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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PORTÁTIL DE MONITOREO AMBIENTAL, MEDIANTE UN SISTEMA AUTÓNOMO DE
ADQUISICIÓN DE DATOS PORTÁTIL CON COMUNICACIÓN USB HACIA UN PC
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
JORGE ANIBAL SUNTAXI PICHUASAMIN
DIRECTOR: ING. LUIS ENRIQUE BARAJAS SÁNCHEZ
Quito, Enero 2015
DECLARACIÓN
Yo Jorge Aníbal Suntaxi Pichuasamín, declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
______________________
Jorge Aníbal Suntaxi Pichuasamín
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Jorge Aníbal Suntaxi
Pichuasamín, bajo mi supervisión.
Ing. Luis Barajas, Msc
DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTO
A mis padres por su apoyo incondicional en
todos los proyectos y objetivos que se han
presentado a lo largo de mi vida.
A mis hermanos Carina y William que siempre
han estado presente en los momentos más
difíciles para darme fuerzas y seguir adelante.
A mi primo Edwin por su ayuda constante.
A todos mis amigos de la universidad que
iniciamos juntos y a los que en el camino fueron
uniéndose gracias a “asuntos varios”.
Al Ingeniero Luis Barajas por su apoyo en el
desarrollo de este proyecto.
A la Ing. Ana Rodas por la propuesta de este
proyecto.
A los ingenieros de la Secretaria de Ambiente
por brindarme toda la apertura necesaria para
desarrollar el proyecto, a las cuales considero
unos amigos.
Jorge Aníbal Suntaxi Pichuasamín
DEDICATORIA
A mi madre que ha sido la directa responsable de
que haya culminado la carrera, que siempre me
apoyo con la buena energía y personalidad que
la caracterizan.
A mi padre que siempre estuvo pendiente en que
realicemos de la mejor manera toda actividad que
se presenta, porque nunca dejo que nos faltara
nada.
A mi hermana que la quiero mucho y estuvo
apoyándome incondicionalmente, a mi ñaño
William que se ha convertido en mí mejor amigo
compartiendo los mejores momentos junto a mí.
Jorge Aníbal Suntaxi Pichuasamín
i
CONTENIDO
CONTENIDO ...........................................................................................................................................................I
RESUMEN ............................................................................................................................................................ VI
PRESENTACIÓN .............................................................................................................................................. VII
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEORICOS, IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES Y
DIAGNÓSTICO DEL PROYECTO .................................................................................................................... 1
1.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA ........................................................................................... 2
1.2 CALIDAD DEL AIRE .................................................................................................................... 3
1.2.1 FUENTES DE CONTAMINACIÓN. ........................................................................................ 4
1.2.2 FUENTES FIJAS .................................................................................................................... 6
1.2.3 FUENTES MÓVILES .............................................................................................................. 6
1.2.4 CARACTERISTICAS DE LOS CONTAMINANTES COMUNES EN EL AIRE ....................... 6
1.2.4.1 Dióxido de azufre (SO2) .................................................................................................................................... 7 1.2.4.2 Dióxido de nitrógeno (NO2) ............................................................................................................................... 8
1.2.4.3 Monóxido de carbono (CO) ............................................................................................................................... 8 1.2.4.4 Dióxido de carbono (CO2) ............................................................................................................................... 10
1.2.4.5 Ozono (O3) ..................................................................................................................................................... 10
1.3 MEDICIÓN DE GASES ............................................................................................................. 11
1.3.1 CONCENTRACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ............................................................... 12
1.3.1.1 Métodos para la medición................................................................................................................................ 13
1.3.1.2 Monitoreo mediante sistemas pasivos. ............................................................................................................ 14 1.3.1.3 Monitoreo mediante sistemas activos. ............................................................................................................. 15
1.3.1.4 Monitoreo mediante analizadores automáticos. ............................................................................................... 15 1.3.1.5 Monitoreo mediante sensores remotos. ........................................................................................................... 16 1.3.1.6 Monitoreo mediante bioindicadores. ................................................................................................................ 16
1.4 TIPOS DE SENSORES Y TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN ........................................................ 17
1.4.1 TECNOLOGÍAS DE LA MEDICIÓN ..................................................................................... 17
1.4.1.1 Medición de partes por millón (PPM) ............................................................................................................... 17 1.4.1.2 Medición de la humedad relativa (RH) ............................................................................................................. 17 1.4.1.3 Medición de la temperatura (°C) ...................................................................................................................... 17
1.4.2 SENSORES DE GAS ........................................................................................................... 18
1.4.2.1 Sensores Electroquímicos ............................................................................................................................... 19 1.4.2.2. Sensores Catalíticos De Gases Combustibles ................................................................................................ 21
1.4.2.3. Sensores De Gas De Electrolito Sólido .......................................................................................................... 23 1.4.2.4. Sensores Infrarrojos ....................................................................................................................................... 24 1.4.2.5. Detectores de fotoionización .......................................................................................................................... 26
1.4.3 SENSORES DE HUMEDAD ................................................................................................ 27
ii
1.4.3.1 Mecánicos (por deformaciones) ....................................................................................................................... 27 1.4.3.2 Bulbo Húmedo/Bulbo Seco .............................................................................................................................. 28
1.4.3.3 Capacitivos ...................................................................................................................................................... 29 1.4.3.4 Bloque de Polímero Resistivo .......................................................................................................................... 29
1.4.4 SENSORES DE TEMPERATURA ....................................................................................... 30
1.4.4.1 Termómetros de Resistencia ........................................................................................................................... 30 1.4.4.2 Termistores ..................................................................................................................................................... 31 1.4.4.3 Termopares ..................................................................................................................................................... 31 1.4.4.4 Circuito Integrado ............................................................................................................................................ 32
1.5 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 32
1.6 OBJETIVOS DEL PROYECTO ................................................................................................. 33
1.6.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................... 33
1.6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................ 33
1.7 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................................... 33
1.7.1 JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL ............................................................................................. 33
1.7.2 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA ................................................................................................. 34
1.7.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA ............................................................................................... 34
1.8 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................. 35
1.9 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................................... 36
1.9.1 Técnicas de la investigación ................................................................................................. 36
1.9.2 Instrumentos de la investigación .......................................................................................... 36
1.10 DATOS PROPORCIONADOS POR LA REMMAQ ................................................................... 37
1.10.1 DESCRIPCIÓN DE LA REMMAQ ...................................................................................... 37
1.10.2 NORMA ECUATORIANA DE CALIDAD DEL AIRE (NCAA) ............................................. 39
1.11 SELECCIÓN DE LOS SENSORES DE GAS ............................................................................. 40
1.11.1 CARACTERISTICAS REQUERIDAS POR LOS SENSORES ........................................... 40
1.11.1.1 Estáticas........................................................................................................................................................ 40 1.11.1.2 Dinámicas ..................................................................................................................................................... 41
CAPÍTULO 2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA............................ 42
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO ................................................................................. 42
2.1.1 CARACTERÍSTICAS ............................................................................................................ 43
2.1.2 CONSUMO TOTAL DE POTENCIA DEL PROTOTIPO ...................................................... 45
2.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS .............................................................................................. 46
2.3 BANDEJA DE LA TARJETA DE LOS SENSORES DE GASES Y METEOROLÓGICOS ......... 47
2.3.1 SENSOR DE DIÓXIDO DE AZUFRE ................................................................................... 47
2.3.1.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 48 2.3.1.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 48
2.3.2 SENSOR DE DIÓXIDO DE NITRÓGENO ........................................................................... 49
2.3.2.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 50
iii
2.3.2.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 50
2.3.3 SENSOR DE OZONO MQ-131 ............................................................................................ 51
2.3.3.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 52 2.3.3.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 52
2.3.4 SENSOR DE MONÓXIDO DE CARBONO MQ-7 ................................................................ 54
2.3.4.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 54 2.3.4.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 55
2.3.5 SENSOR DE DIÓXIDO DE CARBONO MG-811 ................................................................. 56
2.3.5.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 57 2.3.5.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 57
2.3.6 SENSOR DE HUMEDAD ..................................................................................................... 59
2.3.6.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 60 2.3.6.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 61
2.3.7 SENSOR DE TEMPERATURA ............................................................................................ 63
2.3.7.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 63 2.3.7.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 64
2.3.8 SENSOR DE PRESIÓN ....................................................................................................... 65
2.3.8.1 Acoplamiento del sensor ................................................................................................................................. 66 2.3.8.2 Acondicionamiento del sensor ......................................................................................................................... 66
2.4 BANDEJA DE LA TARJETA PRINCIPAL .................................................................................. 67
2.4.1 FUENTE DE VOLTAJE REGULABLE.................................................................................. 68
2.4.2 CARGADOR DE BATERÍA ................................................................................................. 69
2.4.3 MICROCONTROLADORES ................................................................................................ 70
2.4.4 MEMORIA EEPROM 24LC256 ........................................................................................... 71
2.4.4.1 Cálculo del tiempo estimado de almacenamiento de datos ............................................................................. 72
2.4.5 RELOJ EN TIEMPO REAL DS1307 .................................................................................... 74
2.4.6 BATERIA RECARGABLE DE PLOMO................................................................................ 76
2.4.7 CONECTOR USB ................................................................................................................ 76
2.5 PANEL FRONTAL ..................................................................................................................... 77
2.5.1 DISPLAY LCD ...................................................................................................................... 77
2.5.2 PULSADORES ..................................................................................................................... 78
2.5.3 INTERRUPTOR .................................................................................................................... 78
2.6 ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO ............................................................................................. 81
2.6.1 CÁMARA DE GASES ........................................................................................................... 81
2.6.2 CABLES DE CONEXIÓN ..................................................................................................... 81
2.6.3 SOPORTE DE HIERRO ....................................................................................................... 81
2.6.4 CAJA METÁLICA .................................................................................................................. 82
CAPÍTULO 3. DESARROLLO DEL SOFTWARE DEL PROTOTIPO ................................................ 84
3.1 GENERALIDADES .................................................................................................................... 84
iv
3.1.1 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC18F4550 (UC1) ....................................... 84
3.1.2 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC16F876A (UC2) ....................................... 85
3.1.3 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC16F628A (UC3) ....................................... 85
3.2 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO ......................................................................... 85
3.2.1 MICROCODE STUDIO PICBASIC PRO .............................................................................. 85
3.2.2 EASYHID WIZARD ............................................................................................................... 86
3.2.3 WINPIC800 ........................................................................................................................... 88
3.2.3.1 Características ................................................................................................................................................ 88
3.2.4 VISUAL BASIC 6.0 ............................................................................................................... 88
3.2.5 PROTEUS 8.0 ...................................................................................................................... 89
3.3 CONFIGURACIÓN DEL CONVERSOR A/D MCP3208 ............................................................ 90
3.3.1 SUBRUTINA DE ENTRADAS ANÁLOGAS Y SALIDA DIGITAL ......................................... 91
3.3.1.1 Adquisición de la muestra................................................................................................................................ 91
3.4 DESARROLLO DE LOS PROGRAMAS DEL SISTEMA MICROPROCESADO ....................... 93
3.4.1 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR UNO (UC1) ................................. 93
3.4.2 SUBRUTINA MONITOREO DE GASES .............................................................................. 95
3.4.2.1 Adquisición de la muestra................................................................................................................................ 95
3.4.2.2 Voltaje ............................................................................................................................................................. 96 3.4.2.3 ppm-ppb .......................................................................................................................................................... 97
3.4.3 SUBRUTINA COMUNICACIÓN PC ..................................................................................... 99
3.4.3.1 Proceso de comunicación.............................................................................................................................. 100
3.4.4 SUBRUTINA INFORMACIÓN DE LOS SENSORES ......................................................... 102
3.4.5 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR DOS (UC2) ............................... 103
3.4.5.1 Adquisición de la muestra.............................................................................................................................. 104
3.4.6 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR TRES (UC3) ............................. 109
3.5 INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA CON VISUAL BASIC 6.0 .................................................... 112
3.5.1 DIAGRAMA DE FLUJO HMI .............................................................................................. 113
3.5.2 MONITOREAR ................................................................................................................... 114
3.5.3 DESCARGAR DATOS ....................................................................................................... 114
3.5.4 EXPORTAR DATOS........................................................................................................... 114
3.5.4 PARAR MONITOREO ........................................................................................................ 115
3.5.5 GRÁFICA EN TIEMPO REAL ............................................................................................ 115
3.5.6 SALIR ................................................................................................................................. 116
3.5.7 PARÁMETROS DE VISUALIZACIÓN ................................................................................ 116
3.6 COSTOS DEL PROTOTIPO ................................................................................................... 116
CAPÍTULO 4. PRUEBAS Y RESULTADOS .......................................................................................... 119
4.1 GENERALIDADES .................................................................................................................. 119
v
4.2 INFORMACIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR PARA LA CONCENTRACION DE GASES 119
4.3 PREPARACIÓN DE LOS EQUIPOS ....................................................................................... 120
4.4 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA VERIFICACIÓN DE LA RESPUESTA DEL
PROTOTIPO CON RESPECTO AL EQUIPO PATRÓN .................................................................... 120
4.5 PRUEBAS DEL SENSOR DE NO2 ......................................................................................... 122
4.6 PRUEBAS DEL SENSOR DE SO2 ......................................................................................... 124
4.7 PRUEBAS DEL SENSOR DE O3 ............................................................................................ 125
4.8 PRUEBAS DEL SENSOR DE CO ........................................................................................... 127
4.9 PRUEBAS DEL SENSOR DE CO2 ......................................................................................... 128
4.10 INFORMACIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR PARA LA MEDICION DE SENSORES
METEOROLÓGICOS ........................................................................................................................ 131
4.11 PREPARACIÓN DE LOS EQUIPOS ....................................................................................... 131
4.12 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA VERIFICACIÓN DE LA RESPUESTA DEL
PROTOTIPO CON RESPECTO AL EQUIPO PATRÓN .................................................................... 131
4.13 PRUEBAS DEL SENSOR DE PRESIÓN ................................................................................ 133
4.14 PRUEBAS DEL SENSOR DE TEMPERATURA ..................................................................... 134
4.15 PRUEBAS DEL SENSOR DE HUMEDAD .............................................................................. 135
4.16 CONTRASTACION DE LA TECNOLOGIA DE LOS EQUIPOS COMERCIALES CON
RESPECTO AL PROTOTIPO DE MONITOREO AMBIENTAL ........................................................ 136
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 138
5.1 CONCLUSIONES .................................................................................................................... 138
5.2 RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 140
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................................... 141
ANEXOS............................................................................................................................................ 144
vi
RESUMEN
El presente proyecto consiste en el desarrollo de un sistema autónomo de detección
de variables, almacenamiento y visualización que permite monitorear contaminantes
comunes atmosféricos cercano a fuentes fijas y parámetros meteorológicos.
El dispositivo realiza la medición de los gases de SO2 (dióxido de azufre), NO2
(dióxido de nitrógeno), CO (monóxido de carbono), O3 (ozono), CO2 (dióxido de
carbono) y parámetros meteorológicos de Temperatura, Presión, Humedad. Para
este propósito se utiliza un sistema microprocesado el cual permite la recepción,
visualización y el envío de datos vía USB hacia un PC.
Para la visualización de los resultados se cuenta con un LCD (Display de cristal
líquido) ubicado en la parte frontal del prototipo y el desarrollo del HMI (Interfaz
Hombre Máquina) en un entorno de programación gráfica que permiten obtener y
mostrar datos del prototipo en forma de tablas de mediciones y/o gráficos.
Por otro lado el prototipo cuenta con una batería que permiten realizar la toma de
muestras hasta un periodo de 3 horas y 5 cámaras de gases independientes para la
toma de las muestras.
vii
PRESENTACIÓN
El actual proyecto de construir un prototipo de monitoreo ayuda a la recolección de
datos en zonas urbanas y suburbanas en las cuales la Red de Monitoreo de la
Secretaría de Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito (REMMAQ) encargada de
garantizar la validez de los datos recogidos en las estaciones fijas existentes, con el
propósito de realizar mediciones en distintos lugares del país.
Para lo cual este proyecto ha desarrollado un sistema de monitoreo autónomo,
específicamente de los contaminantes más críticos que mide la REMMAQ, como
son: el dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2), monóxido de carbono
(CO), Ozono (O3) y como contaminante adicional dióxido de carbono (CO2),
adicional a los contaminantes se cuenta con sensores meteorológicos que miden la
presión, temperatura y humedad relativa en el lugar de la medición.
En el presente proyecto se ha desarrollado un prototipo de monitoreo ambiental
cercano a fuentes fijas mediante un sistema autónomo de adquisición de datos con
comunicación USB hacia un PC para el respectivo análisis.
En el primer capítulo se presenta al lector los fundamento teóricos de los elementos
a ser utilizados en el prototipo portátil de monitoreo. Éste es el marco donde está
enclavada esta tesis, se hace un análisis de las diferentes tecnologías de los
sensores así como sus características para el análisis de los contaminantes,
definiciones de la contaminación ambiental y se realiza un diagnóstico del proyecto,
en el cual se plantea el problema, objetivos, justificación y la metodología de
investigación.
En el segundo capítulo está detallado la descripción y estructura del equipo para
diseño y construcción del prototipo.
viii
En el tercer capítulo se presenta el desarrollo del software e implementación del
equipo.
En el cuarto capítulo se presenta las pruebas de funcionamiento y
consecuentemente el ajuste de los resultados.
En el quinto capítulo se presenta las conclusiones y recomendaciones que se
pudieron extraer del desarrollo del presente proyecto de titulación.
Finalmente en los anexos se presenta las características de todos los elementos a
utilizar en el proyecto.
1
CAPÍTULO 1.
FUNDAMENTOS TEORICOS, IDENTIFICACIÓN DE LAS
VARIABLES Y DIAGNÓSTICO DEL PROYECTO
“La contaminación ambiental siempre ha existido pues en parte es inherente a las
actividades del ser humano. Sin embargo, en años recientes se le ha debido
prestar siempre mayor atención, ya que ha aumentado la frecuencia y gravedad
de los incidentes de contaminación en todo el mundo y cada día hay más pruebas
de sus efectos adversos sobre el ambiente y la salud, aunque hasta hace
relativamente poco se considera que estos no existían, que no había pruebas
suficiente de ellos, o bien, que los efectos eran leves o inclusive signos de
progreso”. [1]
“Los efectos más graves de la contaminación ocurren cuando la entrada de
sustancias (naturales o sintéticas) al ambiente rebasa la capacidad de los
ecosistemas para asimilarlos y/o degradarlos”. [1]
“Existen muchas definiciones de contaminación ambiental pero, para fines
prácticos, se puede considerar que es la introducción o presencia de sustancias,
organismos o formas de energía en ambientes por un tiempo suficiente y bajo
condiciones tales que esas sustancias interfieren en la salud y la comodidad de
las personas, dañan los recursos naturales o alteran el equilibrio ecológico de la
zona”. [1]
El desarrollo a nivel industrial y comercial en el Ecuador específicamente en la
ciudad de Quito ha sido participe y autor principal de los efectos producidos por el
alto índice de contaminación ambiental en zonas urbanas, razón por la cual el
actual proyecto presenta alternativas para ayudar a controlar los efectos ya
mencionados, mediante una toma de muestras realizado por el sistema de
adquisición de datos.
2
Para intentar solucionar el problema las empresas se concentran en el desarrollo
y mejora de sistemas sensores que permitan detectar en un rango de sensibilidad
considerable los niveles de contaminación presentes en la atmósfera.
1.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
Se entiende por contaminación atmosférica la presencia en el aire de sustancias y
formas de energía que alteran la calidad del mismo, de modo que implique
riesgos, daño o molestia grave para las personas y bienes de cualquier
naturaleza.
