan Gases Licuados del Petróleo (GLP)
4.3 COMPARACION DIFERENTES MICROCONTROLADORES
A la hora de escoger el Microcontrolador se tendrán en cuenta multitud de
factores, la documentación y herramientas de desarrollo disponibles, su precio, la
cantidad de fabricantes que lo producen y, por supuesto, las características (tipo
de memoria de programa, número de temporizadores, interrupciones, etc).
54
Costos: Para el fabricante que usa el Microcontrolador en su producto una
diferencia de precio en el Microcontrolador de algunos céntimos es importante (el
consumidor deberá pagar además el coste del empaquetado, el de los otros
componentes, el diseño del hardware y el desarrollo del software). Si el fabricante
desea reducir costes debe tener en cuenta las herramientas de apoyo con que va
a contar: emuladores, simuladores, ensambladores, compiladores, etc. Es habitual
que muchos de ellos siempre se decanten por Microcontroladores pertenecientes
a una única familia. Antes de seleccionar un Microcontrolador es imprescindible
analizar los requisitos de la aplicación:
Procesamiento de datos: puede ser necesario que el Microcontrolador realice
cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso debemos asegurarnos de
seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá
que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con un
Microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a Microcontroladores de 16
Ó 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante.
Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es
conveniente conocer el diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea
sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este
análisis puede ser necesario añadir periféricos externos o cambiar a otro
Microcontrolador más adecuado a ese sistema.
Consumo:
algunos
productos
que
incorporan
Microcontroladores
están
alimentados con baterías. Lo más conveniente en un caso como éste puede ser
que el Microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante
la activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para
procesarla.
55
Memoria: El tipo de memoria a emplear vendrá determinado por el volumen de
ventas previsto del producto: de menor a mayor volumen será conveniente
emplear EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria
deberemos hacer una estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es
necesaria y si es conveniente disponer de memoria no volátil modificable.
Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el Microcontrolador de
menor ancho de palabra que satisface los requerimientos de la aplicación. Usar un
Microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción en los costos importante,
mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es
de un byte. Los Microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado coste,
deben
reservarse
para
aplicaciones
que
requieran
altas
prestaciones
(Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).
La selección de un Microcontrolador concreto condicionará el diseño de la placa
de circuitos. Deberá tenerse en cuenta el encapsulado del mismo, de los cuales
podemos encontrar:
Encapsulado DIP o DIL, Este es el encapsulado más empleado en montaje por
taladro pasante en placa. Este puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro).
Un dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que
poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia este dato, así en este
tipo el estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm).
Encapsulado SOIC, Circuito integrado de pequeño contorno. Son los más
populares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en CMOS.
Encapsulado LPCC, Se emplea en técnicas de montaje superficial pero,
generalmente, montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J que
tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite
56
su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. En
este caso la numeración de sus patillas varía respecto de los anteriores. El punto
de inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con el
lado de la cápsula que acaba en esquina, y siguiendo en sentido antihorario. La
distancia entre terminales es de 1,27mm. Encapsulado LCCC, Al igual que el
anterior se monta en zócalo y puede utilizarse tanto en montaje superficial como
en montaje de taladro pasante. Se fabrica en material cerámico.
4.3.1 Tablas comparativas.
Llegados a este punto y con toda la información que poseemos hasta aquí, cabe
preguntarse cuál de todos estos Microcontroladores es el “mejor” si es que es
posible definir alguno de ellos como tal. Existen diversos fabricantes y multitud de
modelos que dificultan esta tarea, aun así, podemos establecer ciertos criterios de
comparación que nos la facilitan.
El modelo jerárquico de que se ha establecido en este documento es el siguiente:
Principales Marcas: Según volumen de ventas y diversidad de modelos podemos
establecer como principales a los siguientes fabricantes:
•
Microchip Technology Corp
•
Atmel Corp
•
Motorola Semiconductors Corp
57
En primer lugar expondremos unas tablas con los Microcontroladores más
Significativos de 8 bits de Motorola.
TABLA No 1 FAMILIA MOTOROLA
Análogamente expondremos las familias de 8 bits de Atmel.
TABLA No 2 FAMILIA ATMEL
58
Quizá de todos los fabricantes expuestos, Microchip es el que más diversidad
posee, cuenta actualmente con 159 Microcontroladores distintos (además de
todas sus versiones según encapsulado).
