SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO DE TEMPERATURA DE 30ºC HASTA 250ºC PARA NIDO DE LABORATORIO DE ANÁLISIS DE QUÍMICO-FARMACÉUTICA. 1 M. E. Rosas Baltazar , M. F. Hernández Flores, J. M. Carrión Delgado, J. I. Lara Villegas, V. Lagunes Barradas, M. A. Cerdán 1 Departamento de Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico Superior de Xalapa, Sección 5° de la Reserva Territorial S/N, 91096, Xalapa, Veracruz, México, miguel.rosas@itsx.edu.mx RESUMEN Es un sistema de control especializado para ser utilizado en laboratorios de análisis de químicofarmacéutico para poder realizar reacciones experimentales, el cual debe resistir y mantener una temperatura constante de funcionamiento que se encuentre entre los 30ºC y 250 °C; los equipos comerciales que existen para este propósito resultan ser poco eficientes en su funcionamiento, ya que el aislante y la resistencia en ocasiones se quema o se troza debido a la poca confiabilidad del control de temperatura. La parte central de este prototipo, es la generación de calor por medio de un arreglo de resistencias las cuales son controladas por medio de un microcontrolador ATMEGA16, el cual procesará las órdenes del usuario para desplegar la temperatura en un LCD, descargar la información por medio de puerto USB a una computadora y generar una gráfica de comportamiento del calor generado en el nido. El diseño de la estructura del nido debe ser a prueba de golpes. 1. INTRODUCCIÓN Los avances tecnológicos de los equipos que se emplean en los laboratorios de análisis es muy notorio actualmente ya que casi todos los sistemas son automatizados. Surge entonces la demanda de mejorar los equipos que no han sido desarrollados tecnológicamente un ejemplo es el nido. Por lo tanto, se ha planteado una forma de actualizar este equipo, ya que por no tener un control automático de temperatura las resistencias del nido se quemaban o en algunas ocasiones los aisladores de calor no podían contener la emisión de calor y llegaban a quemar a los usuarios. Esta situación nos lleva a identificar problemas sin solución satisfactoria. El objetivo fundamental de este trabajo es poder obtener un diseño que contenga el calor y sea controlado sin quemar a las personas. La propuesta del presente trabajo es diseñar el sistema de sensado de temperatura para generar los pulsos de control de un microcontrolador ATMEGA16 para que controle la temperatura del nido a un nivel deseado, que el usuario pueda tomar el nido sin temor a quemarse, que la estructura que sostiene al nido sea lo suficientemente resistente al uso rudo, 2. TEORÍA Generación de calor La generación de calor a la energía eléctrica se realiza en base a resistencias. La resistencia eléctrica es definida como la dificultad u oposición que una corriente eléctrica tiene para circular por un conductor eléctrico, por ello paga un cierto precio en forma de energía disipada por calor, la que es producida por esta circulación. Los electrones ganan energía cinética durante las trayectorias libres entre choques, y ceden a las partículas fijas, en cada choque, la misma cantidad de energía que habían ganado. La energía adquirida por las partículas fijas (que son fijas solo en el sentido de que su posición media no cambia) aumenta la amplitud de su vibración o sea, se convierte en calor. Para deducir la cantidad de calor desarrollada en un conductor por unidad de tiempo, hallaremos primero la expresión general de la potencia suministrada a una parte cualquiera de un circuito eléctrico. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, éste experimenta un aumento de temperatura. Este efecto se denomina efecto Joule. Es posible calcular la cantidad de calor que puede producir una corriente eléctrica en cierto tiempo, por medio de la ley de Joule. Aislante térmico Un aislante térmico es un material usado en la construcción y caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura. El mejor aislante térmico es el vacío, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío, éste se emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza aire, que gracias a su baja conductividad térmica y un bajo coeficiente de absorción de la radiación, constituye un elemento muy resistente al paso de calor. Sin embargo, el fenómeno de convección que se origina en las cámaras de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia térmica. Además el aire debe de estar seco, sin humedad, lo que es difícil de conseguir en las cámaras de aire. Por estas razones se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos. Sensor de temperatura tipo K (termopar) Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes. Los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener. 3. PARTE EXPERIMENTAL El diagrama a bloques que se presenta en la figura 1 ilustra la idea general del presente trabajo. Los componentes básicos son el oscilador, el circuito del sensor de temperatura, el Microcontrolador, el LCD del menú a seleccionar, el módulo de mando (teclado, para controlar la temperatura, desplegar datos en PC por medio de USB), la alarma, reset del sistema, circuito actuador para control de las resistencias. Microcontrolador El microcontrolador que se encuentra en