“La contaminación atmosférica proviene fundamentalmente de la contaminación
industrial por combustión y las principales causas son la generación de
electricidad y el automóvil. También hay otras sustancias tóxicas que contaminan
la atmósfera como el plomo y el mercurio. Es importante que los habitantes de las
grandes ciudades tomen conciencia de que el ambiente ecológico es una
necesidad primaria. Se debería legislar sobre las sustancias que pueden ir a la
atmósfera y la concentración que no debe superarse.” [1]
“Los contaminantes más usuales que emiten los autos en el tráfico son el
monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, los compuestos orgánicos volátiles y
las micro-partículas. Por lo que se refiere a estas emisiones, los transportes en los
países desarrollados representan entre el 30 y el 90% del total. También hay
compuestos de plomo y una cantidad menor de dióxido de azufre y de sulfuro de
hidrógeno. El amianto se libera a la atmósfera al frenar. El tráfico es también una
fuente importante de dióxido de carbono”. [2]
“La contaminación atmosférica constituye un riesgo medio ambiental para la salud
y se estima que causa alrededor de dos millones de muertes prematuras al año
en todo el mundo. La exposición a los contaminantes atmosféricos se halla fuera
del control de los individuos y exige la actuación de las autoridades a escala
nacional, regional e incluso internacional. Las Directrices sobre Calidad del Aire
3
de la OMS constituyen el análisis más consensuado y actualizado sobre los
efectos de la contaminación en la salud y en él se recogen los parámetros de
calidad del aire que se recomiendan para reducir de modo significativo los riesgos
sanitarios”. [2]
Los problemas relacionados a la calidad del aire en las principales ciudades del
Ecuador se viene analizando desde hace ocho años, principalmente en la ciudad
de Quito (Figura 1.1), una de las principales fuentes de contaminación es el
aumento incontrolable del parque automotor y la mala calidad del combustible
empleado por vehículos ya que se genera aproximadamente 220000 toneladas
métricas por año de los cuales el 80% provienen del parque automotor, según
datos obtenidos por el Centro de Revisión Vehicular de la ciudad de Quito.
Figura 1.1. Contaminación del aire de Quito
1.2 CALIDAD DEL AIRE
“El gran aumento de los niveles de contaminación del aire constituye en la
actualidad uno de los problemas más importantes que afronta la sociedad en
general, dado su impacto negativo sobre el medio ambiente y la calidad de vida.
El desarrollo urbano experimentado por la ciudad de Quito en los últimos años ha
provocado la degradación de la calidad del aire causada por los contaminantes
del aire emitidos principalmente como productos de la quema de combustibles
4
fósiles en la transportación pública, en la generación de energía eléctrica y en los
procesos industriales. Adicionalmente la deforestación del bosque protector
causada por asentamientos marginales que provocan erosión del suelo
contribuyendo al deterioro mencionado. El hecho de que la ciudad de Quito está
ubicada en un valle cerrado por altas montañas que impiden una amplia
circulación de vientos dificulta la dispersión de los contaminantes, la altura de la
ciudad que permite una gran radiación solar la que fotoquímicamente transforma
a los contaminantes en oxidantes, su topografía que favorece las inversiones
térmicas donde un "techo" de aire caliente atrapa y concentra los contaminantes
dentro de la ciudad, el combatir la contaminación requiere de un esfuerzo
permanente y creciente de los sectores públicos y privados “.[2]
1.2.1 FUENTES DE CONTAMINACIÓN.
Estás pueden ser naturales o antropológicas:
Las fuentes antropológicas de la contaminación son más importantes como
causas de problemas de salud pública, su naturaleza y el tipo de contaminantes
que emiten son muy variadas. Por la actividad que las origina pueden clasificarse
en:
Industriales
Mineras
Agropecuarias
Artesanales
Domésticas
Por otra parte, en el caso particular de la contaminación atmosférica se clasifican
adicionalmente en:
Fijas, y
Móviles
Finalmente, dependiendo de su localización, ocasionalmente también se clasifican
como fuentes dispersas y localizadas a las que en algunos lugares se les llama
“puntuales” (pointsources). [3]
5
Tabla 1.1. Clasificación de las fuentes dispersas y localizadas de los contaminantes
atmosféricos [3]
Contaminante Fuentes
antropogénicas
Fuentes biogénicas Efectos
Dióxido de
carbono (CO2)
Combustión Descomposición de
materia orgánica.
Procesos
respiratorios.
Efecto invernadero
Monóxido de
carbono (CO)
Combustión
(especialmente en
el automotor)
Reacciones de
terpenos.
Incendios forestales.
Disminuye
absorción de
oxígeno por las
células rojas
Dióxido de
azufre (SO2)
Combustión de
carbón y petróleo.
Cocido de minerales
sulfurados.
Leña
Emisiones
volcánicas.
Lluvia ácida
Óxido de
nitrógeno (NO)
Combustión.
Aplicación de
fertilizantes
nitrogenados
Interacciones
biológicas en suelos
y aguas.
Incrementa
infecciones
respiratorias
Disminuye función
pulmonar en
asmáticos
Amoniaco
(NH4)
Tratamiento de
desechos
Descomposición
biológica.
Lluvia ácida
Hidrocar-buros
(HC)
Combustión,
evaporación de
combustibles y
pinturas
Refinerías e
Industria química
Procesos biológicos. Policíclicos: efectos
cancerígenos
precursores para la
formación de ozono
Ozono (O3) Fotocopiadoras Disociación
hemolítica de NO2
por radiación solar.
Oxidación de
hidrocarburos.
Altamente irritante
para ojos y pulmón
Disminución de
cosecha
Material
particulado
Combustión
Procesos
Erosión de suelos y
rocas.
Medio de transporte
para metales
6
(MP) industriales Polen de la
vegetación.
pesados e
hidrocarburos
Alergias
Plomo (Pb) Aditivo en gasolina
Actividades
industriales
Insumos agrícolas
Emisiones volcánicas Daños neurológicos
Reducción de la
capacidad de
aprendizaje en
niños
1.2.2 FUENTES FIJAS
La contaminación atmosférica es causada por los productos de combustión de
fuentes fijas como son o han sido, fábricas, centrales termoeléctricas, refinerías y
establecimientos dependientes de la grande y mediana industria.
1.2.3 FUENTES MÓVILES
Las fuentes móviles, como los vehículos en movimiento. Unas y otras emiten
contaminantes producidos principalmente por la combustión de los productos
derivados del petróleo. Los carros a gasolina principalmente contaminan porque
sus gases, combinados con la luz solar producen ozono, es una contaminación
invisible. Mientras la combustión de los carros a diesel contaminan produciendo
material particulado, el conocido hollín. [4]
1.2.4 CARACTERISTICAS DE LOS CONTAMINANTES COMUNES EN EL AIRE
La nueva información sobre los valores permitidos de concentración que no
afectan a la salud del ser humano al momento de respirar se encuentran en las
Guías de calidad de aire de la Organización Mundial de la Salud (OMS), muestra
en su publicación que los contaminantes más comunes y peligrosos que
perjudican el bienestar de los seres humanos son:
Dióxido de azufre(SO2)
Dióxido de nitrógeno(NO2)
7
Monóxido de carbono (CO)
Dióxido de carbono (CO2)
Ozono(O3)
Material particulado (MP)
Dentro de los contaminantes ya menciones excepto el material particulado, se
encuentran en un porcentaje considerable en la ciudad de Quito.
1.2.4.1 Dióxido de azufre (SO2)
El SO2 es un gas incoloro con un olor penetrante que se genera con la
combustión de fósiles (carbón y petróleo) y la fundición de menas que contienen
azufre. La principal fuente antropogénica del SO2 es la combustión de fósiles que
contienen azufre usados para la calefacción doméstica, la generación de
electricidad y los vehículos a motor. La concentración de SO2 en períodos
promedio de 10 minutos no debería superar los 500 µg/m3. Los estudios indican
que un porcentaje de las personas con asma experimenta cambios en la función
pulmonar y síntomas respiratorios tras períodos de exposición al SO2 de tan sólo
10 minutos. El SO2 puede afectar al sistema respiratorio, las funciones
pulmonares y causa irritación ocular. La inflamación del sistema respiratorio
provoca tos, secreción mucosa y agravamiento del asma y la bronquitis crónica.
Además aumenta la propensión de las personas a contraer infecciones del
sistema respiratorio. Los ingresos hospitalarios por cardiopatías y la mortalidad
aumentan en los días en que los niveles de SO2 son más elevados. En
combinación con el agua el SO2 se convierte en ácido sulfúrico que es el principal
componente de la lluvia ácida que causa la deforestación. [4]
Tabla 1.2. Concentración permitida de SO2 para el ser humano [4]
CONTAMINANTE VALORES PERMITIDOS
SO2
500 μg/m3 de media en 10 min
125 μg/m3de media en 24h
8
1.2.4.2 Dióxido de nitrógeno (NO2)
Como contaminante atmosférico, el NO2 puede correlacionarse con varias
actividades: En concentraciones de corta duración superiores a 200 mg/m3, es un
gas tóxico que causa una importante inflamación de las vías respiratorias. Es la
fuente principal de los aerosoles de nitrato que constituyen una parte importante
de las PM2.5 y en presencia de luz ultravioleta del ozono. Las principales fuentes
de emisiones antropogénicas de NO2 son los procesos de combustión
(calefacción, generación de electricidad y motores de vehículos y barcos).
Estudios epidemiológicos han revelado que los síntomas de bronquitis en niños
asmáticos aumentan en relación con la exposición prolongada a la disminución
del desarrollo de la función pulmonar, también se asocia con las concentraciones
de NO2 registradas (u observadas) actualmente en ciudades europeas y
norteamericanas. [4]
Tabla 1.3. Concentración permitida de NO2 para el ser humano [4]
CONTAMINANTE VALORES PERMITIDOS
NO2
200 μg/m3 de media en 1h
40 μg/m3 de media anual
El valor actual de 40 µg/m3 (de media anual) fijado en las Directrices de la OMS
para proteger a la población de los efectos nocivos para la salud del NO2 gaseoso
no ha cambiado respecto al recomendado en las directrices anteriores.
El óxido nítrico (NO), es un gas incoloro, reacciona con el oxígeno produciendo
dióxido de nitrógeno y se representa mediante la siguiente ecuación química:
2 NO (G) + O 2 (G) --------> 2 NO 2(G)
1.2.4.3 Monóxido de carbono (CO)
El monóxido de carbono (CO) es un gas inodoro e incoloro que se produce por la
combustión incompleta de compuestos de carbono, consecuentemente pueden
9
verterlo al aire los vehículos automotores y la industria, aunque en menor escala
algunos procesos naturales son capaces de emitirlo tales como los incendios
forestales o su emisión de los procesos naturales que se llevan a cabo en los
océanos.
El efecto dañino potencial principal de este contaminante lo constituye su afinidad
para combinarse con la hemoglobina dando lugar a una elevada formación de
carboxihemoglobina y como consecuencia disminuye la cantidad de
oxihemoglobina y por ende la entrega de oxígeno a los tejidos. Sin embargo, el
CO se combina unas 10 veces menos que el oxígeno con la hemoglobina y se
disocia unas 2200 veces menos que el oxígeno de la hemoglobina, lo que
significa que la afinidad química de la hemoglobina por el CO es 220 veces mayor
que por el oxígeno. [4]
Tabla 1.4. Concentración permitida de CO para el ser humano [4]
CONTAMINANTE NIVEL(PPM) EFECTO FISIOLÓGICO
CO
200 por 3 horas
600 por 1 hora
Dolor de cabeza
500 por 1 hora ó
1000 por 30 min.
Mareos, zumbidos de oídos,
nauseas, palpitaciones,
embotamiento
1600 por 2 horas
1600 por 20 min.
Muerte
Náuseas
3200 por 30 min.
Muerte
6400 de 10 - 15 min.
Muerte
12800 de 1 - 3 min
Muerte
10
1.2.4.4 Dióxido de carbono (CO2)
El dióxido de carbono es una magnitud objetiva para determinar la calidad del
aire. El ser humano respira este gas incoloro e inodoro que se muestra más activo
en proporción directa con la edad y la corpulencia. La concentración de dióxido de
carbono al aire libre oscila entre 360 ppm (partes por millón) en áreas de aire
limpio y 700 ppm en las ciudades. El valor máximo recomendado para los
interiores es de 1.000 ppm y el valor límite para oficinas es de 1.500 ppm. Hay
que tener mucha precaución ya que este valor límite se alcanza con cierta
facilidad. Por ejemplo, en una oficina de 25 metros cuadrados en la que trabajan
cuatro adultos y que ha sido recién ventilada la concentración de dióxido de
carbono asciende a 2.000 ppm una hora después de haber cerrado las ventanas
aislantes.
El dióxido de carbono sólo es perjudicial a partir de una concentración de un 5 %
del volumen (que son 50.000 ppm), no obstante a partir de concentraciones
mucho menores (a partir de valores entre 800 y 2.000 ppm) se pueden producir
molestias diversas como: dolor de cabeza, cansancio, pérdidas de concentración
y bajo rendimiento. [4]
Tabla 1.5. Concentración permitida de CO2 para el ser humano [4]
CONTAMINANTE NIVEL(PPM) EFECTO FISIOLÓGICO
CO2 >30000
Dolor de cabeza, mareos,
somnolencia y problemas
respiratorios.
1.2.4.5 Ozono (O3)
El ozono a nivel del suelo que no debe confundirse con la capa de ozono en la
atmósfera superior es uno de los principales componentes de la niebla tóxica.
Éste se forma por la reacción con la luz solar (fotoquímica) de contaminantes
como los óxidos de nitrógeno (NOx) procedentes de las emisiones de vehículos o
la industria y los compuestos orgánicos volátiles (COV) emitidos por los vehículos,
11
los disolventes y la industria. Los niveles de ozono más elevados se registran
durante los períodos de tiempo soleado.
El exceso de ozono en el aire puede producir efectos adversos de consideración
en la salud humana. Puede causar problemas respiratorios, provocar asma,
reducir la función pulmonar y originar enfermedades pulmonares. Actualmente se
trata de uno de los contaminantes atmosféricos que más preocupan en Europa.
Diversos estudios europeos han revelado que la mortalidad diaria y mortalidad por
cardiopatías aumentan un 0,3% y un 0,4% respectivamente con un aumento de
10 µg/m3 en la concentración de ozono. [4]
Tabla 1.6. Concentración permitida de SO2 para el ser humano [4]
CONTAMINANTE VALOR PERMITIDO
O3 100 μg/m3 de media en 8h
El ozono al igual que los demás peróxidos es muy reactivo y reacciona con el
óxido nítrico produciendo dióxido de nitrógeno y oxígeno.
O3 (G) + NO (G) --------> NO 2 (G) + O 2(G).
1.3 MEDICIÓN DE GASES
La medición de los contaminantes sirve para varias funciones, provee un criterio
cuantitativo sobre si los estándares de calidad del aire están superando o
logrando y en qué grado el grado de contaminación. La medición es necesaria
para determinar si algunos cambios nocivos en los niveles de contaminación
están ocurriendo, además sirve para determinar el cumplimiento de las normas de
calidad del aire y para diagnosticar las condiciones de creación de una nueva
fuente de contaminación.
12
Cuánto más se aproxime uno a la medición del tiempo real, más costoso se
volverá el equipo necesario debido a la sensibilidad requerida y a la cantidad de
datos que se han de almacenar y procesar. [5]
1.3.1 CONCENTRACIÓN DE LOS CONTAMINANTES
En la medición y análisis de contaminantes la concentración de los contaminantes
atmosféricos suele expresar en 3 tipos de unidades. La primera empleada para
contaminantes gaseosos es la parte por millón en volumen cuyo símbolo es ppm.
Algunas veces las concentraciones se expresan también en partes por mil
millones cuyo símbolo es ppb. La segunda unidad de concentración
frecuentemente utilizada está basada en el peso por unidad de volumen de aire
expresada en microgramos por metro cúbico, y cuyo símbolo es ug/m3. La tercera
unidad poco usada es la de miligramos por metro cúbico y el símbolo es mg/m3.
Para los sensores cuyo rango de trabajo viene expresado en ug/m3, se presenta
la opción de realizar la transformación de concentración a ppm, por facilidad de
trabajo se presenta la siguiente tabla de factores de transformación.
Tabla 1.7. Factores de transformación constantes a condiciones normales a 20ºC.
Temperatura 20 [ºC]
Presión 101325 [Pa]
Factores de Transformación
CO 1164,4 [(μg/m3)/ppm]
SO2 2663,2 [(μg/m3)/ppm]
NO 1247,4 [(μg/m3)/ppm]
NO2 1912,5 [(μg/m3)/ppm]
O3 1995,3 [(μg/m3)/ppm]
A continuación se presenta la ecuación 1 para la transformación de unidades:
( 1.1)
13
Ejemplo de cálculo para realizar la transformación a partir de una concentración
de 200 μg/m3 de CO a ppm, como se indica en el capítulo uno la ecuación (1.1) y
la tabla 1.7.
El método que se utiliza para la determinación de la concentración de un
contaminante en el aire se selecciona normalmente en vista de los respectivos
valores guía. En caso de ausencia de valores guía nacionales como es el caso de
casi todos los países en América del sur, las normas de países u organismos más
avanzados en cuanto al manejo de la calidad del aire brindan ayuda a los técnicos
encargados. [6]
1.3.1.1 Métodos para la medición
Existe una gran cantidad de metodologías para la medición de sustancias
gaseosas en el aire ambiente. Las comúnmente aceptadas como más importantes
son:
Monitoreo mediante sistemas pasivos.
Monitoreo mediante sistemas activos.
Monitoreo mediante sistemas automáticos.
Monitoreo mediante sensores remotos.
Monitoreo mediante bioindicadores.
Estos procedimientos orientan el muestreo, análisis, calibración de instrumentos y
cálculos de emisiones. La elección del método específico de análisis depende de
un número de factores, siendo los más importantes las características químicas
del contaminante y su estado físico-sólido, líquido o gaseoso.
14
Tabla 1.8. Métodos de medición
METODOS VENTAJAS INCONVENIENTES
Muestreadores
Pasivos
Muy bajo costo
Muy sencillos
Útiles para estudios de base
No útiles para algunos
contaminantes
En general dan medias
mensuales y anuales
Muestreadores
Activos
Bajo costo
Fácil de operar
Operación segura
Datos histórico
Medias diarias
Trabajo intensivo
Requiere análisis en el
laboratorio
Analizadores
Automáticos
Comprobados
Altas características
Datos horarios
Complejos
Costosos
1.3.1.2 Monitoreo mediante sistemas pasivos.
Este tipo de sistemas de medida se fundamentan en la absorción sobre un
sustrato específico que se encarga de retener el contaminante que se desea
analizar. Este contaminante llega al sustrato mediante un mecanismo de difusión
molecular a través del aire. Tras la exposición al aire ambiente estas muestras se
trasladan a un laboratorio en el que se produce la desorción de la sustancia
contaminante retenida para proceder a su análisis cuantitativo mediante técnicas
instrumentales.
Los sistemas pasivos de muestreo se caracterizan por su bajo costo y su
simplicidad, sobre todo en lo que respecta a la toma de la muestra e incluso al
análisis de laboratorio, que no precisa de un personal altamente calificado. De
hecho, entre todas las técnicas o metodologías que se plantean, estos sistemas
son los más económicos, pues sus costos son inferiores tanto en la fase de
instalación como en la fase de funcionamiento, y además los costos de
mantenimiento y los correspondientes a los análisis son mínimos.