Mostraremos a continuación los más significativos, aunque quizá el buque insignia
sea el PIC16F84.
TABLA No 3 FAMILA MICROCHIP PIC 16
Los Microcontroladores de 16 bits a pesar de no ser tan cotidianos como los de 8
bits deben ser contemplados debido a la tendencia a ser utilizados cada vez más
en aplicaciones en que los datos requieren más precisión (instrumentación,
operaciones matemáticas complejas, etc.).
Aunque todavía no existe gran demanda de ellos y los fabricantes son un poco
reacios a esta tendencia, los Microcontroladores de 32 bits ganan terreno día a día
gracias a aplicaciones concretas que poco a poco se van haciendo más cotidianas
como por ejemplo; procesamiento de imágenes, videoconferencia, etc.
59
En nuestra vida cotidiana encontramos multitud de Microcontroladores, en
electrodomésticos, teléfonos, etc. Algunos de ellos deben superar unos estrictos
controles de calidad, especialmente los orientados al sector del automóvil, ya que
estos pueden controlar elementos vitales del vehículo, como pueden ser el ABS, la
Inyección Electrónica, Control de estabilidad, etc.
Podemos concluir con una pequeña tabla comparativa de Microcontroladores
considerados los mejores de cada fabricante con la finalidad de hacernos una idea
aproximada sobre los buque insignia de cada marca.
MICROCONTROLADORES PIC
REFERENCIA
MEMORIA
DEL
PROGRAMA
No de
INSTRUCCIONES
RISC
REGISTRO DE
PROPOSITO
ESPECIFICO
MEMORIA
EPROM
PINES
(ENTRADASALIDA)
PIC16F84A
1K * 14
35
15 * 8
68 * 8
13
NO
NO
18
$ 16.000
PIC16F628A
2K * 16
35
16 * 8
224 * 8
15
SI
SI
18
$ 18.000
OSCILADOR COMPARADORES No.
ANALOGICOS
INTERNO
PINES
MICROCONTROLADORES DE 8 BIT´S. FREESCALE
REFERENCIA
MEMORIA
DEL
PROGRAMA
FLASH (ROM)
MEMORIA
(RAM)
PINES
(ENTRADASALIDA)
OSCILADOR
INTERNO
NUMERO
DE PINES
PRECIO
MC68HC908GP32
MC68HC908AP16A
32K * 8
16K * 8
512 * 8
1024 * 8
33
32
NO
NO
40
42
$ 18.500
24000
TABLA No 4 COMPARACION DE MICROCONTROLADORES
El
Microcontrolador
utilizado
en
nuestro
sistema
es
un
Motorola
MC68HC908GP32, cumple con las necesidades y especificaciones de nuestro
proyecto; este tipo de Microcontrolador es de mayor velocidad; comparado con un
Microcontrolador PIC.
60
PRECIO
Aprox
No se utilizo un PLC ya que es un elemento con un costo bastante alto; además
un PLC contiene gran cantidad de funciones por lo tanto estaría sub utilizado en
este prototipo.
4.3.2 Microcontrolador Motorola MC68HC908GP32
Dispone 8KX14 bits de memoria flash, 256 bytes de memoria de datos EEPROM
y su voltaje de funcionamiento es el mas bajo de la industria desde 2v - 5.5v., es
ideal para aplicaciones programables o alimentadas por baterías, aplicaciones
como controladores del cuerpo humano, controles de máquinas programables,
mantenimiento de redes, teléfonos en alta gama, dispositivos y sensores
actualizables.