la parte de transmisión es un ATMEGA16, el cual controla tanto la temperatura, despliegue en un LCD, alarma. Cuando el operario ya decidió la orden, el microcontrolador manda los pulsos necesarios al circuito de control de las resistencias, y después que terminó de enviar los pulsos despliega en el LCD la temperatura deseada y la actual. El código usado fue realizado en C++ para el microcontrolador. Se muestra el diagrama de flujo empleado para este proyecto en la figura 2. Figura 1. Esquema general de la aplicación La construcción del sistema de monitoreo y control de temperatura, se divide en subconjuntos, los cuales se mencionan a continuación: Etapa de sensado Sistema de control o Programación del convertidor analógico a digital o Conversión a temperatura o Normalización del sensor o Desplegado de datos en una pantalla LCD o Envío de los datos del microcontrolador al ordenador vía RS232 Desarrollo de la aplicación visual para la adquisición de los datos transmitidos del sistema de control. Figura 2. Diagramas de flujo del programa de control (izq.) y de interfase gráfica (der.) Diseño del prototipo El diseño del prototipo está cubierto de dos capas de aislante de fibra de vidrio ,el molde es una mezcla de fibra de vidrio con resina ,la parrilla eléctrica se buscó la indicada para este tipo de trabajo y las especificaciones necesarias para el fin que se va a utilizar y por supuesto con la certeza de encontrar refacciones para su mantenimiento de esta, consta de cableado de altas temperaturas con doble forro para altas temperatura ya que es el indicado cumple con normas de calidad sobre todo resistencia al calor . Figura 3. Prototipo de nido Comunicación entre el microcontrolador y la computadora Una vez que el dato de la temperatura ha sido procesado, se debe transmitir hacia la computadora para que pueda ser reprocesado y desplegado en pantalla de forma gráfica. Para ello se utiliza el protocolo de comunicación USART, de sus siglas en ingles “UNIVERSAL SINCRONOS ASINCRONOUS RECEIVE AND TRANSMIT”, “BUS DE SERIE UNIVERSAL SINCRONO Y ASINCRONO DE LECTURA Y ESCRITURA”. Se configura en modo de transmisión a 2400 baudios de velocidad, el tamaño la palabra es de 8 bits, con paridad impar y 1 bit de paro (2400,8,n,1). Para estandarizar los niveles de señal TTL provenientes del microcontrolador a la interfaz RS232 que soporta la computadora, se hace mediante hardware, utilizando el MAX232, el cual se muestra en la figura 4 Figura 4. Diagrama de conexiones del MAX232 Controlador de temperatura En la figura 5 se muestra el diagrama eléctrico del controlador de temperatura, éste consta de varios componentes electrónicos los cuales son: Microcontrolador, Pantalla de cristal líquido LCD, Fuente de alimentación, 1Sensor Termopar tipo K y fuente de alimentación. Figura 5: Diagrama eléctrico del controlador de temperatura La interfase gráfica ha sido desarrollada para que envíe un mensaje de error en caso de que algún sensor se encuentre desconectado. En la figura 6 se puede ver la ventana de la interfase gráfica: Figura 6. Interfase gráfica de temperatura en PC Los resultados obtenidos por el instrumento desarrollado para el monitoreo y control de temperatura en el horno de pruebas farmacéuticas tuvo el comportamiento esperado en las pruebas realizadas (la tabla representa el comportamiento en 3 días diferentes). Tiempo Medición termopar Medición patrón 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 35 min 40 min 45 min 250ºC 250ºC 250ºC 250ºC 250ºC 250ºC 250ºC 250ºC 250.1ºC 250.5ºC 250.2ºC 250.9ºC 250.6ºC 250.3ºC 250.9ºC 250ºC Tabla 1: Comportamiento del nido en el día 2 de operación 4. CONCLUSIONES El proyecto desarrollado en el presente trabajo es de gran ayuda para la gente que labora en laboratorios de análisis ya que evitaran accidentes de quemaduras así como que sus experimentos y procesos serán más fiables al controlar al temperatura de manera automática. En el estado actual del sistema, es posible realizar acciones básicas utilizando el canal de comunicación del sensor de temperatura con cables hacia otro microcontrolador transmisor; y lo que se planea es que más de un operario de nido pueda utilizar el sistema en red y tener percepción remota del sistema. Como se comentó al inicio de este artículo, la buena selección de los materiales apropiados, el diseño y las diversas pruebas aplicadas a los aislantes y a los recubrimientos fueron cruciales para el desarrollo de un equipo de calidad, confiable y seguro en su operación. El mejoramiento de un nido de calentamiento convencional aplicando todo lo descrito en este artículo, aumenta la prontitud de los experimentos en los laboratorios químico-farmacéuticos, facilitando la producción de nuevos fármacos. BIBLIOGRAFÍA 1. R. F. Coughlin & F. F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Prentice Hall., 5ª Edición, Capítulo 5, 6 y 7.. 2. A. P. Malvino, “Principios de Electrónica”, Mc. Graw Hill, 6 ª Edición Chapter 8 y 9. 3. Hojas de Datos de: ICM7242 4. Hojas de Datos de: MAX232 5. Hojas de Datos de: ATMEGA16 6. Hojas de Datos de: LM358 7. Hojas de Datos de: 74LS39 8. R. Boylestad, “Electrónica: Teoría de Circuitos”, Prentice Hall, 4ª Edición 9. Hojas de Datos de: CD4093