15
1.3.1.3 Monitoreo mediante sistemas activos.
La diferencia fundamental entre los sistemas activos de monitoreo y los sistemas
pasivos radica en los mecanismos que favorecen el proceso de circulación del
aire. Así, mientras que un sistema pasivo no realiza ningún gasto energético en
captar el aire que desea medir, un sistema activo forzará el paso de una corriente
de aire en el interior del mismo gracias a la utilización de una bomba de
aspiración. Este aire que se introduce pasará a través de un reactivo químico
específico o bien hacia un medio físico de recolección, de tal modo que se pueda
obtener una muestra cuantificable y analizable, similar a la obtenida en los
sistemas pasivos, ya que esta muestra ha de trasladarse a un laboratorio para
proceder a su análisis cuantitativo.
En este tipo de sistemas, el volumen de aire que constituye la muestra es muy
superior al que se recoge en los sistemas pasivos, de tal modo que este método
proporciona una mayor sensibilidad, aunque a un más alto costo. Gracias a este
incremento de la sensibilidad, el sistema es muy adecuado de cara a la obtención
de datos sobre los promedios diarios de concentración de contaminantes.
1.3.1.4 Monitoreo mediante analizadores automáticos.
Los sistemas automáticos de análisis de contaminantes en el aire consisten en la
utilización de alguna propiedad física o química de dicha sustancia, que puede ser
detectada y cuantificada de forma continua, generalmente mediante el uso de
métodos óptico-electrónicos. Para que esto pueda producirse, la muestra de aire
que se desea medir entra en una cámara de reacción en la que alguna propiedad
óptica del contaminante pueda determinarse de forma directa o mediante la
generación de una reacción química que produzca un determinado fenómeno,
como puede ser el caso de la luz fluorescente o quimiluminiscente, tal y como se
verá en posteriores apartados referentes al análisis de unos contaminantes
concretos. Tras producirse esta serie de mecanismos ópticos, en el interior del
aparato de medición existe una fotocélula que detecta nada más producirse la luz
procedente de la cámara, produciendo una señal electrónica proporcional al tipo e
16
intensidad de la luz recibida y por tanto, también proporcional a la concentración
del contaminante.
Actualmente, la mayor parte de los sistemas de monitoreo son de este tipo ya que
existen estaciones integradas de medida para todos los contaminantes que son
mucho más rápidas y sencillas de utilizar, además de que están normalizadas las
técnicas por las que se ha de regir la cuantificación de cada contaminante.
1.3.1.5 Monitoreo mediante sensores remotos.
Generalmente, los equipos o estaciones de análisis automático para la medida de
contaminantes en el aire sólo proporcionan valores de la concentración de un
contaminante específico en un punto determinado del espacio. Sin embargo,
existe otra técnica de análisis y monitoreo consistente en la utilización de
sensores remotos, los cuales pueden dar valores correspondientes a una
medición integrada de varios componentes (sistemas multicomponente) dentro de
un espacio previamente especificado y a lo largo de éste, alcanzando unos
rangos espaciales que habitualmente son superiores a los 100 metros.
1.3.1.6 Monitoreo mediante bioindicadores.
El monitoreo mediante bioindicadores también conocido como biomonitorización,
es una técnica que consiste en observar la acción que produce el contaminante
determinado que se desea medir sobre algún ser vivo que sea sensible a este.
Esta técnica cubre un extenso rango de sistemas de muestreo y análisis, todos
ellos con un diferente grado de desarrollo, utilizándose en el caso del aire
generalmente plantas como bioindicadores.
17
1.4 TIPOS DE SENSORES Y TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN
1.4.1 TECNOLOGÍAS DE LA MEDICIÓN
1.4.1.1 Medición de partes por millón (PPM)
“Partes por millón (abreviado como ppm) es la unidad empleada usualmente para
valorar la presencia de elementos en pequeñas cantidades (traza) en una mezcla.
Generalmente suele referirse a porcentajes en peso en el caso de sólidos y en
volumen en el caso de gases (caso del ppm utilizado en calidad del aire). Así, 5
ppm de CO equivale a decir que existen 5 unidades de volumen de CO por cada
millón de unidades de volumen de aire. Por ejemplo, 5 ppm de CO serían 5 litros
de CO en cada millón de litros de aire”. [7]
1.4.1.2 Medición de la humedad relativa (RH)
“La humedad relativa en el medio ambiente es una cantidad numérica que indica
el cociente entre en la humedad absoluta del medio ambiente y la cantidad
máxima de vapor de agua que admite el aire por unidad de volumen, esta
cantidad se mide en porcentaje de humedad relativa (%) y su valor está
normalizado de tal forma que la humedad relativa máxima posible del medio
ambiente es del 100%, la determinación del valor de la humedad relativa del
medio ambiente está muy ligada a la temperatura del medio ambiente en el
momento de la medición, por lo que es común considerar y realizar la medición de
ambas variables al mismo tiempo”. [8]
1.4.1.3 Medición de la temperatura (°C)
La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con el calor
o frío cuando hay contacto. Los instrumentos utilizados son: termómetros de
líquido que se basan en la propiedad que tiene el mercurio, mientras que en otros
casos se utilizan sensores de temperatura.
18
1.4.2 SENSORES DE GAS
Una de las definiciones de acuerdo a la IUPAC, dispositivo capaz de registrar de
forma directa, continua y reversible un parámetro físico o la concentración en
presencia de una especie química (sensor químico). [9]
Figura 1.2. Analizadores de gases [9]
“Los sensores químicos constan de un conjunto de elementos que se pueden
agrupar en tres bloques básicos (Figura 1.2) que son: 1) el elemento de
reconocimiento capaz de interaccionar de forma selectiva con el analito o analitos
interacción que no tiene porqué ser a través de una reacción química; 2) el
elemento transductor mediante el cual se transforma la información química en
información física, generalmente eléctrica; 3) un sistema electrónico para la
amplificación y procesado de la señal que nos genera resultados en las unidades
químicas (molaridad, porcentaje) o físicas (presión) de interés”. [9]
19
Figura 1.3. Diagrama de bloques de un sensor químico [9]
1.4.2.1 Sensores Electroquímicos
Figura 1.4. Esquema de funcionamiento de un sensor electroquímico [9]
1.4.2.1.1 Principio 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”. [9]
1.4.2.1.2 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
20
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”. [9]
Características comunes:
Bajo Consumo de Energía. “Esto permite que el sensor sea usado en unidades
portátiles alimentadas con baterías”. [9]
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”. [9]
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”. [9]
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. En otras palabras, si el sensor es
expuesto a 50 ppm de amoníaco constantemente, el supuesto es que el sensor
sobrevive por 100 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
21
portátiles para aplicaciones de bajas concentraciones. Para aplicaciones
estacionarias, el uso es más limitado”. [9]
1.4.2.2. Sensores Catalíticos De Gases Combustibles
Figura 1.5. Esquema de un sensor electrolítico [9]
1.4.2.2.1 Principio de Operación
“Una mezcla combustible de gases no se quemará hasta que alcance la
temperatura de ignición en 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 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”. [9]
22
1.4.2.2.2 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”. [9]
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”. [9]
Expectativas de Vida: “Esto depende del fabricante y de la aplicación,
típicamente se específica de uno a dos años de vida útil”. [9]
Alteración del Catalizador: “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”. [9]
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. Los factores de corrección son exactos bajo condiciones
controladas tales como cuando se utilizan los mismos tipos de sensores con el
mismo calefactor y calibración. Ligeras diferencias entre sensores individuales o
cambios a medida que el sensor envejece pueden causar que los factores de
corrección cambien. Tenga presente también que la calidad de los sensores
catalíticos puede variar dramáticamente de un fabricante a otro”. [9]
23
1.4.2.3. Sensores De Gas De Electrolito Sólido
Figura 1.6. Esquema de un sensor de electrolito sólido [9]
1.4.2.3.1 Principio de Operación
“Un sensor de estado sólido se compone de uno o más óxidos metálicos de
metales de transición. Estos óxidos metálicos están preparados y procesados en
una pasta usada para formar un sensor en forma de burbuja. Un calefactor se
inserta en el sensor para mantener el sensor a una temperatura óptima para la
detección del gas. En presencia de un gas, el óxido metálico causa una
disociación del gas en iones cargados o complejos resultando la transferencia de
electrones. Un par de electrodos apropiados se insertan en el óxido metálico para
medir sus cambios de conductividad en forma de señal”. [9]
1.4.2.3.2 Características y Aplicaciones
“Los sensores de estado sólido están entre los más versátiles de todos los
sensores ya que ellos pueden ser usados para detectar una variedad de gases en
rangos de ppm bajos o rangos combustibles”. [9]
Versatilidad
“Diferentes características de respuesta de sensores se logran variando los
materiales de óxidos metálicos, técnicas de procesamiento y temperatura de
operación. Esto permite que los sensores de estado sólido detecten cientos de
24
gases en una variedad de rangos. A menudo, un sistema de monitoreo de gases
necesita monitorear varios gases en concentraciones a baja toxicidad y
concentraciones combustibles altas. La flexibilidad y versatilidad de los sensores
de estado sólido eliminan o minimizan el uso de otros tipos de sensores que
tienen que ser designados y mantenidos diferentemente”. [9]
Expectativas de Larga Vida
“Un sensor de estado sólido apropiadamente construido y usado en aplicaciones
normales tiene una expectativa de vida superior a los 10 años. Hay instancias en
sensores que han estado en operación continua por más de 25 años sin un
problema. La simplicidad en la construcción del sensor resulta en un sensor
robusto que puede resistir golpes y vibración y puede construirse para
configuraciones con cajas anti explosivas”. [9]
1.4.2.4. Sensores Infrarrojos
Figura 1.7. Esquema de funcionamiento de un sensor infrarrojo [9]
“Analizadores y monitores usan tecnologías infrarrojas, nosotros sólo hablaremos
del grupo de instrumentos que son simples, robustos y aptos para el monitoreo de
calidad del aire en áreas de trabajo”. [9]
1.4.2.4.1 Principio de Operación
“Gases cuyas moléculas tienen de dos o más átomos disímiles absorben la
radiación infrarroja en largos de ondas específicas. Esta energía absorbida causa
25
que se incremente la temperatura de las moléculas de gas. El cambio de
temperatura se mide como una concentración de gas”. [9]
1.4.2.4.2 Características y Aplicaciones
“El monitoreo usando un sensor infrarrojo se logra midiendo la interacción de la
radiación infrarroja con las moléculas de gas. Esto es diferente a la mayoría de las
otras tecnologías en las cuales los sensores están directamente en contacto con
el gas objetivo que puede causar fallas tempranas con sensores infrarrojos los
componentes principales están protegidos por aparatos ópticos y por esto, el
sensor puede ser usado en forma continua expuesto a altas concentraciones”. [9]
Robusto. “Los sensores al no estar expuestos directamente al gas, no se queman
o se saturan/fallan ni se alteran debido a una prolongada exposición al gas. Estos
problemas son generalmente asociados con otro tipo de sensores. Además, estos
son construidos comúnmente para satisfacer requerimientos anti explosivos”. [9]
Anti Falla. “Una pérdida de señal debido a la falla en uno de los componentes
activará la alarma. Cuando la lectura de gas del sensor indica cero significa que
está funcionando apropiadamente”. [9]
Aplicaciones. “Los sensores infrarrojos son ideales para aplicaciones de altas
concentraciones de hidrocarburos incluyendo rangos combustibles. También son
monitores efectivos para medir el dióxido de carbono”. [9]
26
1.4.2.5. Detectores de fotoionización
Figura 1.8. Esquema de funcionamiento de un sensor de fotoionización [9]
“Los detectores de fotoionización (PID) utilizan luz ultravioleta para ionizar las
moléculas de gas y se emplean comúnmente en la detección de compuestos
orgánicos volátiles (VOCs)”. [9]
1.4.2.5.1 Principio de Operación
“Una lámpara ultravioleta especialmente construida (UV) genera energía de
radiación UV. Las moléculas del gas se ionizan por esta radiación UV que es
medida como una concentración de gas. La lámpara tiene un nivel de radiación de
energía expresada en electrón-Volt (eV). La energía establecida para lámparas
estándares es de 8.4 eV, 9.6 eV, 10.6 eV y 11.7 eV. La de 10.6 eV es la más
práctica porque la lámpara es más robusta que otras. La lámpara de 11.7 eV usa
fluoruro de litio que es suave, frágil y fácilmente dañable. Gases con un potencial
de ionización por debajo del nivel de salida de la lámpara serán detectados. Por
ejemplo, benceno tiene un potencial de ionización de 9.4 eV y es detectable con
una lámpara de 9.6, 10.6 o 11.7 Ev”. [9]
1.4.2.5.2 Características y Aplicaciones
Buena Sensibilidad y Respuesta Rápida. “Estos detectores pueden detectar
muchos gases a bajas concentraciones con tiempo de respuesta rápido”. [9]
27
Selectividad. “Un detector PID detecta todos los gases con un potencial de
ionización bajo el nivel de energía de la lámpara”. [9]
Sólo Aplicaciones Portátiles. “La lámpara necesita ser limpiada a menudo y el
instrumento calibrado frecuentemente para mantener la precisión. Por esto los
instrumentos PID no son prácticos para aplicaciones de sistemas multisensor”. [9]
1.4.3 SENSORES DE HUMEDAD
1.4.3.1 Mecánicos (por deformaciones)
“La idea de este tipo de sensores es aprovechar los cambios en las dimensiones
que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más
afectados son algunas fibras orgánicas y sintéticas, como por ejemplo el cabello
humano. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamaño, es
decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna manera
(por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos) y debe ser graduada de
acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa” [10]. Lo anterior se
aprecia en el esquema de la Figura 1.9. Esquema de funcionamiento de un
sensor por deformación:
Figura 1.9. Esquema de funcionamiento de un sensor por deformación [10]
“El desplazamiento (ΔX) puede ser medido de diversas maneras, en la figura 1.9
se aprecia una de ellas la cual consiste en ubicar una banda extensométrica
(filamento resistivo que puede ser metálico o semiconductor) entre la parte móvil y
la estable. Al variar ΔX en forma proporcional a la humedad presente, también lo
28
hará la banda cambiando la resistencia de ella, luego la variación de la resistencia
puede ser convertida a voltaje usando algún circuito de medición de ΔR como lo
es el puente de Wheatstone. El error de medición de este tipo de sensores es
mínimo de 3% y su ventaja radica principalmente en que es fácil de reproducir, sin
embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales. Su
rango de operación es de humedades relativas entre 15% y 95% a temperatura
ambiente entre los –20[°C] y 70[°C]. Uno de los requisitos para lograr una
medición más confiable es que el aire circule a una velocidad de 3[m/s]”. [10]
1.4.3.2 Bulbo Húmedo/Bulbo Seco
“La psicometría desde hace tiempo es uno de los métodos más populares para la
monitorización de la humedad debido a su simplicidad y bajo costo. Un
psicómetro industrial típico consiste en un par de termómetros eléctricos
acoplados uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo
funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando
una diferencia cuantificable con la temperatura ambiente o la temperatura del
bulbo seco”. [8]
Figura 1.10. Esquema de funcionamiento de un sensor Psicómetro [10]
“El psicómetro provee una alta precisión en las proximidades del punto de
saturación (100% RH) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja
humedad relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el mantenimiento
debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores de 0° y, siendo el
propio psicómetro una fuente de humedad, no pude utilizarse tampoco en
29
ambientes pequeños o cerrados. Los psicómetros son utilizados típicamente para
control ambiental en recintos”. [10]
1.4.3.3 Capacitivos
“Son quizás los más difundidos en la industria y meteorología, pues son de fácil
producción, bajo costo y alta fidelidad. El principio en el cual se basa este tipo de
sensores, es en el cambio que sufre la capacidad (C en [Farad]) de un
condensador al variar la constante dieléctrica del mismo” [10]. Al utilizar la mezcla
gaseosa como dieléctrico entre las placas del condensador, el valor de este
estará determinado por:
( 1.2)
Dónde:
- C: es el valor de la capacidad.
- es la permitividad del dieléctrico (constante dieléctrica).
- A: el área de las placas del condensador.
- D: la distancia entre las placas del condensador.
1.4.3.4 Bloque de Polímero Resistivo
“Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una
rejilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la
humedad rodeada de una resina (polímero). La resina se recubre entonces con
una capa protectora (permeable al vapor de agua). A medida que la humedad
atraviesa la capa de protección el polímero resulta ionizado y estos iones se
movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una
corriente alterna la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular el
porcentaje de humedad relativa. Por su estructura, este tipo de sensores son
relativamente inmunes a la contaminación superficial. Debido a que los valores de
30
resistencia del sensor son extremadamente altos con niveles de humedad
menores del 20%, es apropiado para los rangos altos de humedad”. [10]
1.4.4 SENSORES DE TEMPERATURA
1.4.4.1 Termómetros de Resistencia
“La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las
características de resistencia en función de la temperatura que son propias del
elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de
hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y
protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el
conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de
resistencia” la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado
que cambia su temperatura”. [11]
La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente:
( 1.3)
Dónde:
-Ro: es la resistencia en ohmios a 0°C
-Rf: es la resistencia en ohmios a t °C
- : coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0° y 100° C es
de 0,003850Ω -1. °C-1.
-T: Temperatura en grados centígrados
31
1.4.4.2 Termistores
“Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de
temperatura de resistencia negativo(o positivo) de valor elevado, por lo que
presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios
relativamente pequeños en la temperatura”. [11]
A diferencia de los RTD, los termistores se basan en semiconductores y no en
conductores.
La salida de los termistores se conecta a circuitos de puente de Wheatstone
convencionales. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la
capacidad térmica y de la masa del termistor.
“La corriente que circula a través del circuito de medida debe ser baja para
garantizar que la variación de resistencia del elemento sea exclusivamente a los
cambios de temperatura del proceso”. [11]
1.4.4.3 Termopares
Los sensores más sencillos y más utilizados en la industria para determinar la
temperatura de un proceso. Constituido por la unión de dos metales, la cual es
sometida a la temperatura a ser medida.
Ventajas:
Respuesta rápida a las variaciones de temperatura.
No necesita alimentación.
Rango de temperatura grande:-270 a 3000°C.
Estabilidad a largo plazo y fiabilidad aceptable.
32
Desventajas:
Es susceptible al ataque químico de agentes oxidantes y ruido.
Respuesta no lineal.
La corriente por el termopar debe ser pequeña para despreciar el efecto
Joule.
1.4.4.4 Circuito Integrado
“Estos circuitos son muy adecuados para medir temperaturas cuando se usa un
sistema de toma de datos conectado en una computadora. Estos circuitos por lo
general tiene 3 pines: tierra, alimentación (Vc entre 5 a 15V) y salida”. [11]
La característica principal de estos circuitos es la de producir una señal muy lineal
y calibrada alrededor de 1 y 10mV/ºK. El rango de trabajo oscila entre -10 y
120°C.
1.5 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La adquisición de muestras en lugares de difícil acceso han delimitado la
información extra sobre la contaminación ambiental en el Distrito Metropolitano de
Quito, por esta razón se ha visto en la alternativa de la construcción de un
dispositivo de adquisición de datos para obtener una referencia a través del
proceso de toma de muestras en lugares en los cuales la REMMAQ podría
aumentar estaciones de monitoreo, éste prototipo serviría como un instrumento
didáctico de apoyo al departamento encargado del análisis de los diferentes
contaminantes, es de muy fácil ensamblaje y uso, sería el respaldo fundamental
para el mejor entendimiento de los objetivos de controlar y reducir la
contaminación ambiental.
33
1.6 OBJETIVOS DEL PROYECTO
A continuación se expondrán los objetivos del presente proyecto:
1.6.1 OBJETIVO GENERAL
Plantear, diseñar e implementar un instrumento electrónico de monitoreo
autónomo para el almacenamiento de datos provenientes de sensores de gas.
1.6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar y conocer las partes que componen un sistema autónomo de
monitoreo.
Plantear un sistema de recepción y almacenamiento de datos.
Identificar las características de los circuitos de transmisión para un óptimo
acople.
Construir el equipo de medición con un puerto USB para la transferencia de
los datos hacia la PC.