También nos proporcionan de 5 a 8 canales de convertidores análogos digitales
de 10 bits. (Ver anexos diagrama de pines Motorola C68HC908GP32)
FIG. 8 MICROCONTROLADOR MOTOROLA REF. MC68HC908GP32
61
Haciendo una comparaciones con diferentes familias de Microcontroladores
nuestro prototipo empleará un Microcontrolador de referencia MCG68HC908GP32
al cual pertenece a la familia HC08 de Motorola 68HC08. Tiene un bus interno de
8MHZ, 32Kbytes de memoria FLASH para almacenar datos permanentes (como el
programa), 512 bytes de RAM, interface de comunicación serie, ocho canales para
ADC de resolución de 8 bits, 26 pines de entrada salida de funciones compartidas
sus principales características son:
•
Control de bucles optimizado
•
16 modos de direccionamiento
•
Registro de índice y puntero de pila de 16-bits
•
Transferencia de datos de memoria a memoria
•
Rápidas instrucciones de multiplicación de 8x8
•
Rápidas instrucciones de división de 16/8
•
Instrucciones BCD (Binario codificado en decimal)
•
Optimización para aplicaciones de control
•
Soporte eficiente del lenguaje C
62
4.4 TIPOS DE SENSORES DE GAS
Este grupo de sensores, los catalíticos y los electroquímicos, es utilizado
principalmente en aplicaciones de tipo general y satisfacen el criterio de ser
robustos, resistentes a la corrosión, a las inclemencias del tiempo y al polvo, y
aptos para ser instalados en zonas peligrosas.
Las aplicaciones en cuestión pueden ser divididas en dos categorías principales:
Monitoreo de gases tóxicos para la salud humana y monitoreo de gases
combustibles. Para monitorear gases tóxicos se requiere un sensor que sea
sensible a niveles bajos de concentraciones, en tanto que cuando se monitorea un
gas combustible se requiere un sensor que pueda detectar altas concentraciones
de gases. Los sensores comúnmente usados para satisfacer los requerimientos de
calidad de aire en el área de trabajo y aplicaciones de seguridad son los sensores
electroquímicos, sensores catalíticos, sensores de estado sólido, sensores
infrarrojos y detectores de fotoionización.
4.4.1 Sensores Electroquímicos
Principios de operación
Un típico sensor electroquímico consiste en un electrodo sensor (cátodo) y un
contra electrodo (ánodo) separados por una delgada capa de electrolito. El gas
que entra en contacto con el sensor reacciona sobre la superficie del electrodo
sensor generando una reacción de oxidación o reducción. Los materiales del
electrodo, específicamente desarrollados para el gas de interés, catalizan estas
reacciones. Una corriente proporcional a la concentración de gas es generada, la
que puede ser medida para determinar la concentración de gas.
63
FIGURA No 9 SENSOR ELECTROQUIMICO.
Características y Aplicaciones
El concepto erróneo más común acerca de los sensores electroquímicos es que
todos tienen las mismas características de desempeño y confiabilidad. Por el
contrario, hay muchas maneras en que los sensores electroquímicos están
construidos, dependiendo del tipo de gas a detectar y del fabricante. Cada tipo de
sensor es diferente.
Características comunes:
Bajo Consumo de Energía. Esto permite que el sensor sea usado en unidades
portátiles, alimentadas con baterías.
Buena Sensibilidad. Este sensor es fundamentalmente conveniente para
aplicaciones de límite permisible en el área de trabajo. No es apto para
aplicaciones de gases combustibles.
64
Selectividad. Comparado con otros sensores, algunos sensores electroquímicos
son bastante selectivos al gas objetivo para el cual fueron diseñados. Algunos
sensores, sin embargo, pueden tener una pobre selectividad, dependiendo del gas
a ser detectado.
Expectativa de Vida. La expectativa de vida de un sensor electroquímico depende
de diversos factores, incluyendo el gas a ser detectado y las condiciones
medioambientales en que el sensor es usado. Generalmente, la expectativa de
vida es uno a tres años. Algunos sensores son especificados de acuerdo a la
dosificación de exposición del gas, como por ejemplo un sensor de amoníaco,
típicamente catalogado para 5000 ppm horas. Alrededor de 30 gases pueden ser
detectados con los sensores electroquímicos en bajos rangos de ppm.
Sensores diseñados para detectar gases tales como monóxido de carbono, sulfato
de hidrógeno, dióxido de sulfuro, cloro y dióxido de nitrógeno son buenos sensores
capaces de comportarse de acuerdo a las expectativas. Sensores para otros
gases pueden ser mucho menos confiables de lo especificado.
En general, un sensor electroquímico es un tipo popular de sensor comúnmente
usados en instrumentos portátiles para aplicaciones de bajas concentraciones.
Para aplicaciones estacionarias, el uso es más limitado.