1.7 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La justificación de la investigación tiene como fin principal exponer todas las
razones por las cuales es importante realizar dicho estudio. Como toda
investigación esta deberá presentar un objetivo bien definido, por lo cual se
presenta a continuación:
1.7.1 JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL
Los contaminantes principales son los producidos en procesos de combustión
convencional en actividades de transporte, industrias, generación de energía
eléctrica y calefacción doméstica, la evaporación de disolventes orgánicos y las
emisiones de ozono.
34
El transporte es uno de los responsables directos de la contaminación debido a la
emisión de humo, por otra parte la combustión de derivados del petróleo producen
monóxido de carbono que afecta directamente a la respiración del ser humano
que en el caso de ser en grandes cantidades produce la muerte.
Otro contamínate perjudicial es el dióxido de azufre que sale de los tubos de
escape y de las chimeneas industriales, las mismas que blanquean las hojas de
las plantas afecta las cosechas y al igual que los óxidos de nitrógeno corroe los
metales.
1.7.2 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA
REMMAQ no cuentan con equipos suficientes para el monitoreo de la
contaminación ambiental en todo el Ecuador, dispositivo fundamental que
cumpliría una función de respaldo en cuanto a cubrir los objetivos de controlar la
contaminación ambiental no solo en la ciudad de Quito sino en todas que
presenten un riesgo para la salud, dando como resultado un proceso de análisis
aceptable.
1.7.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA
El prototipo será probado en las estaciones de la Red de Monitoreo Pasivo
(REMPA) de la REMMAQ con el fin de comparar los datos tomados con los
equipos que allí existen, luego proceder a la respectiva calibración y ayudar con
el análisis de las muestras respectivas en varios lugares puesto que todos los
equipos de la REMMAQ se encuentran monitoreando.
Quedará en el Laboratorio de Instrumentación de la Escuela Politécnica Nacional
y servirá para realizar análisis de la contaminación ambiental en Quito y poder
ofrecer el servicio que éste presta.
Conveniencia: El prototipo autónomo es un sistema de adquisición de datos
programable que permite mantener su funcionamiento las 24/7 obteniendo datos
bastante confiables.
35
Relevancia social: Permite hacer una proyección para el control y reducción de
los contaminantes y a la vez se puede minimizar los riesgos de salud que en la
sociedad existe.
Utilidad metodológica: Puede ayudar a crear un nuevo instrumento para
recolectar y/o analizar datos, ayuda a la definición de un concepto variable o
relación entre variables, pueden lograrse con ella mejoras de la forma de
experimentar con una o más variables, sugiere cómo estudiar más
adecuadamente una población.
1.8 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Una vez justificada la investigación, es necesario plantear las limitaciones dentro
de las cuales ésta se realizará. El periodo de estudio va a reducirse de acuerdo a
las características y vida útil de cada elemento a implementarse en el prototipo de
monitoreo que proporciona o garantiza el fabricante. Cabe mencionar que el
prototipo inicialmente se planteó para trabajar de forma portátil, sin embargo de
acuerdo a las características y forma de realizar mediciones por parte de los
técnicos de la REMMAQ se modificó las dimensiones del prototipo dando como
resultado un equipo de monitoreo.
El análisis de los contaminantes existentes en diferentes zonas están limitadas a
lugares bajo condiciones climáticas similares a las del Distrito Metropolitano de
Quito, caso contrario se reduciría la fiabilidad de una toma de muestras en un
gran porcentaje. La disponibilidad de recursos financieros para la realización del
proyecto de investigación, sin duda afecta potencialmente evitando implementar
sensores de mejor resolución.
36
1.9 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
1.9.1 TÉCNICAS DE LA INVESTIGACIÓN
El método científico es la más conveniente para ser aplicado en el desarrollo de la
investigación, ya que partiendo de lo que está disponible y basándose en
fundamentos científicos demostrados con anterioridad se quiere ampliar los
conocimientos.
Las bases científicas y técnicas al momento de realizar la implementación del
prototipo de monitoreo ambiental, deben aplicar conocimientos de la
instrumentación utilizada para el complemento del proyecto.
Para la obtención de datos e información se utilizaron diferentes instrumentos de
ayuda al investigador que se aplicaron dependiendo de la factibilidad y
optimización de recursos en cuanto al ahorro de tiempo útil se refiere, entre ellos:
La observación.- Esto se utiliza en manuales, tablas y documentos disponibles.
El análisis.- Los datos científicos y técnicos obtenidos de manuales, documentos
o textos se analizan con respecto al tema tratado.
1.9.2 INSTRUMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN
Software.- Este es un programa de simulación que ayuda a verificar la realidad
del entrono en referente al conocimiento que posee el tema investigado.
Registro en diario de campo.- Lo cual se realiza para anotar datos importante,
valores, periodos de mantenimiento o trabajos realizados en un determinado
tiempo.
37
1.10 DATOS PROPORCIONADOS POR LA REMMAQ
1.10.1 DESCRIPCIÓN DE LA REMMAQ
En las ciudades que están creciendo hay que tener una planeación adecuada,
integrar los planes económicos, urbanos y ambientales. Si va a ampliar una
ciudad se debe preguntar qué impactos urbanos y ecológicos tendría esa
ampliación, de este tipo de acciones se pueden tener resultados en el corto plazo;
en el caso de las grandes ciudades el control es difícil de lograr, lleva tiempo y
consume muchos recursos. Para combatir la contaminación hay que buscar
entender los problemas específicos: se necesita información sobre cuál es la
causa de estos problemas, hay que dar seguimiento a las políticas públicas y
exigir resultados y apoyar programas de control de la contaminación.
Quito es la ciudad pionera en el Ecuador y la región andina en la adopción de un
sistema universal y obligatorio de revisión del estado mecánico, de seguridad y de
emisiones. Esta medida es indispensable en nuestra ciudad, debido a su altitud y
topografía que demandan un esfuerzo mayor de las máquinas, lo que deriva en
una mayor generación de gases y partículas. A partir del 18 de febrero de 2004 se
constituyó la Corporación para el mejoramiento de la calidad del aire de Quito
(CORPAIRE) la cual se dividía en dos grandes ramas, las cuales son:
Red de Monitoreo Atmosférico de Quito (REMMAQ)
Revisión Técnica Vehicular (RTV)
A partir de la aprobación de la nueva constituyente que rige a partir del año 2008
las ramas de la Corpaire se dividieron y sus actividades se dividieron la REMMAQ
y la RTV a la Secretaría de Ambiente y Secretaría de Movilidad respectivamente.
La REMMAQ tiene como funciones principales:
“Producir datos confiables sobre la concentración de contaminantes atmosféricos
en el territorio del Distrito Metropolitano de Quito que sirvan como insumo para la
38
planificación, formulación, ejecución y evaluación de políticas y acciones
orientadas al mejoramiento de la calidad del aire y difundir esta información en
condiciones comprensibles para el público en general”. [12]
Nueve estaciones remotas de monitoreo con capacidad para analizar
automáticamente los siguientes contaminantes comunes del aire:
Monóxido de carbono (CO)
Dióxido de azufre (SO2)
Óxidos de nitrógeno (NO, NO2 y NOX)
Ozono (O3)
Material particulado fino o de diámetro menor a 2.5 micras (PM2.5)
Tabla 1.9. Disponibilidad de analizadores de gases y partículas en las estaciones
automáticas de la RAUTO [12]
39
Tabla 1.10. Concentración de contaminantes comunes que definen los niveles de alerta,
alarma y emergencia de la calidad de aire en μg/m3 y ppm, (NCAA, MARZO 2003) [12]
Contaminante y período de tiempo ALERTA ALARMA EMERGENCIA
Monóxido de carbono,
concentración promedio en 8
horas
15000 μg/m3
12.80 ppm
30000 μg/m3
25.76 ppm
40000 μg/m3
34.35 ppm
Ozono, concentración promedio
en 1 hora
300 μg/m3
0.15 ppm
600 μg/m3
0.30 ppm
800 μg/m3
0.40 ppm
Dióxido de nitrógeno,
concentración promedio en 1 hora
1200 μg/m3
0.62 ppm
2300 μg/m3
1.20 ppm
3000 μg/m3
1.56 ppm
Dióxido de azufre, concentración
promedio en 24 horas
800 μg/m3
0.30 ppm
1600 μg/m3
0.60 ppm
2100 μg/m3
0.78 ppm
1.10.2 NORMA ECUATORIANA DE CALIDAD DEL AIRE (NCAA)
Tabla 1.11. Valores de concentración permitidos de dióxido de azufre [12]
CONTAMINANTE VALORES PERMITIDOS
SO2
500 μg/m3 en 10 minutos
125 μg/m3 de media en 24 horas
60 μg/m3 de media anual
Tabla 1.12. Valores de concentración permitidos de dióxido de nitrógeno [12]
CONTAMINANTE VALORES PERMITIDOS
NO2
200 μg/m3 de media en 1hora
40 μg/m3 de media anual
40
Tabla 1.13. Valores de concentración permitidos de monóxido de carbono [12]
CONTAMINANTE VALORES PERMITIDOS
CO
10000 μg/m3 en un periodo continuo de 8 hora
30000 μg/m3 en un periodo de 1 hora,
máximo una vez al año
Tabla 1.14. Valores de concentración permitidos de ozono [12]
CONTAMINANTE VALOR PERMITIDO
O3
100 μg/m3 en un periodo continuo de 8h
160 μg/m3 en un periodo continuo de 1h
1.11 SELECCIÓN DE LOS SENSORES DE GAS
El objetivo fundamental de este proyecto es medir parámetros específicamente
concentraciones de NO2, SO2, CO2, CO, O3, temperatura, presión y humedad.
Para lo cual se ha tomado en consideración las siguientes características:
disponibilidad, resolución, precisión, tiempo de respuesta, rango y durabilidad.
1.11.1 CARACTERISTICAS REQUERIDAS POR LOS SENSORES
1.11.1.1 Estáticas
Campo de medida.- Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido
entre el máximo y el mínimo detectables por los diferentes sensores es primordial
para realizar un correcto análisis de la toma de muestras con una tolerancia de
error aceptable.
41
Resolución.- Es una característica fundamental, la misma que permitió escoger
los sensores teniendo en cuenta la diferencia entre dos valores próximos que el
sensor es capaz de distinguir.
Precisión.- Capacidad de obtener la misma salida cuando se realizan varias
lecturas de la misma entrada y en las mismas condiciones.
Disponibilidad.- La mayoría de los sensores presentados se los debe realizar
mediante importación en el caso restante se los puede adquirir en el mercado
nacional.
Durabilidad.- Es importante que se tenga un tiempo de vida útil mayor a un año
para que el equipo pueda funcionar a largo plazo.
1.11.1.2 Dinámicas
Velocidad de respuesta.- “Indica la rapidez con que el sistema de medida
responde a los cambios de la variable de entrada. En cuanto a la medida no
importa mucho que exista un retardo entre la magnitud aplicada a la entrada y la
indicación correspondiente a la salida. Pero si el sensor forma parte de un sistema
de control, este retardo puede dar lugar a oscilaciones”. [11]
42
CAPÍTULO 2.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL
SISTEMA
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO
Este capítulo describe el diseño y construcción de un prototipo portátil de
monitoreo ambiental, mediante un sistema autónomo de adquisición de datos con
comunicación USB hacia un PC, el cual incluye la fuentes de alimentación,
acondicionamientos de las señales analógicas y digitales, además el diseño del
circuito para la transmisión de datos. La fuente cumple con todas las seguridades
que el sistema necesita, tanto para el microcontrolador como para los sensores de
gas, presión, temperatura y humedad asegurando un monitoreo continuo.
Este proyecto tiene como objetivo fundamental realizar un monitoreo diario,
mensual o anual de variables ambientales, teniendo como solución el diseño de
un sistema autónomo de adquisición de datos portátil que permita recolectar
muestras de forma automática de los diferentes sensores de gases y
meteorológicos. La información obtenida de los sensores se presenta
Los datos se transmiten mediante comunicación USB desde el prototipo hacia el
PC luego de haber realizado el respectivo desarrollo de un programa.
Se debe aclarar que los rangos de los sensores implementados están fuera de lo
permitido por la norma ecuatoriana de calidad de aire, esto se justifica por el tipo
de tecnología y el costo de los mismos, sin embargo al contar con tanques de gas
de concentraciones altas en el laboratorio técnico de la Secretaría de Ambiente,
se logró realizar pruebas concluyendo que el prototipo es apto para medir
concentraciones en lugares altamente contaminados (chimeneas industriales), no
obstante el prototipo está diseñado de tal forma que se pueden reemplazar por
sensores con valores de voltaje entre 0V y 5V proporcional a la concentración
permitida en ppm de la calidad de aire.
43
2.1.1 CARACTERÍSTICAS
Un sistema de adquisición de datos es un instrumento de registro electrónico que
almacena los diversos cambios de las variables medidas en el tiempo, tales como:
Almacenar los datos proporcionados por los diferentes sensores de gas, y
meteorológicos que van a ser analizados. La muestra adquirida ya sea
analógica o digital necesita ser acondicionada de una forma adecuada para
la interpretación de los factores que intervienen.
Almacenar los datos en una memoria y mantener los registros históricos
del proceso del cual se está realizando el monitoreo, teniendo como
resultado final un reporte de los efectos ambientales que se pueden
suscitar.
Recolectar muestras así como la comunicación vía USB se encuentran
perfectamente controladas mediante un Circuito Integrado Programable
“PIC”.
Escoger cualquier parámetro que necesite visualizar en tiempo real, para lo
cual cuenta con baterías que aseguran su operación de trabajo continuo.
Memoria que dispone el sistema de acuerdo al número de muestras que se
necesita tomar cada cierto periodo de tiempo, aconsejable cada 2 minutos.
Capacidad de realizar hasta 5 mediciones de gas simultáneas,
seleccionables por el usuario.
Adquisición, manipulación y reporte en la PC.
La justificación de utilizar tres microcontroladores está basada en la forma de
realizar informes y mediciones en las estaciones de monitoreo de la REMMAQ,
las recomendaciones de los ingenieros de laboratorio técnico se muestran a
continuación:
Los equipos patrón de la Red de Monitoreo de la Secretaria de Ambiente
presentan en un display LCD los valores de los sensores meteorológicos
de forma continua, esto sirve para la realización de bitácora (registro de
44
valores de presión, temperatura y humedad), razón por la cual se utilizó un
microcontrolador PIC16F876.
El prototipo debe monitorear continuamente las concentraciones de gases,
para lo cual realiza la adquisición, almacenamiento, visualización y
comunicación USB hacia el PC para la presentación de los datos. Al
momento de manipular cualquier opción del menú, no permite visualizar
otros parámetros, razón por la cual se utilizó un microcontrolador
independiente PIC18F4550.
El registro de la fecha y hora se presenta en un display LCD independiente
para realizar el informe y validación de datos, esto significa tomar en
cuenta la hora a la que se empezó y se terminó de calibrar, grabar o borrar
los datos.
FUENTE
SWITCHINGFILTRO
CARGADOR
DE BATERIA
+/- 24V
5Ah
FUENTES REGULADAS
+5V, +6V, +12V
PIC18F4550
MCP3208
CONVERSOR
A/D
12 BITS
SENSORES
DE GAS
ACOPLAMIENTO
TARJETA DE CONTROL
PULSADORES
VISUALIZACION
LCD_A
PIC16F876
SENSORES
METEOROLOGICOS
ACOPLAMIENTO
VISUALIZACION
LCD_B
COMUNICACIÓN
PC-USB
PIC16F628
RELOJ
DS1307
PULSADORES
Figura 2.1. Diagrama de bloques del prototipo portátil de monitoreo ambiental
45
2.1.2 CONSUMO TOTAL DE POTENCIA DEL PROTOTIPO
El análisis del consumo de potencia y corriente están diseñados para los
siguientes elementos constitutivos del prototipo de la figura 2.2.
Figura 2.2. Diagrama de bloques del prototipo portátil de monitoreo
Tabla 2.1. Consumo especifico de corriente del prototipo
CONSUMO TOTAL
Corriente Voltaje Potencia
SENSORES DE GAS
SO2 10 mA 5 V 50 mW
NO2 10 mA 5 V 50 mW
CO 70 mA 5 V 350 mW
O3 183 mA 6 V 1098 mW
CO2 200 mA 6 V 1200 mW
SENSORES METEOROLOGICOS
MPX4115 7 mA 5 V 35 mW
HS1101 0,2 mA 5 V 1 mW
DS18B20 1 mA 5 V 5 mW
ELEMENTOS
LCD (3) 350 mA 5 V 1750 mW
MICROCONTROLADOR (3) 450 mA 5 V 2250 mW
MCP3208 20 mA 5 V 100 mW
CARGADOR DE BATERIAS 250 mA 5 V 1250 mW
TOTAL 1551,2 mA
46
2.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS
El PROTOTIPO PORTÁTIL DE MONITOREO AMBIENTAL consta de los
elementos que se muestra en la siguiente figura.
Figura 2.3. Elementos constitutivos del Prototipo Portátil de Monitoreo Ambiental
Las partes constitutivas del prototipo son:
Bandeja de la tarjeta de los sensores de gas y meteorológicos (1).
Bandeja de la tarjeta de principal (2).
Panel de usuario, control local (3).
Etapa física de medición (4, 5, 6)
47
2.3 BANDEJA DE LA TARJETA DE LOS SENSORES DE GASES Y
METEOROLÓGICOS
Figura 2.4. Tarjeta de Gases y Meteorológicos
2.3.1 SENSOR DE DIÓXIDO DE AZUFRE
Figura 2.5. Sensor Dióxido de Azufre SO2-BF [13]
Tabla 2.2. Parámetros de salida del sensor SO2-BF proporcionado por el fabricante [13]
RANGO (ppm) CORRIENTE (mA) VOLTAJE (V)
0 4 1
100 20 5
El sensor SO2-BF de Alphasense ofrece las siguientes ventajas:
Respuesta más rápida
Mayor precisión
Estabilidad superior
Vida útil más duradera.
48
2.3.1.1 Acoplamiento del sensor
Figura 2.6. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor de SO2 al
microcontrolador.
2.3.1.2 Acondicionamiento del sensor
El acondicionamiento está diseñado para convertir la señal de corriente a voltaje a
través de una resistencia de medición. La señal de 4 a 20mA se convierte en
voltaje de 1 a 5V
Diseño para la medición de voltaje de acuerdo a la ecuación 2.1.
( 2.1)
R1: Resistencia de medición, un valor de 250 , con esto se garantiza la señal de
salida deseada en voltaje.
Para evitar ruidos y mejorar la estabilización de la señal se colocan capacitores de
10nF y 100uF en cada fuente de alimentación de todos los diseños.
Al ser un transmisor 2-wire de 4 a 20 mA, la impedancia de los cables no afecta y
puede tener longitudes largas, sin embargo al conectar la resistencia para la
medición de voltaje se debe considerar inconvenientes como caída de voltaje en
la transmisión de la señal si así fuera el caso.
49
De acuerdo al diseño y forma física del prototipo se implementó el siguiente
circuito de acoplamiento.
Figura 2.7. Circuito de acoplamiento del sensor de SO2 al conversor A/D y
microcontrolador PIC18F4550
2.3.2 SENSOR DE DIÓXIDO DE NITRÓGENO
Figura 2.8. Sensor Dióxido de Nitrógeno NO2-AE [13]
Tabla 2.3. Parámetros de salida del sensor NO2-AE proporcionado por el fabricante [13]
RANGO (ppm) CORRIENTE (mA) VOLTAJE (V)
0 4 1
200 20 5
50
2.3.2.1 Acoplamiento del sensor
Figura 2.9. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor de NO2 al
microcontrolador PIC18F4550
2.3.2.2 Acondicionamiento del sensor
El acondicionamiento está diseñado para convertir la señal de corriente a voltaje a
través de una resistencia de medición. La señal de 4 a 20mA se convierte en
voltaje de 1 a 5V
Diseño para la medición de voltaje como se indica en el capítulo dos la ecuación
(2.1).