4.4.2 Sensores Catalíticos De Gases Combustibles
Principio de Operación
Una mezcla combustible de gases no se quemará hasta que alcance la
temperatura de ignición presencia de materiales catalíticos, sin embargo, el gas
empezará a quemarse a temperaturas más bajas. Un alambre de platino en espiral
es recubierto con un óxido metálico tratado catalíticamente. En presencia de
65
gases combustibles, las moléculas de gas se queman sobre la superficie del
sensor, lo cual causa que la temperatura del sensor se incremente. El cambio de
temperatura altera la resistencia del alambre de platino, que es conectado a un
circuito de puente Wheatstone que produce una señal proporcional a la
concentración del gas.
FIGURA No.10 SENSOR CATALITICO
Características y Aplicaciones
La salida de un sensor catalítico es directamente proporcional a la concentración
de gas, hasta el límite explosivo inferior. Es el sensor más popular para la
detección de gases combustibles.
Características comunes:
Sensor de Gas Combustible de Propósito General. Este sensor es apto para uso
en aplicaciones de instrumentos portátiles o estacionarios continuos para gases de
hidrocarburos.
Expectativas de Vida. Esto depende del fabricante y de la aplicación; típicamente
se específica de uno a dos años de vida útil. Hay elementos químicos que
desactivarán el catalizador y harán el sensor insensible al gas. Los químicos
comunes incluyen compuestos de silicona, compuestos de sulfato y cloro.
66
Factores de Corrección. La mayoría de los sensores catalíticos se calibran
comúnmente con metano. La salida es diferente para otros hidrocarburos.
Generalmente, un fabricante provee un set de factores de corrección que permiten
al usuario medir diferentes gases multiplicando las lecturas con los factores de
corrección apropiados.
FIGURA No 11 SELECCIÓN DE SENSORES
67
SENSORES DE GAS
TENSIONES
CODIGO
GASES DETECTADOS
TGS 813
GAS NATURAL- METANO
MONOXIDO CARBONO
TGS 822
TGS 203
SOLVENTES
ORGANICOS
ISOBUTANO
BENZENIO
ETANOL
MONOXIDO DE
CARBONO
RANGO (ppm)
APLICACIONES
CIRCUITO
VC
CALEFACTOR
VH
MAXIMO
24VAC ô
24 VDC
5 VAC ô 5 VDC
0 a 10000
CASAS
EDIFICIOS
AUTOS
DETECTOR DE
GASES EN LA
INDUSTRIA
MAXIMO 24
VAC ô 24
VDC
5 VAC ô 5 VDC
(0,65w)
CASAS TUNELES
GARAGES
MAXIMO 24
VAC ô 24
VDC
0,8 V 0,25V
(0,7W)
50 a 5000
50 a 1000
TABLA No 5 SENSORES DE GAS
4.5 SENSOR DE GAS IMPLEMENTADO EN EL PROYECTO
Los dos sensores descritos son los más comúnmente usados para aplicaciones en
el área de calidad del aire y seguridad en ambiente de trabajo. Generalmente, los
monitores de gases tóxicos son usados para la protección de la salud, con el
rango del instrumento alrededor de tres a cinco veces más que el límite permisible
de exposición. Para monitores de gases combustibles, el rango más común es de
100 por ciento del límite explosivo inferior del gas de interés. Estos sensores son
usados en las siguientes aplicaciones:
68
Para este proyecto se selecciono el sensor de gas TGS 813 teniendo en cuenta el
tipo de gas como agente combustible presente a nivel residencial o que
actualmente está en el comercio, este sensor tiene la posibilidad de supervisar las
fugas de gas, sus características técnicas lo hacen más confiable frente a posible
fallas de supervisión y generan una muestra de estado crítico en comparación de
otros tipos de sensores.
El elemento de detección de los sensores de gas de Fígaro que tiene
conductividad baja en aire limpio. En presencia de un gas perceptible, la
conductividad del sensor aumenta dependiendo de la concentración de gas en el
aire. Un circuito eléctrico simple como el que ha sido utilizado en este proyecto
puede convertir el cambio en la conductividad a una señal de salida que
corresponde a la concentración de gas; es decir si la concentración de gas es
fuerte su salida se representara con una variación de voltaje considerada para
capturarla y convertirla en información digital aplicada mediante la entrada B1
configurada análoga del micro controlador MC68HC908GP32:
Configurado para recibir en integración de 1 paquetes de información provenientes
del TGS y ser visualizado y representado en su máxima concentración como nivel
100 (porcentaje de captura)
El TGS 813 tiene alta sensibilidad al metano, el propano y el butano, lo que es
ideal para el gas natural y el seguimiento de GLP. El sensor puede detectar una
69
amplia gama de gases, por lo que es un sensor de excelente y de bajo costo para
una amplia variedad de aplicaciones.