R2: Resistencia de medición, un valor de 250 , con esto se garantiza la señal de
salida deseada en voltaje.
Al ser un transmisor 2-wire de 4 a 20 mA, la impedancia de los cables no afecta y
puede tener longitudes largas, sin embargo al conectar la resistencia para la
medición de voltaje se debe considerar inconvenientes como caída de voltaje en
la transmisión de la señal si así fuera el caso.
De acuerdo al diseño y forma física del prototipo se implementó el siguiente
circuito de acoplamiento.
51
Figura 2.10. Circuito de acoplamiento del sensor de NO2 al conversor A/D y
microcontrolador PIC18F4550
2.3.3 SENSOR DE OZONO MQ-131
Figura 2.11. Sensor de Ozono MQ-131 [14]
El sensor de Ozono de tipo electrolito sólido, donde la conductividad del sensor
aumenta junto con la concentración de gas. Las características de este sensor
son:
La alta sensibilidad al Ozono
Larga vida y bajo coste
Simple circuito de impulsión
Tabla 2.4. Rangos de detección de la concentración de gas para el sensor de ozono
proporcionados por el fabricante [14]
RANGO (ppm) VOLTAJE (V)
0.01 1
2 4.75
52
2.3.3.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
Figura 2.12. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor al
microcontrolador
2.3.3.2 Acondicionamiento del sensor
Para iniciar con la medición de concentración, se alimenta a la bobina de
calentamiento (H-H) con un voltaje de 5V, luego se genera una concentración
mínima de 0.01 ppm y se mide el valor de RS, en este caso el valor es de 20 KΩ y
con una máxima concentración de 2 ppm RS equivale a 95 KΩ. La medición de
voltaje de salida del sensor se realiza a través de un divisor de voltaje como se
indica a continuación:
( 2.2)
Para:
Para:
53
Dónde:
Vin: Voltaje de alimentación 5V.
Vout: Voltaje de salida del sensor en función de la resistencia de sensado.
RS: Resistencia de sensado, al generar la mínima concentración de 0.01 ppm se
obtuvo una RS equivalente a 20 KΩ y con una máxima concentración de 2 ppm se
obtuvo una RS equivalente a 95 KΩ
RL1: Resistencia de carga, en este caso se colocó una resistencia de valor
comercial 100 KΩ.
El fabricante recomienda colocar un potenciómetro de 100 KΩ, pero para efectos
de implementación se debe colocar una resistencia fija de 100 KΩ, donde
depende exclusivamente de la variación de la RS del sensor. Para este proyecto
se realizaron pruebas generando diferentes puntos de concentración (calibración
multipunto), con lo cual se encuentra la ecuación lineal de calibración para la
conversión entre voltaje y concentración, dicha ecuación es parte del código
fuente del uC1. (Ver subrutina monitoreo de gases, adquisición de la muestra)
Figura 2.13. Circuito de acoplamiento del sensor de Ozono al conversor A/D y
microcontrolador PIC18F4550
54
2.3.4 SENSOR DE MONÓXIDO DE CARBONO MQ-7
Figura 2.14. Sensor de Monóxido de Carbono [15]
Características:
Alta sensibilidad al dióxido de carbono
Tamaño reducido
Larga vida y bajo costo
Detección de concentración de CO en la industria, o vehículos.
Tabla 2.5. Rangos de detección de la concentración de gas [15]
RANGO (ppm) VOLTAJE (V)
20 0.5
2000 4.75
2.3.4.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
Figura 2.15. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor al
microcontrolador
55
2.3.4.2 Acondicionamiento del sensor
Para iniciar con la medición de concentración, se alimenta a la bobina de
calentamiento (H-H) con un voltaje de 5V, luego se genera una concentración
mínima de 20 ppm y se mide el valor de RS, en este caso el valor es de 1 KΩ y
con una máxima concentración de 2000 ppm RS equivalente a 9.5 KΩ
La medición de voltaje de salida del sensor se realiza a través de un divisor de
voltaje como se indica a continuación:
( 2.3)
Para:
Para:
Dónde:
Vin: Voltaje de alimentación 5V.
Vout: Voltaje de salida del sensor en función de la resistencia de sensado.
RS: Resistencia de sensado, al generar la mínima concentración de 20 ppm se
obtuvo una RS equivalente a 1 KΩ y con una máxima concentración de 2000 ppm
se obtuvo una RS equivalente a 9,5 KΩ
RL2: Resistencia de carga, en este caso se colocó una resistencia de valor
comercial 10 KΩ.
56
El fabricante recomienda colocar un potenciómetro de 10 KΩ, pero para efectos
de implementación se debe colocar una resistencia fija de 10 KΩ, donde depende
exclusivamente de la variación de la RS del sensor. Para este proyecto se
realizaron pruebas generando diferentes puntos de concentración (calibración
multipunto), con lo cual se encuentra la ecuación lineal de calibración para la
conversión entre voltaje y concentración, dicha ecuación es parte del código
fuente del uC1. (Ver subrutina monitoreo de gases, adquisición de la muestra)
Figura 2.16. Circuito de acoplamiento del sensor de Monóxido de Carbono al conversor
A/D y microcontrolador PIC18F4550
2.3.5 SENSOR DE DIÓXIDO DE CARBONO MG-811
Figura 2.17. Sensor de Dióxido de Carbono [16]
Características:
Alta selectividad al dióxido de carbono
Tamaño reducido
Baja dependencia de la humedad
Larga vida y bajo costo
57
Tabla 2.6. Rangos de voltaje para el proceso de los datos [16]
VOLTAJE ENTRADA VOLTAJE SALIDA GANANCIA CONCENTRACIÓN
30mV 3V 100 350 ppm
50mV 5V 100 10000 ppm
2.3.5.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
Figura 2.18. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor al
microcontrolador
2.3.5.2 Acondicionamiento del sensor
La señal de salida proporcionada por el sensor de dióxido de carbono varía entre
30mV a 50mV, por lo que es necesario una etapa posterior de amplificación y
adecuación con lo que se logra una respuesta que varía desde 3V a 5V, se
utilizará un amplificador no inversor tomando la señal de los pines de salida del
sensor.
Para el diseño se utilizará un amplificador operacional LM358 como amplificador
diferencial para calcular la ganancia, de esta forma se amplifica la señal, cuyos
valores de voltaje de entrada y salida están definidos, se utiliza la siguiente
ecuación:
( 2.4)
58
Para 50mV:
Para 30mV:
De acuerdo a la ecuación 2.5 se encuentra el valor de la resistencia fija y
potenciómetro.
( 2.5)
Vout: Voltaje de salida en voltios entre 3 V y 5 V.
Vin: Voltaje de entrada en milivoltios 30mV y 50 mV.
G: Ganancia de la etapa de amplificación
POT1: Potenciómetro de ganancia para amplificar la señal
Para iniciar con la medición de concentración, se alimenta a la bobina de
calentamiento (H-H) con un voltaje de 5V, luego se registra el grado de
concentración que haya en ese instante dentro de los rangos de medición entre
350 ppm y 2000 ppm.
Para este proyecto se realizaron pruebas en campo directamente con la fuente
contaminante, a partir de lo cual se encuentra la ecuación lineal de calibración
para la conversión entre voltaje y concentración, dicha ecuación es parte del
código fuente del uC1. (Ver subrutina monitoreo de gases, adquisición de la
muestra)
59
Figura 2.19. Circuito de acoplamiento del sensor de dióxido de carbono al conversor A/D
y microcontrolador PIC18F4550
2.3.6 SENSOR DE HUMEDAD
Figura 2.20. Sensor de humedad relativa HS1101 [17]
“El sensor de humedad a utilizar será HS1101 de HUMIREL el cual es tipo
capacitivo. El cambio de la constante dieléctrica del sensor de humedad es
directamente proporcional a la humedad relativa del ambiente en que se
encuentra. Entre las principales ventajas se encuentran: su linealidad en un
amplio rango de humedades, su amplio rango de medida y su estabilidad a largo
plazo. A continuación se presenta los valores inversamente proporcionales entre
la frecuencia y la humedad relativa”. [17]
60
Tabla 2.7. Valores proporcionados por el fabricante [17]
FRECUENCIA (Hz) HUMEDAD RELATIVA
(%)
CAPACITANCIA
(pF)
7351 0 164
7224 10 167
7100 20 170
6976 30 173
6853 40 176
6728 50 179
6600 60 183
6468 70 187
6330 80 191
6186 90 195
6033 100 201
2.3.6.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
Figura 2.21. Diagrama de bloques para el manejo y envío de datos del sensor de
humedad al microcontrolador.
61
2.3.6.2 Acondicionamiento del sensor
Al ser un sensor capacitivo necesita un circuito oscilador en modo astable que
generar un tren de pulsos, para lo cual se utilizó un temporizador TLC555 del
fabricante Texas.
A partir de la tabla 2.7 proporcionada por el fabricante se calcula R54.
( 2.6)
, se colocó una resistencia R54= 47 .
Al reemplazar los valores fijos de resistencias se puede indicar la ecuación para
calcular la frecuencia en función de la capacitancia.
( 2.7)
Para la medición de frecuencia (número de pulsos en un segundo) se utilizó el
comando COUNT del programa PICBASIC. COUNT PIN, PERIODO, VAR
PIN: Por donde ingresa la señal
PERIODO: Esta dado en milisegundos
VAR: representa la variable en donde se almacena la información.
Para la medición de frecuencia se configura de la siguiente manera:
COUNT PORTA.1, 1000, FREC.
Para relacionar el %HR vs F se elaboró una ecuación de la recta en función de los
valores de la tabla 2.8 (Ver diagrama de flujo uC2, adquisición de la muestra).
62
Dónde:
F: Frecuencia del sensor de humedad.
C16: Capacitancia del sensor directamente proporcional a la humedad relativa.
R52 y R54: Resistencias de carga y descarga del sensor.
R51: Resistencia, equilibra la compensación de temperatura.
R53: Resistencia de protección contra cortocircuitos.
Figura 2.22. Circuito de acoplamiento del sensor de humedad relativa al microcontrolador
PIC16F876
63
2.3.7 SENSOR DE TEMPERATURA
Figura 2.23. Sensor de temperatura DS18B20 [18]
Para la elección del sensor DS18B20 de DALLAS Semiconductor nos hemos
guiado en las siguientes características.
Sensor digital.
Usa el protocolo 1-Wire que requiere de un solo pin para la comunicación.
Tiene un código de 64 bits grabado en su memoria ROM.
No requiere componentes externos.
El voltaje de alimentación está en una rango entre 3.0V a 5.5V.
La resolución del sensor la puede seleccionar el usuario entre 9 a 12 Bits.
La salida del sensor esta calibrada para entregar en grados centígrados.
Este sensor cumple con los requerimientos del prototipo como es: bajo
costo.
Tabla 2.8. Rangos de valores de humedad relativa en función de la frecuencia [18]
TEMPERATURA (ºC)
MINIMA - 50
MAXIMA + 125
2.3.7.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
64
Figura 2.24. Diagrama de bloques para el manejo y envío de datos del sensor de
temperatura.
2.3.7.2 Acondicionamiento del sensor
El sensor de temperatura es un dispositivo que se comunica de forma digital,
cuenta con tres terminales, los dos de alimentación y el pin “data” que necesita
una resistencia de pull up debido a que su pin de comunicación one wire está en
modo de colector abierto y poder inicializar el protocolo de comunicación. Este
sensor nos envía un código binario que al ser leído por el pic se interpreta como
un valor de temperatura.
Acople para el envío del código binario.
Figura 2.25. Circuito de acoplamiento del sensor de temperatura al microcontrolador
PIC16F876
Dónde:
R4: Resistencia de pull up.
65
2.3.8 SENSOR DE PRESIÓN
Figura 2.26. Sensor de Presión MPX 4115 [19]
“El funcionamiento de los sensores de presión de la serie MPX de Motorola está
basado en el diseño patentado del calibrador de fuerza. A diferencia de los
sensores de presión más convencionales que utilizan las cuatro resistencias
exactamente apareadas en una configuración de puente de Wheatstone, la serie
MPX utiliza solamente un único elemento piezoresistivo implantado en un
diafragma de silicio que sensa la tensión mecánica inducida en el diafragma por
una presión externa”. [19]
Para la selección del sensor de presión con salida análoga de voltaje se pidió
como requisito que trabaje en los rangos adecuados así como su variación lineal.
Este sensor está diseñado para obtener la presión absoluta del aire, con un error
máximo de solamente 1.5% entre 0 y 85 ºC, a pesar de ser un dispositivo de bajo
costo. La tensión de salida es proporcional a la presión atmosférica absoluta lo
que lo hace idóneo para trabajar como barómetro.
La presión absoluta es la presión de un fluido medido con referencia al vacío
perfecto o cero absoluto, es la suma de la presión manométrica (ejercida por un
fluido) y atmosférica (ejercida por el aire sobre la atmósfera), en este caso el
sensor mide la presión atmosférica o barométrica que es lo mismo.
Algunas de sus principales características son:
Rango de presión: 15 a 115 kPa.
Rango de temperatura: -40 a 125 ºC.
66
Sensibilidad: 46 mV/kPa.
Tiempo de respuesta: 1 ms.
Tabla 2.9. Características proporcionadas por el fabricante para el sensor MPX4115 [19]
RANGO (Kpa) VOLTAJE (V)
15 0.2
115 4.8
2.3.8.1 Acoplamiento del sensor
El acoplamiento es necesario de acuerdo al tipo de señal que nos proporcionan
los diferentes transductores (sensores).
Figura 2.27. Diagrama de bloques de alimentación y envío de datos del sensor al
microcontrolador
2.3.8.2 Acondicionamiento del sensor
Este sensor análogo entrega una señal de salida de voltaje entre 0.2 y 4.8 V,
razón por la cual la señal ingresará directamente al canal de conversión A/D del
microcontrolador PIC16F876 para el respectivo tratamiento de la señal.
67
Figura 2.28. Circuito de acoplamiento del sensor de presión al microcontrolador
PIC16F876
Los Datasheets de los sensores de gases y meteorológicos se encuentran en el
ANEXO A.
2.4 BANDEJA DE LA TARJETA PRINCIPAL
Figura 2.29. Bandeja de la tarjeta Principal
Para complementar la construcción del hardware, el prototipo está conformado
por los siguientes elementos:
Fuentes de voltaje regulable para la alimentación del prototipo
Cargador de baterías
Microcontroladores
Conversor A/D MCP3208.
Memoria EEPROM 24LC256.
Reloj en tiempo real DS1307.
Batería recargable de plomo 12V/5Ah.
Puerto USB tipo hembra.
68
2.4.1 FUENTE DE VOLTAJE REGULABLE
El diseño de la fuente se realizó en base al consumo total de los sensores y
demás elementos a implementarse cuyo resultado fue aproximadamente de 1.8 A,
la fuente principal de alimentación está constituida por una fuente switching
regulable de +24 V, debido a su estabilidad de funcionamiento cumpliendo con los
parámetros del diseño, sin embargo a esta fuente principal se acoplan una fuente
regulables de +5v, voltaje requeridos por las características de cada elemento
electrónico como lo indica el fabricante.
Figura 2.30. Diagrama circuital de la fuente regulada de +5V1 [20]
LM2596-ADJ: Es el regulador más adecuado por motivos de disipación de
calor y eficiencia con una capacidad de trabajo de hasta 3A, además de su
ventaja en la regulación de voltaje a la salida. Tres fuentes de
+5V,+6V,+12V diseñadas para alimentar exclusivamente a los sensores
que tienen incorporados resistencias de calentamiento para su
funcionamiento evitando que haya problemas y daños internos por
sobrecalentamiento. [18]
L1: Inductancias de 330uH de 1.5A son ideales para manejar el consumo
de corriente de los sensores, se opone a cambios bruscos de corriente. El
valor de la inductancia se debe a la frecuencia de conmutación que maneja
el regulador.
C8: Capacitores de entrada que ayudan a estabilizar la operación del
regulador.
C5, L1: Los capacitores de salida junto a las inductancias forman un bucle
regulador de conmutación para un funcionamiento estable y un voltaje de
salida de rizado aceptable.
69
R4: Potenciómetros que sirven para regular y obtener el voltaje deseado.
2.4.2 CARGADOR DE BATERÍA
Funcionamiento de la batería y sus elementos:
Batería de plomo de 12V y 5Ah como respaldo de energía.
Resistencias y capacitores de protección en forma de filtros para mejorar el
rizado.
El circuito está conformado por dos fuentes de alimentación de voltaje de
5V y 12V respectivamente. Al momento que el circuito esta alimentado con
12V el D4 se polariza directamente, lo mismo ocurre con la fuente de 5V
donde el D5 se polariza directamente y conduce. En el instante que se
pierde la energía entra en funcionamiento la batería de 12 V, donde los
diodos D3 y D6 se polarizan directamente mientras que los diodos D4 y D5
se polarizan inversamente proporcionando voltaje provisional al sistema
hasta que se restaure la energía.
C9, C10, C11, C12: Capacitores que mejoran el rizado
D3, D4, D5, D6: Diodos que sirven para conmutar cuando la polarización
cambia de directa a inversa.
Para regular la corriente de carga se necesita una resistencia de 2.35 de
acuerdo al fabricante (dos resistencias de valor estándar de 4.7 en
paralelo).
Para cargar la batería se asume un 5% de la corriente nominal, para evitar
sobrecargas.
70
Figura 2.31. Circuito de alimentación y batería de respaldo
Figura 2.32. Placa del cargador de batería con simulación en 3D
2.4.3 MICROCONTROLADORES
Las principales necesidades que hacen que el prototipo de monitoreo requiera de
3 microcontroladores son las siguientes:
Poder contar con un LCD de visualización de los principales parámetros del
sistema.
Utilizar un teclado para ingresar la variable que se desea controlar.
Debido a que el sensor de humedad relativa tiene como salida una señal
de frecuencia variable es necesario utilizar un microcontrolador que mida
dicha frecuencia y la guarde en un registro de 8 bits.
71
Utilizar el conversor A/D para manejar la señal análoga de voltaje del
sensor de presión.
Los microcontroladores a utilizar son:
PIC16F628A [21]
PIC16F876A [21]
PIC18F4550 [21]
2.4.4 MEMORIA EEPROM 24LC256
La cantidad de datos que van hacer almacenados requieren de una memoria
externa, por la cual se usa la memoria EEPROM 24LC256. [21]
La memoria 24LC256 fabricada por Microchip tiene una capacidad de
almacenamiento de 256Kbits (32 Kbyte). Sobre el mismo bus se puede conectar
hasta ocho memorias 24LC256, que permite alcanzar una capacidad de
almacenamiento máxima de 256 Kbyte. Como en todas las memorias de la familia
24XXXXX, la dirección de identificación o byte de control comienza con 1010.
Seguidamente, tres bits llamados A2, A1 y A0 permiten seleccionar una de las
ocho posibles memorias conectadas en el bus, un bit que activa la opción de
lectura o escritura.