4.5.1 Características sensitivas:
La siguiente figura representa las características típicas de la sensibilidad, todos
los datos han sido recogidos en condiciones de prueba estándar.
El eje Y se indica como razón sensor de resistencia (R / Ro), que se define de la
siguiente
manera:
R = Resistencia del sensor de gases que aparecen en diferentes concentraciones
Ro = Resistencia del sensor en 1000 ppm de metano
FIGURA NO 12 CARACTERÍSTICAS TÍPICO DE LA SENSIBILIDAD TGS 813
Cuando el nivel CO es sobrepasado se toma en consideración la presencia de
alguno de estos gases.
70
4.5.2 Características de temperatura
La siguiente figura representa la temperatura y las características típicas de la
humedad de la dependencia. Una vez más, el eje se indica como razón sensor de
resistencia (R / Ro), que se define de la siguiente manera:
R
=
Resistencia
del
sensor
a
1000
ppm
de
metano
a
ppm
de
diferentes
temperaturas/humedades
Ro
=
Resistencia
del
sensor
a
1000
metano
a 20 ° C y 65% R.H.
FIGURA No 13 CARACTERÍSTICAS DE TEMPERATURA Y HUMEDAD TGS 813
4.5.3 Lectura TGS
Cuando el sensor se conecta como se muestra en el circuito básico, la producción
a través de la resistencia de carga (VRL) aumenta a medida que la resistencia del
sensor (R) disminuye, dependiendo de la concentración de gas.
71
FIGURA No 14 CONFIGURACIÓN DEL SENSOR TGS 813
Para poder capturar dicha señal proveniente del TGS se configura los pines de
referencia 32 (VSSad/refH) y 33 (VDDad/refL) del micro controlador y mediante
un arreglo de resistencia R16 limitadora de corriente y R17 que funciona como Pull
Down se obtiene una señal legible y protegida para el micro controlador.
72
4.6 PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR
A continuación se ilustrara en diagrama de flujo para este programa
FIG. 15 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA
73
4.7 CONFIGURACIÓN MICROCONTROLADOR MOTOROLA MC68HC908GP32
Estructura principal
74
•
Frecuencia a la cual trabaja la tarea rápida y la tarea normal, el cual manejará
los tiempos y desarrollo del proyecto.
•
Temporización y pulsos, que serán empleados para la selección de las
visualizaciones de presentación, y las bases de tiempo para los PWM de las
dos salidas indicadoras.
•
Entrada análoga, donde se recibe la información del sensor para ser convertida
a una señal digital y hacer las posteriores comparaciones.
•
Declaración del puerto de salidas y entradas para luces indicadoras, motores y
sonido
•
Declaración del uso de LCD para visualización con formatos.
•
Declaración del uso teclado matricial para control de firmware
•
Declaración del uso de subrutinas para procesos de control
•
Declaración de la Maquina de estados, estructura principal en el desarrollo del
proyecto.
4.8 RECURSOS DE TIEMPO
Se declaran las bases de tiempo que serán usadas, a partir del periodo de la tarea
normal
75
4.9 ESTADOS DE PROCESO
Se declaran o nombran los estados que posee la máquina de estados, los cuales
manejaran la estructura principal del proyecto.
4.9.1 Configuración salidas digitales
Se designa que pines del puerto actuaran como salidas en el proyecto. Para este
caso se selecciono los puertos A, B, D.
76
4.9.2 Configuración entradas análogas
Configura las características del ADC, variable almacenada, pines por el cual
entran las señales análogas, y su respectivo valor a visualizar en la LCD.
4.9.3 Configuración Display
Selección de tamaño en caracteres de la LCD
77
4.10 VARIABLES DEL PROGRAMA
•
Dec_H , Dec_L y COD:
Variables para el manejo del barrido matricial y detección para el teclado.