Figura 2.33. Diagrama del control de bits en la memoria 24LC256 [21]
72
Tabla 2.10. Características de la memoria EEPROM [21]
Función Especificación
Tiempo de escritura 5 ms
Ciclo de lectura/escritura 1.000.000
Velocidad máxima de operación 400 KHz
Consumo durante la escritura 3 mA / 5.5 V
Consumo durante la lectura 400 uA / 5.5 V
Consumo de estado inactivo 100nA / 5.5 V
Tabla 2.11. Descripción de pines de la memoria EEPROM [21]
Pin # Símbolo Función
1 A0 Establecen parte de la dirección de esclavo de este dispositivo.
2 A1 Establecen parte de la dirección de esclavo de este dispositivo.
3 A2 Establecen parte de la dirección de esclavo de este dispositivo.
4 VSS Tierra
5 VCC Alimentación 5V.
6 SCL Sincronización de direcciones
7 SDA Transferencia de direcciones
8 WP Protección contra escritura: Conectado a VSS para desactivarlo.
2.4.4.1 Cálculo del tiempo estimado de almacenamiento de datos
El espacio de memoria disponible a través de dos registros de 8 bytes es de
32768 datos. Los datos que maneja cada memoria son: día, mes, año, hora,
minuto, contaminante.
Número de datos por cada memoria
(2.8)
Tiempo estimado en días cada 2 minutos.
(2.9)
73
Resistencias de pull up.
El arreglo de las 8 memorias se realizó en función del número de datos que se va
a almacenar, por facilidad de programación en la lectura de datos se almacena 1
dato en cada memoria, 5 memorias almacenan los datos de día, mes, año, hora y
minutos, mientras que en una sexta memoria se guarda los datos de los
contaminantes, esto limita a la sexta parte de almacenamiento en días
(aproximadamente 8 días).
Una alternativa diferente de almacenar los datos hasta 42 días sería lo ideal. Para
lo cual se debe guardar un contaminante en cada memoria (total 5) y en una sexta
memoria la hora y fecha.
Sin embargo al presentar estas alternativas se escogió la primera debido a que en
la práctica la información almacenada se descarga cada tres días.
74
Figura 2.34 Circuito de acoplamiento de las memorias EEPROM al microcontrolador
PIC18F4550
2.4.5 RELOJ EN TIEMPO REAL DS1307
Las características del DS1307 se acoplan a las necesidades de manejar un
histórico de la hora, minutos, segundos, año, mes y día en que se realizó la toma
de muestras para luego ser almacenada en la memoria EEPROM del
microcontrolador. El DS1307 es un dispositivo que trabaja en modo esclavo a
través de una interfaz serial que cuenta con dos cables para recibir y enviar
información, la interfaz bidireccional empleada es I2C la cual utiliza los siguientes
pines de comunicación:
75
SDA, señal por donde viajan los datos entre los dispositivos.
SCL, entrada de reloj para sincronizar la transferencia de datos en la interfaz
serial.
VCC, voltaje de alimentación.
GND, referencia conectada a los demás dispositivos.
X1 y X2, conexiones para un cristal de cuarzo estándar de 32,768 Hz.
VBAT, Entrada de alimentación de una pila estándar de litio de 3 Voltios. El voltaje
debe estar entre 2.5 y 3.5 voltios para una operación apropiada.
Las líneas de SDA y SCL requieren de resistencias de pull up R7 y R8 cuyo valor
recomendado es de 4.7 K para activarse y que permiten obtener la configuración
necesaria, además basa su funcionamiento en un oscilador externo de cristal de
cuarzo de alta precisión, con una frecuencia de 32,768 KHz, para una adecuada
comunicación. A esto se adjunta un circuito adicional con una batería de litio de
3V, que les sirve como soporte de alimentación de voltaje para evitar que se
reinicialicen y pierdan la cuenta del tiempo. [20]
Figura 2.35. Circuito de acoplamiento del reloj en tiempo real al microcontrolador
PIC16F628
76
2.4.6 BATERIA RECARGABLE DE PLOMO
La batería para recargarse se conecta a la red de 24V. Al momento de la
desconexión de la red, la batería con la característica de servicio de 12V/5Ah
cumple con los requisitos del prototipo que de acuerdo al consumo de carga
serviría durante 3 horas de muestreo.
Figura 2.36. Batería recargable de plomo
2.4.7 CONECTOR USB
Sirve para el envío de datos hacia la PC, el USB seleccionado es de tipo B
hembra.
Figura 2.37. Puerto USB tipo B hembra
Figura 2.38. Distribución de pines del conector USB tipo B hembra
77
2.5 PANEL FRONTAL
2.5.1 DISPLAY LCD
El LCD_A principal maneja un formato de 20 caracteres x 4 líneas, una interfaz
de datos de entrada de 4 u 8 bits. Su luz de fondo es de color azul y el color del
texto es blanco. Mediante este elemento se puede visualizar los siguientes
parámetros:
Concentración de los sensores de gas.
Comunicación con la PC.
Información de los sensores.
El LCD_B que muestra las medidas de los sensores meteorológicos de
temperatura, presión y humedad relativa maneja un formato de 16 caracteres x 2
líneas, una interfaz de datos de entrada de 4 u 8 bits. Su luz de fondo es de color
verde y el color del texto es blanco.
El LCD_C que muestra la fecha y hora maneja un formato de 16 caracteres x 2
líneas, una interfaz de datos de entrada de 4 u 8 bits. Su luz de fondo es de color
verde y el color del texto es blanco.
Tabla 2.12. Descripción de pines de interfaz del LCD
Pin # Símbolo Función
1 VSS Fuente de alimentación del LCD (GND1)
2 VDD Fuente de alimentación del LCD (5 VCC)
3 VO Para el control de la luz del LCD(variable 0-5V)
4 RS(C/D) H: Dato L: Instrucción
5 R/W H: Dato de lectura L: Dato de escritura
6 E Señal de habilitación
7-14 DB0-DB7 Bus de datos
15 A Alimentación para el Ánodo del LCD (5Vcc)
16 K Alimentación para el Cátodo del LCD (GND1)
78
Figura 2.39. Diagrama de distribución de pines del LCD 20X4 y 16x2.
2.5.2 PULSADORES
En él prototipo portátil de monitoreo se tiene 6 pulsadores para el control
del prototipo, adicional a esto se cuenta con tres pulsadores mas para el
manejo del reloj.
Las teclas F1, F2, F3, F4, F5 y ESC del monitor principal, se utiliza para
desplegar todas las opciones que se desea visualizar y controlar, cada
opción despliega diferentes acciones de acuerdo a la variable o parámetro
que se vaya a manejar.
Las teclas F1, F2, F3 del reloj sirven para incrementar, decrementar y
seleccionar la hora y fecha actual.
2.5.3 INTERRUPTOR
ON/OFF.- Es el encargado de conectar o desconectar la energía eléctrica
de todos los dispositivos del módulo.
Batería.- Activa la carga de la misma y mantiene la energía durante un
tiempo aproximado de 3 horas.
79
Figura 2.40. Panel frontal de usuario
Figura 2.41. Circuito de la tarjeta de control de adquisición de datos con simulación en
3D
80
Figura 2.42. Circuito de la tarjeta de control de adquisición de datos
Los Datasheets de los microcontroladores y elementos adicionales se encuentran
en el ANEXO B.
81
2.6 ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO
2.6.1 CÁMARA DE GASES
Cada sensor de gas cuenta con una cámara independiente para la toma de
muestras de la concentración de contaminación ambiental, así como la calibración
que el prototipo lo requiera.
Las cámaras tienen una entrada frontal en el centro por donde ingresan las
muestras y por la parte lateral por donde sale el gas para evitar la contaminación.
2.6.2 CABLES DE CONEXIÓN
Cada sensor tiene puesto el nombre correspondiente para una adecuada
conexión y evitar daños producidos por cortocircuitos.
2.6.3 SOPORTE DE HIERRO
El prototipo de monitoreo cuenta con la facilidad de ensamblar la etapa física de
medición con la caja metálica para su fácil movilización.
Figura 2.43. Cámaras independientes de toma de muestras y calibración de los sensores
de gas.
82
2.6.4 CAJA METÁLICA
El prototipo de monitoreo en su parte interna cuenta con la facilidad de ensamblar
las siguientes bandejas y panel de control.
Bandeja de la tarjeta principal
Bandeja de la tarjeta de gases y meteorológicos
Figura 2.44. Estructura interna del prototipo.
83
a) Ensamblaje del prototipo
b) Presentación del prototipo final
Figura 2.45. Implementación del prototipo final
84
CAPÍTULO 3.
DESARROLLO DEL SOFTWARE DEL PROTOTIPO
3.1 GENERALIDADES
El desarrollo del software para la interfaz gráfica y programación de los
microcontroladores son puntos específicos que se tratan en este capítulo.
El software para el desarrollo de la interfaz gráfica para el computador se realizó
en el programa VISUAL BASIC 6.0.
La programación del prototipo portátil de monitoreo MPP08, consta de 3 etapas.
La primera es la visualización de los parámetros monitoreados de gases y
meteorológicos. La segunda etapa se encarga del almacenamiento en memorias
EEPROM de los parámetros monitoreados. La tercera etapa se encarga de la
comunicación entre el microcontrolador y la PC a través del puerto USB, en esta
etapa se pueden visualizar todos los parámetros mencionados. [22]
3.1.1 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC18F4550 (UC1)
Recibe los datos de los sensores de gases a través del conversor A/D
MCP3208 con una resolución de 12 bits para mejorar la toma de las
concentraciones de gases, para lo cual se debe realizar la programación en
el microcontrolador.
Realiza el control del manejo de datos de todos los sensores de
concentraciones de gases.
Realiza la comunicación vía USB hacia la PC
Maneja una memoria externa para el almacenamiento de los datos.
Maneja el teclado para el control de los parámetros y variables a medir.
Finalmente todas las variables son enviada a un LCD 4x20 para su
visualización.
85
3.1.2 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC16F876A (UC2)
Recibe e interpreta los datos de los sensores meteorológicos.
Visualización de las variables en un LCD 2x16.
3.1.3 FUNCIONES DEL MICROCONTROLADOR PIC16F628A (UC3)
Comunicación serial a través del reloj DS1307.
Teclado para la igualación del reloj.
Visualización de la fecha y hora en un LCD 2X16.
3.2 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO
Para que el hardware construido funcione se necesita desarrollar el software
correspondiente. A continuación se presenta las herramientas de programación
de desarrollo y simulación:
Microcode Studio PicBasic Pro
EasyHID
WinPic800
VisualBasic 6.0
Proteus 8.0
3.2.1 MICROCODE STUDIO PICBASIC PRO
MicroCode es un programa editor de texto hecho exclusivamente para facilitar la
programación y comunicación USB de los microcontroladores PIC y la PC que
trabaja en el lenguaje BASIC. Al terminar el programa se compila y se genera un
archivo *.HEX, previo al guardar con la extensión *.BAS generado a través del
enlace que existe con el PICBASIC PRO. El microcode tiene un comando que se
llama EasyHID USB Wizard que me permite realizar la comunicación USB. [23]
86
Figura 3.1. Interfaz del MicroCode Studio Plus, visualización de la extensión y
compilación.
3.2.2 EASYHID WIZARD
EasyHID está diseñado para proveer una solución simple para problemas
normalmente asociados con la comunicación USB entre un microcontrolador PIC
y una PC. Al momento de ejecutar el EasyHID se aparece una ventana similar a la
figura 3.2, la cual por no ser una versión totalmente libre tiene restricciones y solo
podemos modificar el nombre de la compañía y del producto. [23]
Figura 3.2. Interfaz del EasyHid USB Wizard.
Una vez terminada la ejecución del programa, la ventaja que presta el EasyHID
que es un wizard es la de generar dos programas tanto para el PIC (PICBASIC
PRO) como para el PC (VISUAL BASIC) como se muestra a continuación.
87
Figura 3.3. Carpetas generadas por el EasyHid USB Wizard
Una vez finalizada la ejecución procedemos a abrir nuestro programa generado
que se encuentra en la carpeta PICBASIC PRO el archivo *.PBP como el que se
muestra a continuación:
Figura 3.4. Código generado en PBP por el EasyHid USB Wizard.
88
3.2.3 WINPIC800
Este software permite grabar el código fuente del programa realizado en
PCBASIC en la memoria del PIC18F4550. [24]
3.2.3.1 Características
“El único hardware que soporta todos los dispositivos de WinPic800, El firmware
se auto actualiza con cada nueva versión, Muy rápido, gracias al uso del propio
puerto y los algoritmos del software, Su salida ICSP permite programar los
dispositivos en su hardware definitivo, Salida para toda la gama de Zócalos ZIF,
Pueden conectarse hasta 128 GTP-USB+ simultáneamente” [24]
Figura 3.5. Interfaz del WinPic800.
3.2.4 VISUAL BASIC 6.0
Este software nos sirve para la visualización y desarrollo de aplicaciones en un
entorno gráfico; con una interfaz gráfica de usuario se crea aplicaciones para
Windows basado en el lenguaje Basic y en la programación orientada a objetos.
89
Este lenguaje facilita el trabajo de programación, ya que permite colocar objetos
prefabricados donde es requerido, en lugar de escribir numerosas líneas de
código para implementar una interfaz.
A través de Visual Basic se puede ejecutar el código generado por EasyHid que
permite la comunicación USB con el microcontrolador uC1, a partir del cual se
puede continuar con la programación para los demás requerimientos. [25]
Figura 3.6. Código generado en Visual Basic por el EasyHid USB Wizard
3.2.5 PROTEUS 8.0
Esta herramienta de simulación nos permite verificar la programación realizada en
los microcontroladores utilizados.
90
3.3 CONFIGURACIÓN DEL CONVERSOR A/D MCP3208
El Conversor A/D MCP3208 conformado por 8 entradas análogas y 1 salida digital
maneja una resolución de 12 bits, se encarga de realizar la adquisición de datos
de los sensores de SO2, NO2, O3, CO, CO2, previamente configurado para dar
inicio a la comunicación SPI con el uC1 obteniendo la mayor cantidad de datos
confiables. [21]
Tabla 3.1. Descripción de pines [21]
Pin # Símbolo Función
1-8 CH0-CH7 Entradas análogas
9 DGND Referencia de tierra digital
10 CS/SHDN Selección para iniciar o terminar conversión.
11 DIN Entrada serial de datos
12 DOUT Salida serial de datos
13 CLK Señal de habilitación
14 AGND Bus de datos
15 VREF Alimentación de referencia
16 VDD Alimentación entre 2.7 V y 5.5 V
Se realiza la configuración de los siguientes pines:
Configuración de los bits D0, D1, D2 para seleccionar el canal.
Pin de entrada de datos para cargar los datos del canal en el dispositivo
Inicio de la comunicación a cargo del Chip Select/Shutdown (CS/SHDN)
Reloj SPI para iniciar la conversión.
Pin de salida para desplazar los resultados de la conversión A/D, los datos
siempre cambian con cada flanco de bajada del reloj cuando la conversión
de lleva a cabo.
91
3.3.1 SUBRUTINA DE ENTRADAS ANÁLOGAS Y SALIDA DIGITAL
Las entradas análogas del canal 0 hasta el canal 4 reciben las señales de los
circuitos de acople de los sensores de SO2, NO2, CO, CO2, O3 respectivamente.
La salida digital que trabaja en forma de multiplexor envía los datos mediante
comunicación serial SPI hacia el uC1 para su visualización de los datos
escalados.
3.3.1.1 Adquisición de la muestra
El valor de la salida del código digital de la conversión A/D del conversor
MCP3208 de 12 bits de resolución se calcula mediante la ecuación 15.
(3.1)
Dónde:
x: Valores resultantes de la conversión que varía de 0 a 4095 (#bits) debido a la
resolución de 12 bits del conversor A/D del MCP, en función de la señal de voltaje
del sensor.
Vout: Voltaje de salida de acuerdo al rango de cada sensor.
92
Figura 3.7. Subrutina de lectura de Entradas Análogas y Salida Digital
93
3.4 DESARROLLO DE LOS PROGRAMAS DEL SISTEMA
MICROPROCESADO
El sistema consta de 3 microcontroladores PIC. Un PIC18f4550, un PIC16F876A
y un PIC16F628A. Cada μC tiene un código propio que permite ejecutar las
rutinas de control que servirán para cumplir las diferentes tareas que se requiera.
A continuación se detallan los diagramas de flujo que explican cada uno de los
programas que contienen los microcontroladores.
3.4.1 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR UNO (UC1)
El uC1 es un microcontrolador PIC18F4550 el mismo que se encarga de recibir la
señal de los sensores de gases, en su menú principal consta de tres subrutinas al
momento de encender el equipo:
Monitoreo de los gases (F1)
Comunicación PC-USB (F2)
Información de los sensores (F3)
El diagrama de flujo general del uC1 se encuentra estructurado de tal forma que
se puede escoger las subrutinas mencionadas anteriormente a través de los
pulsadores F1, F2 y F3.
El programa Proteus 8.0 permite realizar la simulación y permite visualizar la
inicialización del programa en el LCD y las subrutinas que presenta el diagrama
de flujo general.
94
F1=1 F2=1 F3=1
No No
CONFIGURACIÓN
INICIO
MONITOREO DE GASES
COMUNICACIÓN PC-USB
INFORMACIÓN
Si Si Si
FIN A INICIO
MENÚ PRINCIPAL
VISUALIZACIÓN EN LCDPRESENTACIÓN INICIAL
No
Figura 3.8. Diagrama de Flujo del uC1
Figura 3.9. Visualización en el LCD de la Presentación Inicial y Menú Principal
95
3.4.2 SUBRUTINA MONITOREO DE GASES
Esta subrutina es la encargada de monitorear la medida de concentración y su
equivalente en voltaje de los sensores de gases.
3.4.2.1 Adquisición de la muestra
La transformación de valor digital a valor real de cada sensor de gas proveniente
conversor MCP3208, se lo realiza mediante las ecuaciones 12, 13, 14, 15, 16
obtenidas en el laboratorio técnico al momento de realizar la calibración
multipunto, se calcula la concentración medida en ppm, las mismas se encuentran
en el código fuente del uC1. Para calcular el número de bits como se indica en el
capitulo tres la ecuación 3.1.
Sensor de SO2: (3.2)
Sensor de NO2: (3.3)
Sensor de O3: (3.4)
Sensor de CO: (3.5)
Sensor de CO2: (3.6)
Dónde:
x: Valores resultantes de la conversión que varía de 0 a 4095 (#bits) debido a la
resolución de 12 bits del conversor A/D del MCP, en función de la señal de voltaje
del sensor.
y: Concentración medida en ppm en función los bits resultado de la conversión.
Luego de leer el estado de las entradas, estos valores son almacenados en los
registros de almacenamiento de las memorias EEPROM 24LC256. En su
submenú principal consta de tres opciones al momento de encender el equipo:
96
VOLTIOS (F1)
PPM-PPB (F2)
MENU PRINCIPAL (ESC)
Figura 3.10. Diagrama de flujo de la Subrutina Monitoreo de Gases
Figura 3.11. Visualización en el LCD de la Subrutina Monitoreo de Gases
3.4.2.2 Voltaje
Al seleccionar esta opción se despliega una pantalla que indica el valor de voltaje
en función de la concentración de contaminación que haya detectado cada sensor
de gas, adicional a esto la opción ESC para regresar a la subrutina o inicio del
programa.
97
Figura 3.12. Visualización de Voltaje de los sensores de gases
3.4.2.3 ppm-ppb
Al seleccionar esta opción se despliega las siguientes opciones:
VER MEDIDAS (F1)
MONITOREAR (F2)
MENU PRINCIPAL (ESC)
Figura 3.13. Visualización de la opción ppm-ppb
Ver medidas: Indica el valor de concentración de acuerdo a la contaminación que
haya detectado cada sensor de gas en su unidad de trabajo PPM-PPB y adicional
a esto la opción ESC para regresar a la subrutina o inicio del programa.
Figura 3.14. Visualización de la concentración de contaminación en Valor de PPM-PPB
Monitorear: Despliega las opciones para grabar datos y borrar la memoria,
adicional a esto la opción ESC para regresar a la subrutina o inicio del programa.
98
Figura 3.15. Visualización de la opción Monitorear
La opción grabar datos despliega las opciones:
Igualar reloj (F1), esta a su vez despliega las opciones ver reloj (F1) e
igualar reloj (F2)
Continuar (F2), empieza a grabar en memoria cada 2 minutos.
Figura 3.16. Visualización de la opción Monitorear
La opción borrar memoria requiere introducir un password (clave) para acceder a
ejecutar la acción.
Figura 3.17. Visualización de la opción Monitorear
El registro de la memoria EEPROM del uC1 realiza las siguientes tareas:
Manejo del reloj de forma independiente
Compara la clave de acceso para borrar la memoria
Guarda el último dato en un registro DATOS para grabar la concentración y
no perder la secuencia del número de datos almacenados, una vez que se
llena la memoria empieza a sobrescribir.
99
La memoria externa EEPROM 24LC256 realiza la siguiente tarea:
Graba 6 datos: día, mes, año, hora, minuto y concentración cada 2
minutos.
Figura 3.18. Continúa Diagrama de flujo de la Subrutina Unidades PPM-PPB
3.4.3 SUBRUTINA COMUNICACIÓN PC
Esta subrutina permite realizar la comunicación USB entre un microcontrolador
PIC y una PC. Una vez terminada la ejecución del programa EasyHID, la ventaja
de ser un wizard es la de generar dos programas tanto para el PIC (PICBASIC
PRO) como para el PC (VISUAL BASIC). A continuación se muestra el código que
se generó para el PIC y permite realizar la comunicación USB.
100
Figura 3.19. Código generado por el wizard para la comunicación USB
3.4.3.1 Proceso de comunicación
Inicializando comunicación USB, utiliza el comando USBINIT y espera que
el computador envíe un dato. La verificación del dato proveniente de la PC
se realiza a través de la subrutina DoUSBIn dentro de la cual se tiene 8
buffers de de 256 bits cada uno.
101
Selección del proceso, la PC envía un dato y el programa selecciona el
proceso a través de una comparación, de acuerdo al programa realizado si
el USBBuffer[0]=4 entonces descarga O3.
Ejecución del Proceso, la PC envía al uC1 la información de la velocidad
para realizar la prueba.
Envió de datos, se coloca la información en el Buffer USBBuffer[0]=4 y
ejecuta la subrutina GOTO DESCARGA_O3.
Finalización del programa y regreso al inicio.
Figura 3.20. Diagrama de flujo de la Subrutina de Comunicación PC-USB
Figura 3.21. Visualización en el LCD de la Subrutina de Comunicación hacia la PC
102
3.4.4 SUBRUTINA INFORMACIÓN DE LOS SENSORES
Esta subrutina es la encargada de presentar la información del rango y la
resolución de los sensores de gases, previo a escoger la opción correspondiente:
CO (F1)
SO2 (F2)
NO2 (F3)
CO2 (F4)
O3 (F5)
MENU (ESC)
INFORMACIÓN
INFORMACIÓNSENSORES
F1=1 F2=1
RETORNAR
CO
Si
F3=1 F4=1 F5=1 ESC=1
SO2 NO2 CO2 O3
No No No No No
Si Si Si Si
No
Si
Si
Figura 3.22. Diagrama de flujo de la Subrutina de Información de los Sensores
Figura 3.23. Visualización de la Subrutina Información de los Sensores de Gases
103
Figura 3.24. Visualización en el LCD del Rango y Resolución de los Sensores de Gases
3.4.5 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR DOS (UC2)
El uC2 es un microcontrolador PIC16F876A, se encarga de recibir la señal del
sensor de presión, temperatura y de humedad relativa. La configuración de los
puertos A, B y C para las respectivas funciones se encuentran en el código
fuente.
Figura 3.25. Diagrama de Flujo del uC2
104
3.4.5.1 Adquisición de la muestra
Sensor de Humedad
Los valores de F y %HR se ingresan en una tabla de Excel para graficar y generar
la ecuación cercana a los valores reales de medida, para ingresarla al uC2.
Tabla 3.2. Relación entre frecuencia y porcentaje de humedad relativa [15]
F (Hz) 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033
HR (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(3.7)
Dónde:
F: Frecuencia en función de la capacitancia del sensor.
HR: Humedad relativa en porcentaje en función de la frecuencia.
Figura 3.26 Continuación del diagrama de flujo del uC2
105
Sensor de Presión
La salida de este sensor es de voltaje de 0.2V (15KPa) a 4.8Voltios (115KPa) y
es directamente proporcional al incremento de presión atmosférica
El sensor análogo de presión MPX4115 está conectado al pin RA0 del conversor
A/D del uC2, para realizar la adquisición de datos de este sensor se debe hacer la
conversión análoga – digital a 10 bits, luego se determina la ecuación que se
ingresan al programa del uC2.
Para la conversión A/D a 10 bits se utiliza la siguiente ecuación:
(3.8)
De acuerdo a los rangos del sensor se presenta la ecuación de la recta que
relaciona P vs V
(3.9)
Dónde:
V: Valores resultantes de la conversión que varía de 0 a 1023 bits.
Vout: Voltaje de salida del sensor que varía de 0.2 a 4.8 V
P: Presión en Kilo Pascales.
106
Figura 3.27. Continuación del diagrama de flujo del uC2
Sensor de Temperatura
El sensor digital DS18B20 está conectado al pin RB1 del uC2, maneja tecnología
1 wire que permite la comunicación serial I2C a través de su bus de
comunicación.
Luego de obtener la información proveniente del sensor de temperatura, se debe
realizar el tratamiento de los datos respectivos. El mismo se basa en la
ponderación dada a cada bit por el fabricante.
107
Figura 3.28. Representación de una medición [18]
Los bits marcados con el símbolo S corresponden a los bits de signo del valor de
temperatura. De la ponderación dada a los bits restantes se elabora la siguiente
tabla de conversión de datos
Tabla 3.3. Conversión de datos para obtener el valor de la temperatura [18]
Conociendo dichos valores y utilizando la tabla mostrada, se realiza un análisis bit
por bit de los bytes que contienen el valor de temperatura. Básicamente el
proceso consiste en evaluar si el bit es un ‘1’, de ser así se toma el valor
correspondiente y se almacena en la variable TEMP 1. Se continúa con el mismo
proceso y lo que se realiza por cada análisis es la adición del nuevo valor de
temperatura al valor que ya se tiene almacenado, este procedimiento se ejecuta
hasta recorrer los diez bits correspondientes al valor de temperatura obtenido por
el DS18B20.
El proceso de medición de temperatura involucra, la verificación de la presencia
de la interfaz/sensor, para que el programa continúe con la toma de dato.
108
Posterior a ello se debe habilitar el bus de datos y seleccionar el sensor del cual
se desea obtener el valor de temperatura. Una vez establecido el sensor se
ejecuta el proceso de toma de dato de temperatura, el cual está constituido por
los siguientes pasos:
Enviar pulso de conversión.
Realizar lectura del registro TEMP del sensor de temperatura.
Obtener valor de temperatura del registro TEMP del sensor.
Finalmente, mostrar los datos obtenidos.
Figura 3.29. Continuación del diagrama de flujo del uC2
109
Figura 3.30. Visualización en el LCD, la inicialización y los parámetros meteorológicos
presión, temperatura y humedad
3.4.6 DIAGRAMAS DE FLUJO DEL MICROCONTROLADOR TRES (UC3)
El uC3 es un microcontrolador PIC16F628A, se encarga de la programación del
reloj a través del integrado DS1307, que permite visualizar la hora y fecha.
Figura 3.31. Visualización de la opción igualar reloj y fecha
Opciones:
Igualar reloj/fecha (F1), a su vez despliega las opciones para modificar los
parámetros presionando la opción SEL.
Ver reloj (F2), indica la hora y fecha con la que esté trabajando.
110
Figura 3.32. Diagrama de flujo del uC3
111
Figura 3.33. Continuación del diagrama de flujo del uC3
Figura 3.34. Visualización en el LCD de la fecha y hora
112
3.5 INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA CON VISUAL BASIC 6.0
Para realizar la comunicación USB entre un microcontrolador PIC y una PC, se
desarrolló el programa respectivo en Visual Basic. Esto me permite ver los datos
en tiempo real a través del HMI. [26]
Figura 3.35. Panel de control en la Interfaz Hombre Maquina HMI
A través de Visual Basic se puede ejecutar el código generado por EasyHid que
permite la comunicación USB con el microcontrolador uC1, a partir del cual se
puede continuar con la programación para los demás requerimientos. [27]
Figura 3.36. Código generado en Visual Basic por el EasyHid USB Wizard
113
3.5.1 DIAGRAMA DE FLUJO HMI
Figura 3.37. Diagrama de flujo del Software de la PC
114
A continuación se detalla cada opción disponible en el HMI.
3.5.2 MONITOREAR
Esta opción despliega todos los datos de la concentración de contaminación de
los sensores de gases en tiempo real.
Figura 3.38. Monitoreo de las concentraciones de los sensores de gas
3.5.3 DESCARGAR DATOS
Esta opción indica cuantos datos se han almacenado.
Figura 3.39. Selección del sensor en el HMI
3.5.4 EXPORTAR DATOS
Se enlaza con una hoja de datos de Excel para el análisis respectivo, los valores
que se presentan en las hojas de Excel están conformados por los siguientes
elementos:
ITEM
Indica el número de datos almacenado en la memoria EEPROM.
DATOS
Indica 6 datos medidos hasta ese instante los cuales se graban cada 2
minutos como se muestra en la siguiente figura.
115
Figura 3.40. Descarga de datos en una hoja de Excel
3.5.4 PARAR MONITOREO
Al momento de escoger cualquier opción que facilita el HMI es requisito oprimir
este botón para empezar un nuevo proceso.
3.5.5 GRÁFICA EN TIEMPO REAL
Indica los valores que los sensores de gas están midiendo en tiempo real.
Figura 3.41. Interfaz gráfica utilizando el programa Visual Basic
116
3.5.6 SALIR
Esta opción me permite salir de la interfaz, previo a oprimir el botón salir.
3.5.7 PARÁMETROS DE VISUALIZACIÓN
A continuación se detalla los parámetros de visualización que ofrece el HMI.
Contaminante
Visualiza la concentración medida en ese instante.
Datos recibidos
Visualiza los datos almacenados en la memoria EEPROM hasta ese
instante entre 1 y 32767.
Procesos
Indica la opción graficando o muestreando la concentración en ese
instante.
3.6 COSTOS DEL PROTOTIPO
En la construcción del prototipo se debe tomar en cuenta las siguientes etapas de
realización:
FABRICACIÓN
Para la fabricación del prototipo se debe tener en cuenta los elementos
electrónicos, la estructura metálica, etc.
117
Tabla 3.4. Costos de los elementos que conforman el equipo portátil de monitoreo
Cantidad
Descripción
Valor Unitario ($)
Valor Total ($)
1 SENSOR SO2-BF / DIOXIDO DE AZUFRE 575.00 575.00
1 SENSOR NO2-AE / DIOXIDO DE NITROGENO 450.00 450.00
1 CONSTRUCCIÓN FISICA DEL EQUIPO 300.00 300.00
1 FABRICACION DE PLACAS 550.00 550.00
1 ELEMENTOS ELECTRONICOS 325.00 325.00
1 SENSOR MQ7 / MONOXIDO DE CARBONO 85.00 85.00
1 SENSOR HS1101/HUMEDAD 75.00 75.00
1 SENSOR CO2/ DIÓXIDO DE CARBONO 75.00 75.00
1 SENSOR MQ131 / OZONO 75.00 75.00
1 SENSOR MPX4115 / PRESIÓN 52.00 52.00
1 SENSOR DS18B20 / TEMPERATURA 48.00 48.00
1 MICROCONTROLADORES 35.00 35.00
1 CONVERSOR MCP3208 35.00 35.00
SUBTOTAL 2680.00
IVA 12% 321.60
TOTAL 3001.60
PROGRAMACIÓN Y PUESTA EN MARCHA
Tabla 3.5. Costos de la programación y puesta en marcha del equipo
Horas
Descripción
Valor Unitario ($)
Valor Total ($)
120 PROGRAMACION MICROCONTROLADORES ADQUISICION DE DATOS, HMI
20 2400
100 PUESTA EN MARCHA, CALIBRACION Y AJUSTES
20 2000
SUBTOTAL 4400.00
IVA 12% 528.00
TOTAL 4928.00
El costo total del equipo total está conformado por la fabricación, programación y
puesta en marcha del equipo.
118
COSTO TOTAL
Tabla 3.6. Costo total del equipo portátil de monitoreo
Item
Descripción
Valor Total ($)
1 FABRICACION 2680.00
2 PROGRAMACION Y PUESTA EN MARCHA 4400.00
SUBTOTAL 7080.00
IVA 12% 849.60
TOTAL 7929.60
119
CAPÍTULO 4.
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 GENERALIDADES
En este capítulo se describe los elementos utilizados, procedimiento para la
verificación de la medida de contaminación así como los resultados obtenidos en
algunas pruebas realizadas con el equipo.
4.2 INFORMACIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR PARA LA
CONCENTRACION DE GASES
Las pruebas se realizaron en la estación de JIPIJAPA en el laboratorio químico y
en el laboratorio electrónico de la secretaria de ambiente y se tomó los siguientes
elementos de las aéreas de análisis de contaminación.
Laboratorio Químico: Se utilizó como patrón de medida el cilindro FF93G3 según
la EPA PROTOCOL GAS MIXTURE para la contrastación de datos de los
sensores de NO2 y SO2.
Laboratorio Electrónico: Se utilizó como patrón de medida el MODEL 48C, GAS
FILTER CORRELATION CO ANALYZER para el Monóxido de Carbono. Para el
Ozono se utilizó como patrón el MODEL 49C, UV PHOTOMETRIC O3
ANALYZER. Para el Dióxido de Carbono como contaminante adicional se utilizó
como patrón el equipo comercial AQM60 Environmental Station de AEROQUAL.
Finalmente para todos los sensores se utilizó como patrón de referencia de aire
zero el MODEL 111/111S, ZERO AIR SUPPLY INCLUDING EXTERNAL AIR
COMPRESSOR.
120
4.3 PREPARACIÓN DE LOS EQUIPOS
Tanques de gas patrón.
Mangueras de teflón para el ingreso y salida de la muestra.
Multicalibrador
Generador de AIRE ZERO
Compresor
4.4 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA VERIFICACIÓN DE
LA RESPUESTA DEL PROTOTIPO CON RESPECTO AL
EQUIPO PATRÓN
El proceso de verificación es el mismo para cualquier tipo de gas, con la única
diferencia que se debe cambiar el tanque patrón. Es importante aclarar que el
equipo necesita una prueba de verificación (calibración de sensores de gases)
previo al trabajo de campo, esto permite garantizar la calidad de los datos de
concentración obtenidos.
Conexión del Tanque Patrón y Generador de AIRE ZERO al Multicalibrador
Al tanque patrón se conecta dos válvulas de presión, una para medir la presión
propia del tanque (75 bares) y la otra para la regulación que generalmente se
mantiene entre 2 y 3 bares para evitar daños al Multicalibrador.
La salida del tanque patrón se conecta a la electroválvula (B) del Multicalibrador,
mientras que la salida del Generador de AIRE ZERO se conecta a la entrada de
AIRE ZERO del Multicalibrador, previo a esto se debe conectar el compresor a la
entrada del Generador de AIRE ZERO para él envió del aire limpio para la prueba
de verificación de concentración en función del voltaje. Las salidas de
concentración del Multicalibrador EXHAUST (referencia para mantener la presión
a condiciones ambientales para evitar variación de presión interna en el
Multicalibrador) y OUTPUT (concentración que pasa por la cámara de gases).
121
El Multicalibrador genera AIRE ZERO (aire libre de contaminantes criterio estos
son CO, SO2, NO2, NO, O3) y concentración de los contaminantes, además
permite controlar el volumen de flujo evitando daños a las membranas internas de
los sensores, en este caso se va a manejar un flujo de 2 litros por minutos (lpm)
que es lo adecuado.
Además el Multicalibrador permite realizar la dilución con los tanques patrón, esto
significa que un tanque que normalmente contiene concentraciones de 3000 ppm
se reduce a 600 ppm.
Figura 4.1. Conexión general de los equipos para la verificación de la cantidad de
concentración que se está midiendo.
Proceso de verificación de concentración
Se genera AIRE ZERO y se verifica la respuesta del sensor en un tiempo de
estabilización aproximado de 30 minutos, si la respuesta es aceptable con un
porcentaje de error menor al 10% procedemos a generar en el Multicalibrador una
concentración aproximada al 80% del rango de cada sensor.
122
Se verifica el porcentaje de error obtenido entre el valor generado por el patrón
“Multicalibrador” y el obtenido por cada uno de los sensores, si el porcentaje es
mayor al 10% se procede a realizar un ajuste de la concentración a través de la
ecuación de calibración vía software. De esta manera se garantiza que el sensor
queda calibrado y podrá medir concentraciones dentro de cada uno de sus
rangos.
Para dar inicio a las pruebas se debe aclarar que los sensores presentan rangos
de concentración fuera de la norma de calidad de aire, la justificación se realizó al
inicio del capítulo 2
4.5 PRUEBAS DEL SENSOR DE NO2
Para este sensor se realizó un ajuste inicial enviando aire cero, posteriormente se
generaron cinco concentraciones 200 ppm, 150 ppm, 100 ppm, 80 ppm y 30 ppm,
las respuestas tanto en el PROTOTIPO PORTATIL MPP-08 como en el
Multicalibrador se presentan en la figura 4-2:
Figura 4.2. Calibración Multipunto del sensor de NO2
0
50
100
150
200
250
9:0
0
9:0
9
9:1
8
9:2
7
9:3
6
9:4
5
9:5
4
10
:03
10
:12
10
:21
10
:30
10
:39
10
:48
10
:57
11
:06
11
:15
11
:24
11
:33
11
:42
PATRÓN FF93G3
PROTOTIPO MPP-08
CONCENTRACIÓN 3
CONCENTRACIÓN 4
CONCENTRACIÓN 5 CERO INICIAL
CERO FINAL
SENSOR DE NO2
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[P
PM
] CONCENTRACIÓN 1
CONCENTRACIÓN 2
PROMEDIO DE 10 MINUTOS [MIN]
123
Tabla 4.1. Valores calibrados sensor NO2
CALIBRACION
VALOR REAL
VALOR MEDIDO
DURANTE EL TIEMPO DE CALIBRADO 15 MINUTOS
ERROR INICIAL
VALOR ESTABLE DESPUES
DE 40 MINUTOS
ERROR
DESPUES DE
CALIBRAR
PUNTO EQUIPO PATRÓN
[ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
CERO INICIAL 0.01 0.01 0.00% 0.01 0.00%
CONCENTRACIÓN 1 200.20 178.90 10.60% 202.71 -1.30%
CONCENTRACIÓN 2 150.50 167.50 -11.30% 153.74 -2.20%
CONCENTRACIÓN 3 100.00 123.40 -23.40% 100.41 -0.40%
CONCENTRACIÓN 4 80.00 90.85 -13.60% 80.68 -0.80%
CONCENTRACIÓN 5 30.10 30.88 -2.70% 30.53 -1.50%
CERO FINAL 0.10 0.12 -20.00% 0.11 -10.00%
La correlación obtenida de las curvas de respuesta durante la calibración del
PATRÓN respecto al PROTOTIPO se presenta en la Figura 4.3.