•
Salcd:
Variable para la interpretación del teclado en el LCD y puntos de control en el
hardware
•
Contador_1,2,3:
Variables utilizadas para llevar temporizaciones de control
•
Potenciómetro:
Variable que registra la entrada análoga para el potenciómetro
•
Gas:
Variable que registra la entrada análoga para el TGS 813
•
Variables:
Byte que guarda diferentes Booleanos utilizados en el programa
•
Pwm Extractor y Ventilador
Variable que maneja el ancho del pulso para el PWM de los motores
78
4.10.1 Boléanos
Nombres dados a ciertos bits del byte para banderas de activación y control del
firmware
4.10.2 Formatos visualización
Lista de formatos utilizados para la visualización de variables y constantes del
proyecto en la LCD
79
4.11 APLICACIÓN
INICIALIZACIÓN.
TAREA RÁPIDA 4000HZ.
80
TAREA NORMAL 100HR
MÓDULOS DE CONTROL Y OPERACIÓN
81
MÓDULOS DE CONTROL Y OPERACIÓN
82
MODO MENÚ
83
SUBRUTINA
84
4.12 PROTOCOLOS DE PRUEBA
Ensayo 1
PRUEBAS CALENTADORES DE PASO
FECHA
08-ago-10
MODELO
CAPACIDAD
10 LITROS
SERIE
CAUDAL DE ENTRADA DE AGUA
19 l/min
PRESION DE AGUA - ESTATICA
55 psi
PRESION DE ENTRADA DE GAS
8"CA / 20 mbar
CONSUMO DE GAS
NA
TEMPERATURA ENTRADA AGUA °C
19,5
SMART TFI10
10054663
SUMINISTRO DE AGUA TEMPERATURA
CAUDAL
l/min)
(
TEMPERATURA DE
SALIDA DE AGUA (
°C )
DELTA DE
TEMPERATURA (°C)
REGULACION AGUA
REGULACION GAS
Mínima
Mínima
NA
NA
NA
Máxima
Mínima
NA
NA
NA
Mínima
Máxima
NA
NA
NA
Máxima
Máxima
NA
NA
NA
Nominal
Maxima
9,5
45,5
26
85
Analisis de combustion
Presion gas
8"CA / 20 mbar
Diam.Inyector mm
Temp. Humos °C
154,9
CO corregido (ppm)
112
% O2
13,7
CO (ppm)
39
Lambda
2,88
% CO2
4,14
% qA
13,6
Temp. Ambiente °C
21,6
Rendimiento
86,4
CO ambiente (ppm)
1
TABLA No 6 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO 1
El Prototipo fue instalado en el laboratorio dando como resultado una extracción y
una ventilación en el 39% en el ambiente de acuerdo al puesto a punto del
dispositivo.
Resultado Satisfactorio.
86
Ensayo No 2
PRUEBAS CALENTADORES DE PASO
FECHA
CAPACIDAD
05-Nov
Nov-10
MODELO
6 litros/min
SERIE
CAUDAL DE ENTRADA DE
AGUA
PRESION DE AGUA - ESTATICA
23 l/ m
PRESION DE ENTRADA DE GAS
9 "CA / 23 mbar
CONSUMO DE GAS
TEMPERATURA ENTRADA
AGUA °C
Powtek
Tiro Forzado
54 psi
NA
21
SUMINISTRO DE AGUA - TEMPERATURA
REGULACION
AGUA
REGULACION
GAS
CAUDAL
( l/min)
TEMPERATURA DE
SALIDA DE AGUA ( °C )
DELTA DE
TEMPERATURA (°C)
Mínima
Mínima
3
42,8
21,8
Máxima
Mínima
7,5
29
8
Mínima
Máxima
3
65,8
44,8
Máxima
Máxima
7,5
36
15
Nominal
Maxima
6
41
20
Analisis de combustion
Presion gas
Limite
9"CA/ 23 mbar
Diam.Inyector mm
1,05
Temp. Humos °C
83,20
CO corregido (ppm)
79,00
% O2
13,80
CO (ppm)
27,00
Lambda
2,92
% CO2
4,08
% qA
6,10
Temp. Ambiente °C
24,30
Rendimiento
93,90
1000
100
TABLA No 7 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO No 2
87
Ensayo No 3
FECHA
CAPACIDAD
08-Nov
Nov-10
MODELO
6 litros/min
SERIE
CAUDAL DE ENTRADA DE AGUA
23 l/ m
PRESION DE AGUA - ESTATICA
54 psi
PRESION DE ENTRADA DE GAS
9 "CA / 23 mbar
CONSUMO DE GAS
NA
TEMPERATURA ENTRADA AGUA °C
21
Powtek
Tiro Forzado
SUMINISTRO DE AGUA - TEMPERATURA
REGULACION
AGUA
REGULACION
GAS
CAUDAL
( l/min)
TEMPERATURA DE
SALIDA DE AGUA ( °C )
DELTA DE
TEMPERATURA (°C)
Mínima
Mínima
3
44,5
23,5
Máxima
Mínima
7,5
32
11
Mínima
Máxima
3
67,4
46,4
Máxima
Máxima
7,5
37
16
Nominal
Maxima
6
42,8
21,8
Analisis de combustion
Presion gas
Limite
9"CA/ 23 mbar
Diam.Inyector mm
1,08
Temp. Humos °C
88,60
CO corregido (ppm)
88,00
% O2
14,10
CO (ppm)
29,00
Lambda
3,04
% CO2
3,91
% qA
6,40
Temp. Ambiente °C
24,60
Rendimiento
93,60
1000
100
TABLA No 8 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO No 3
88
Ensayo No 4
PRUEBAS CALENTADORES DE PASO
FECHA
10-Nov
Nov-11
MODELO
CAPACIDAD
6 litros/min
SERIE
CAUDAL DE ENTRADA DE AGUA
23 l/ m
PRESION DE AGUA - ESTATICA
54 psi
PRESION DE ENTRADA DE GAS
9 "CA / 23 mbar
CONSUMO DE GAS
NA
TEMPERATURA ENTRADA AGUA °C
21
Powtek
Tiro Forzado
SUMINISTRO DE AGUA - TEMPERATURA
REGULACION
AGUA
REGULACION
GAS
CAUDAL
( l/min)
TEMPERATURA DE
SALIDA DE AGUA ( °C )
DELTA DE
TEMPERATURA (°C)
Mínima
Mínima
3
46,3
25,3
Máxima
Mínima
7,5
34
13
Mínima
Máxima
3
69,3
48,3
Máxima
Máxima
7,5
38
17
Nominal
Maxima
6
43
22
89
Analisis de combustion
Presion gas
Limite
9"CA/ 23 mbar
Diam.Inyector mm
1,13
Temp. Humos °C
86,10
CO corregido (ppm)
471,00
% O2
14,00
CO (ppm)
157,00
Lambda
3,00
% CO2
3,97
% qA
6,90
Temp. Ambiente °C
24,60
Rendimiento
93,10
CO ambiente (ppm)
1,00
1000
100
TABLA No 9 ANALISIS DE COMBUSTION ENSAYO No 4
RESULTADOS:
Se instalo el prototipo en estas pruebas puntuales para comprobar su sistema de
detección, control extracción, ventilación de los gases de combustión (Monóxido
de Carbono) regulando el límite máximo permitido para su funcionamiento
activando sus respectivas salidas como es Led de Ventilación, Led de alerta y
Buzzer.
Resultados Satisfactorios.
Pruebas
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Ensayo 4
Medición CO
ppm
Funcionamiento
%
39
27
29
157
34
30
32
85
Temperatura
EFECTIVIDAD
Ambiente
21,6
24,3
24,6
24,6
PROMEDIO
100%
95%
95%
100%
98%
TABLA No 10 EFECTIVIDAD DEL PROTOTIPO
90
4.13. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
91
5. CONCLUSIONES
•
Se logro desarrollar un sistema totalmente autónomo para la seguridad de
un recinto cerrado.
•
El sensor es necesario para detectar la presencia de una gran variedad
tóxica de gases o vapores.
•
El prototipo es ideal para la verificación continua de la operación de los
gasodomésticos, la acumulación de gases peligrosos en recintos cerrados.
•
El sensor es suficientemente sensible para dar una alarmar cuando los
niveles de gas son inmediatamente tóxicos o explosivos.
•
El sensor de gas seleccionado proporciono una gran confiabilidad en la
medición de niveles de gas, además su costo y su fácil configuración lo
hace un sensor adecuado para uso residencial y comercial.
92
6. RECOMENDACIONES
•
Una recomendación importante es que este sistema sea una herramienta
importante tanto en el sector industrial como residencial por su bajo costo y
su fidelidad del mismo.
•
Recomendamos que este prototipo no solo detecte gases tóxicos sino que
también detecte humo para prevenir posibles incendios.
•
Y por ultimo en caso que se vaya a implementar en sector industrial y/o
sector residencial durante todo el día se recomienda una batería recargable
y que el usuario lo consiga en el mercado.
93
7. BIBLIOGRAFÍA
Warner, Peter O. “Análisis de los Contaminantes del Aire” , Editora Paraninfo,
1985.
Kenneth Wark; Cecil F. Warner “Contaminación del Aire: Origen y Control” Editora
Limusa.
Dr. Mariano Seoanez Calvo y Equipo de Colaboradores, “Ingeniería del Medio
Ambiente” Ediciones Mundi-Prensa, Catelló 37-28001 Madrid.
Chou Jack. Hazardous Gas Monitor, Operation and Aplications.
W.Gobel, J Hessen and Zemel. Sensor a comprehensive survey chemical and
Biochemical Sensor.
VESGA F. Juan Carlos. Microcontroladores Motorola Freescale. Bogotá :
AlfaOmega, 2007
SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO. Resolución 14471 del
2002
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94
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Disponible en http:// www.ametekpi.com
CROWCON DETECTION INSTRUMENTS [Internet] [consultado 10 Octubre de
2009]. Disponible en http:// www.crowcon.com
DRÄGER SAFETY [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.draeger.com
GENERAL MONITORS [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.generalmonitors.com
BECKER [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.becker-international.com
SIMTRONICS [Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en
http:// www.simtronics.eu
CENELEC
[Internet] [consultado 10 Octubre de 2009]. Disponible en http://
www.cenelec.eu
INSTITUO NACIONALPARA EL HIGUIENE Y EL TRABAO [Internet] [consultado
11 Octubre de 2009]. Disponible en http:// www.insht.es
95
GLOSARIO
Atomización: fraccionar en pequeñas gotas el combustible para permitir quemarlo
con efectividad.
PPM: Partes Por Millón
Calor: es una forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una
diferencia de temperatura.
Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una
unidad de masa de una sustancia en un grado.
Calor latente: relativo a un cambio de estado, es la energía térmica necesaria
para que un kilogramo de una sustancia cambie de un estado de agregación a
otro.
Combustible: sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para
producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible
se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u
oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor.
Combustibles fósiles: sustancias ricas en energía que se han formado a partir de
plantas y microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles
fósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor
parte de la energía que mueve la moderna sociedad industrial.
Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un
aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles
comunes, el proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la
atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y
agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los
componentes menores del combustible.
96
Contenido en CO2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de CO2
contenido en los productos gaseosos secos de la combustión, con respecto al
volumen total de dichos productos.
Contenido en O2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de O2
contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al
volumen total de dichos productos.
Contenido en CO: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de CO
contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al
volumen total de dichos productos.
Contenido en NO2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de NO2
contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al
volumen total de dichos productos.
Eficiencia de la combustión: es la relación de porcentaje del calor que se extrae
de un combustible con el calor total que el mismo contiene.
Energía: capacidad de un sistema físico para realizar trabajo.
Entropía: función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico,
y por tanto su proximidad al equilibrio térmico.
Gases de escape: son los gases producto de la combustión en la cámara de
combustión de un motor.
Reacción química: proceso en el que una o más sustancias (los reactivos) se
transforman en otras sustancias diferentes (los productos de la reacción)
97
ANEXOS
ANEXO 1. DIAGRAMA DE PINES DE MICROCONTROLADOR MOTOROLA
68HC908GP32
98
ANEXO 2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y ELÉCTRICAS DEL
MICROCONTROLADOR 68HC908GP32
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
ANEXO 3. DISEÑO ELECTRÓNICO
PCB (printed circuit board)
3D pre visualización
PCB
109
interface 2D
110
COMPONENTES Y ENSAMBLADO
111
Prueba de funcionamiento
Producto final
112