Figura 4.3. Correlación PATRÓN vs PROTOTIPO
y = 1,0151x - 0,1949 R² = 0,9999
-50
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
CORRELACIÓN PROTOTIPO MPP-08 vs PATRÓN FF93G3
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[PP
M]
MED
IDA
CONCENTRACIÓN[PPM]
124
4.6 PRUEBAS DEL SENSOR DE SO2
Para este sensor generaron cinco concentraciones en el Multicalibrador de: 100
ppm, 50 ppm, 20 ppm, 10 ppm y 5 ppm, las respuestas tanto en el PROTOTIPO
como en el patrón Multicalibrador se presentan en la figura 4.4:
Figura 4.4. Calibración Multipunto del sensor de SO2
Tabla 4.2. Valores calibrados sensor SO2
CALIBRACION
VALOR REAL
VALOR MEDIDO
DURANTE EL TIEMPO DE CALIBRADO 15 MINUTOS
ERROR INICIAL
VALOR ESTABLE DESPUES
DE 40 MINUTOS
ERROR
DESPUES DE
CALIBRAR
PUNTO EQUIPO PATRÓN
[ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
CERO INICIAL 0.01 0.19 18.20% 0.01 5.00%
CONCENTRACIÓN 1 100.20 103.06 2.90% 102.25 2.00%
CONCENTRACIÓN 2 50.50 73.47 45.50% 52.52 4.00%
CONCENTRACIÓN 3 20.00 36.70 83.50% 20.72 3.60%
CONCENTRACIÓN 4 10.00 15.45 54.50% 10.57 5.70%
CONCENTRACIÓN 5 5.00 7.06 41.20% 5.21 4.20%
CERO FINAL 0.01 0.46 44.80% 0.02 1.00%
0
20
40
60
80
100
120
9:0
0
9:0
8
9:1
6
9:2
4
9:3
2
9:4
0
9:4
8
9:5
6
10
:04
10
:12
10
:20
10
:28
10
:36
10
:44
10
:52
11
:00
11
:08
11
:16
11
:24
PATRÓN FF93G3
PROTOTIPO MPP-08
PROMEDIO DE 10 MINUTOS [MIN]
SENSOR DE SO2
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[P
PM
]
CONCENTRACIÓN 5 CERO INICIAL
CERO FINAL
CONCENTRACIÓN 4
CONCENTRACIÓN 3
CONCENTRACIÓN 2
CONCENTRACIÓN 1
125
La correlación obtenida de las curvas de respuesta durante la calibración del
PATRÓN respecto al PROTOTIPO se presenta en la Figura 4.5.
Figura 4.5. Correlación PATRÓN vs PROTOTIPO
4.7 PRUEBAS DEL SENSOR DE O3
Para este sensor se generaron cinco concentraciones del patrón MODEL 49C de:
0.150 ppm, 0.100 ppm, 0.075 ppm, 0.05 ppm y 0.025 ppm, las respuestas tanto
en el PROTOTIPO PORTATIL MPP-08 como en el Multicalibrador se presentan
en la figura 4.6.
Figura 4.6. Calibración Multipunto del sensor de O3
y = 1,0227x R² = 0,9998
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120
CORRELACIÓN PROTOTIPO MPP-08 vs PATRÓN FF93G3 C
ON
CEN
TRA
CIÓ
N[P
PM
] M
EDID
A
CONCENTRACIÓN[PPM]
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0,160
0,180
9:0
0
9:0
9
9:1
8
9:2
7
9:3
6
9:4
5
9:5
4
10
:03
10
:12
10
:21
10
:30
10
:39
10
:48
10
:57
11
:06
11
:15
11
:24
MODEL 49C[CONCENTRACION]
PROTOTIPO MPP-08[CONCENTRACIÓN]
SENSOR DE O3
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[P
PM
]
PROMEDIO DE 10 MINUTOS [MIN]
CONCENTRACIÓN 1
CONCENTRACIÓN 2
CONCENTRACIÓN3
CONCENTRACIÓN 4
CONCENTRACIÓN 5 CERO INICIAL
CERO FINAL
126
Tabla 4.3. Valores calibrados sensor O3
CALIBRACION
VALOR REAL
VALOR MEDIDO DURANTE EL TIEMPO DE
CALIBRADO 15 MINUTOS
ERROR INICIAL
VALOR ESTABLE
DESPUES DE 40 MINUTOS
ERROR
DESPUES DE
CALIBRAR
PUNTO EQUIPO PATRÓN
[ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
CERO INICIAL 0.01 0.12 10.00% 0.09 6.00%
CONCENTRACIÓN 1 0.15 0.15 5.10% 0.15 2.60%
CONCENTRACIÓN 2 0.10 0.12 24.60% 0.10 1.50%
CONCENTRACIÓN 3 0.07 0.08 10.30% 0.07 2.00%
CONCENTRACIÓN 4 0.05 0.06 28.00% 0.05 6.80%
CONCENTRACIÓN 5 0.02 0.03 34.80% 0.02 3.60%
CERO FINAL 0.01 0.12 10.00% 0.08 5.00%
La correlación obtenida de las curvas de respuesta durante la calibración del
PATRÓN respecto al PROTOTIPO se presenta en la Figura 4.7.
Figura 4.7. Correlación PATRÓN vs PROTOTIPO
y = 1,0205x + 0,0005 R² = 0,9997
0,00000,02000,04000,06000,08000,10000,12000,14000,16000,1800
0,000 0,040 0,080 0,120 0,160
PROTOTIPO MPP-08 vs PATRÓN MODEL 49C
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[PP
M]
MED
IDA
CONCENTRACIÓN [PPM] REAL
127
4.8 PRUEBAS DEL SENSOR DE CO
Para este sensor se generaron cinco concentraciones de gas del patrón MODEL
48C de: 850 ppm, 500 ppm, 100 ppm, 20 ppm, las respuestas tanto en el
PROTOTIPO como en el Multicalibrador se presentan en la figura 4.8.
Figura 4.8. Calibración Multipunto del sensor de CO
La diferencia de error antes y después de la calibración en los promedios de 10
minutos para cada concentración se muestra en la tabla 4-4.
Tabla 4.4. Valores calibrados sensor CO
CALIBRACION
VALOR REAL
VALOR MEDIDO DURANTE EL TIEMPO DE
CALIBRADO 15 MINUTOS
ERROR INICIAL
VALOR ESTABLE
DESPUES DE 40 MINUTOS
ERROR
DESPUES DE
CALIBRAR
PUNTO EQUIPO PATRÓN
[ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
PROTOTIPO MPP-08 [ppm]
CERO INICIAL 0.00 0.09 10.00% 0.04 6.00% CONCENTRACIÓN 1
850.00 851.12 0.10% 851.12 0.10% CONCENTRACIÓN 2
500.00 636.97 27.40% 504.13 0.80% CONCENTRACIÓN 3
100.00 308.97 209.00% 104.04 4.00% CONCENTRACIÓN 4
20.00 53.17 165.90% 20.51 2.40% CERO FINAL 0.00 0.09 10.00% 0.00 6.00%
0100200300400500600700800900
9:0
0
9:0
7
9:1
4
9:2
1
9:2
8
9:3
5
9:4
2
9:4
9
9:5
6
10
:03
10
:10
10
:17
10
:24
10
:31
10
:38
10
:45
11
:12
11
:19
11
:26
MODEL 48C[CONCENTRACION]
PROTOTIPO MPP-08[CONCENTRACIÓN]
SENSOR DE CO
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[P
PM
]
PROMEDIO DE 10 MINUTOS
CONCENTRACIÓN 1
CONCENTRACIÓN 2
CONCENTRACIÓN 3
CONCENTRACIÓN 4 CERO INICIAL
CERO FINAL
128
La correlación obtenida de las curvas de respuesta durante la calibración del
PATRÓN respecto al PROTOTIPO se presenta en la Figura 4.8
Figura 4.9. Correlación PATRÓN vs PROTOTIPO
4.9 PRUEBAS DEL SENSOR DE CO2
Para el sensor de dióxido de carbono se realizaron las pruebas en diferentes
lugares con el fin de encontrar diferencias de contaminación de acuerdo a la hora
específica en la que se realizó la toma de muestras. Según la Agencia de
Protección Ambiental de los Estados Unidos EPA, solamente se miden el grado
de contaminación de gases criterio, motivo por el cual no existe un patrón para
hacer la contrastación de los datos. Por otro lado se hizo pruebas en lugares
bastante contaminados detallados a continuación:
y = 1,0008x + 1,828 R² = 1
0,0
150,0
300,0
450,0
600,0
750,0
900,0
0,0 150,0 300,0 450,0 600,0 750,0 900,0
PROTOTIPO MPP-08 vs PATRÓN MODEL 48C
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
[PP
M]
MED
IDA
CONCENTRACIÓN[PPM]
129
COCINA RESTAURANTE
Figura 4.10. Dióxido de Carbono en la Cocina-Restaurante
El grado de contaminación como era de esperarse se lo registró en las horas en
las cuales se prepara la comida, las tendencias presentadas fueron tomadas
cerca del horno y alrededor del restaurante.
LA MARIN
Figura 4.11. Dióxido de Carbono en el Sector de la Marín.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
12
:30
13
:30
14
:30
15
:30
16
:30
17
:30
18
:30
19
:30
20
:30
21
:30
22
:30
23
:30
0:3
0
1:3
0
15/07/2014
16/07/2014
CO
NC
ENTY
RA
CIÓ
N[P
PM
]
SENSOR DIÓXIDO DE CARBONO
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
7:0
07
:30
8:0
08
:30
9:0
09
:30
10
:00
10
:30
11
:30
12
:30
13
:30
14
:30
15
:30
16
:00
16
:30
17
:00
17/07/2014
18/07/2014
CO
NC
ENTY
RA
CIÓ
N[P
PM
]
SENSOR DIÓXIDO DE CARBONO
130
Se realizó la toma de muestras durante todo el día obteniendo como resultado el
alto grado de contaminación entre 500 y 1000 ppm en las horas donde hay más
tráfico.
TÚNELES DE SAN JUAN
Figura 4.12. Dióxido de Carbono en el sector de San Juan
Al igual que el sector de la Marín se visualiza parámetros bastante parecidos en
las horas de mayor concurrencia de los automóviles y autobuses que circulan
diariamente.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
40007
:00
7:3
0
8:0
0
8:3
0
9:0
0
9:3
0
10
:00
10
:30
11
:30
12
:30
13
:30
14
:30
15
:30
16
:00
16
:30
17
:00
21/07/2014
21/07/2014
CO
NC
ENTY
RA
CIÓ
N[P
PM
]
131
4.10 INFORMACIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR PARA LA
MEDICION DE SENSORES METEOROLÓGICOS
Las pruebas se realizaron en la estación de JIPIJAPA en el laboratorio químico y
en el laboratorio electrónico de la secretaria de ambiente y se tomó los siguientes
elementos de las aéreas de análisis de contaminación.
Laboratorio Electrónico: Se utilizó como patrón de medida PROSKIT NT-311 y el
multímetro FLUKE 179 que sirven para medir la temperatura y humedad relativa.
Mientras que para la presión utilizó el patrón de medida Streamline PRO CU.
4.11 PREPARACIÓN DE LOS EQUIPOS
Medidor de temperatura y humedad relativa.
Medidor de presión.
4.12 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA VERIFICACIÓN DE
LA RESPUESTA DEL PROTOTIPO CON RESPECTO AL
EQUIPO PATRÓN
Colocar el prototipo cerca del patrón de medida para la respectiva contrastación
de los valores obtenidos.
132
Figura 4.13. Conexión general de los equipos para la verificación de las medidas de los
sensores meteorológicos.
133
4.13 PRUEBAS DEL SENSOR DE PRESIÓN
Para este sensor se comparó la medida tomada con el patrón STREAMLINE PRO
estándar de presión, flujo y temperatura.
Figura 4.14. Calibración sensor de Presión
La diferencia de error antes y después de la calibración vía software se muestra
en la tabla 4.5.
Tabla 4.5. Valores calibrados sensor de Presión
CALIBRACION
DIA
04-08-2014
VALOR REAL
VALOR MEDIDO
ERROR INICIAL
VALOR CALIBRADO
ERROR DESPUES DE
CALIBRAR
HORA EQUIPO PATRÓN
[KPa]
PROTOTIPO MPP-08 [KPa]
PROTOTIPO MPP-08 [KPa]
8:00 72,28 72,91 -0,20% 72,71 -0,58%
9:00 72,88 72,81 -0,21% 72,71 -0,58%
10:00 72,95 72,81 -0.23% 72,71 -0,57%
11:00 72,94 72,91 -0.22% 72,71 -0,57%
12:00 72,87 72,99 -0.21% 72,71 -0,59%
13:00 72,96 72,94 -0.21% 72,71 -0,57%
134
4.14 PRUEBAS DEL SENSOR DE TEMPERATURA
Para este sensor se comparó la medida tomada con el patrón PROSKIT NT-311
para medir la temperatura y humedad relativa, las pruebas de medición de
temperatura se realizaron en diferentes días.
Figura 4.15. Valores diarios medidos del sensor de temperatura.
Los valores medidos se encuentran en un valor aceptable como se muestra en la
tabla 4.6.
Tabla 4.6. Valores medidos del sensor de temperatura
MEDICIÓN DIARIA
VALOR REAL
VALOR MEDIDO
ERROR
DIA HORA EQUIPO PATRÓN
[ºC]
PROTOTIPO MPP-08
[ºC]
04-08-2014 12:00 pm 24,70 24,80 -0,40%
05-08-2014 13:00 pm 22,30 22,50 -0,90%
06-08-2014 15:00 pm 20,00 20,10 -0,50%
07-08-2014 15:00 pm 18,70 18,90 -1,07%
08-08-2014 17:00 pm 18,70 18,90 -1,07%
09-08-2014 18:00 pm 16,00 16,30 -1,88%
135
4.15 PRUEBAS DEL SENSOR DE HUMEDAD
Para este sensor se comparó la medida tomada con el patrón STREAMLINE PRO
estándar de presión, flujo y temperatura. Las pruebas del sensor de humedad se
realizaron en un día en diferentes horas.
Figura 4.16. Calibración del sensor de humedad relativa
Valores tomados en la semana a diferentes horas del día, la diferencia de error
antes y después de la calibración se muestra en la tabla 4-7.
Tabla 4.7. Valores calibrados sensor de humedad relativa
CALIBRACION
VALOR REAL
VALOR ESTABLE
ERROR
DESPUES DE CALIBRAR
HORA EQUIPO PATRÓN
[%]
PROTOTIPO MPP-08
[%] Como se indica en el capítulo tres la ecuación (3.7)
9:00 am 84,00 83,00 1,19%
12:00 pm 74,00 73,40 0,81%
15:00 pm 62,00 60,90 1,77%
18:00 pm 67,00 66,80 0,30%
19:00 pm 65,00 63,50 2,31%
136
4.16 CONTRASTACION DE LA TECNOLOGIA DE LOS EQUIPOS
COMERCIALES CON RESPECTO AL PROTOTIPO DE
MONITOREO AMBIENTAL
Es importante realizar un cuadro comparativo entre los equipos comerciales que
ocupa la REMMAQ para poder realizar las pruebas en base a patrones de los
contaminantes y verificar la confiabilidad del prototipo portátil diseñado. Las
características así como la tecnología de los sensores utilizados en los equipos
comerciales ayudan a clasificar el tipo de fuente de contaminación más adecuada
al que estaría más apto el equipo portátil para la medición de concentración de
contaminantes. A continuación mencionaremos algunas de las tecnologías de
medición que manejan los equipos de la REMMAQ.
NDIR: Infrarrojo No Disperso ES: Estado sólido Q: Chemiluminescent
GSS: Gas Sensitive Semiconductor EQ: electroquímicos
GSE: Gas Sensitive Electrolitic UV: Ultravioleta
Se debe aclarar que los sensores del prototipo sirven como una opción de ayuda
en la medición cercano a fuentes fijas de sitios altamente contaminados como son
chimeneas industriales, túneles de alta circulación vehicular siempre y cuando el
equipo tenga una adecuada distancia con respecto a la fuente contaminada, esto
debido a los altos rangos y tecnología que se maneja. Para las pruebas de
verificación de las concentraciones altas de los sensores se las realizó en el
laboratorio de la Red de Monitoreo de la Secretaria de Ambiente del Municipio
Distrito Metropolitano de Quito.
Para el caso de la calidad de aire los sensores no se encuentran dentro de los
rangos de trabajo, sin embargo la ingeniería realizada en este proyecto para la
adquisión de los datos, esta de tal forma que al cambiar de sensores por otros de
rangos bajos mida el nivel de concentración deseado sin ningún problema.
137
Tabla 4.8. Cuadro comparativo entre los equipos comerciales que utilizan en la
REMMAQ y el prototipo portátil a implementarse [28]
ESPECIFICACIÓN EQUIPO
CONTAMINANTE
CO CO2 NO2 SO2 O3
RANGO
(ppm)
ELE 0-2000 ---- 0-100 0-100 ----
THERMO 0-1000 ---- 0-100 0-100 0-200
AQM 0-25 0-2000 0-0,2 0-10 0-0,15
PROTOTIPO 20-200 350-10000 0-200 0-100 0,01-2
LÍMITE DE
DETECCIÓN
(LDL)
ELE 0-2000 ---- 0-100 0-100 ----
THERMO 0,04 ---- 0,0004 0,0005 0,001
AQM 0,1 6 0,001 0,01 0,001
PROTOTIPO ---- ---- ---- ---- ----
PRECISIÓN
(ppm)
ELE 1 ---- 1 1 ----
THERMO 0,1 ---- 0,0004 0,001 0,001
AQM 0,1 6 0,001 0,01 0,001
PROTOTIPO ---- ---- ---- ---- ----
TECNOLOGIA ELE EQ ---- EQ EQ ----
THERMO IR ---- Q UV UV
AQM GSS NDIR GSS GSE GSS
PROTOTIPO ES ES EQ EQ ES
TIPO DE SALIDA ELE ANÁLOGO
VOLTAJE
---- ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
----
THERMO CORRIENTE ---- CORRIENTE CORRIENTE CORRIENTE
AQM ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
PROTOTIPO ANÁLOGO
VOLTAJE
ANÁLOGO
VOLTAJE
CORRIENTE CORRIENTE ANÁLOGO
VOLTAJE
La tecnología que manejan los equipos THERMO están regida a normas
internacionales EPA (Agencia de Protección Ambiental) trabajan bajo un principio
de medida fotoluminicente, todos los equipos comerciales deben ser aprobados
por los estándares de la EPA.
138
CAPÍTULO 5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
Se implementó placas independientes para el acople tanto para los sensores
de gas como para los sensores meteorológicos, ayudando a la facilidad y
optimización de la toma de muestras.
Un promedio de 2 minutos de las muestras tomadas cada minuto proporciona
datos más confiables.
Los factores de conversión de temperatura y presión es fundamental, estos
parámetros permiten dar mayor fiabilidad a la concentración de los
contaminantes del prototipo al momento de realizar la toma de muestras.
La ingeniería desarrollada en este prototipo permite realizar mediciones en
fuentes altamente contaminadas o para calidad de aire previo a cambiar los
sensores por otros de más bajo rango de detección.
La investigación realizada y desarrollada permitió demostrar los conocimientos
adquiridos a lo largo de la carrera, sin embargo con una inversión considerable
para mejorar la tecnología del equipo se puede trabajar bajo normas EPA.
La diferencia entre el monitoreo de contaminación ambiental de la calidad del
aire y cercano a fuentes fijas ayuda en la selección de los sensores de acuerdo
a su precisión.
La tecnología que utilizan los sensores es otro factor fundamental para el
mejoramiento del equipo.
Las cámaras de gases independientes para la toma de muestras y calibración
debe ser lo más hermética posible, debe estar diseñada de una forma que
pueda fluir el gas sin dificultad, el material debe ser de vidrio o teflón para evitar
reacciones externas con el gas y mangueras de teflón por donde ingresa y sale
el gas de la muestra.
La lectura de los datos de los sensores meteorológicos se los presenta
continuamente, el objetivo es facilitar el informe en el cual se registran todas las
anomalías que presente el prototipo.
139
La programación realizada en el microcontrolador principal PIC18F4550 ha
ocupado el 97% de su capacidad, razón por la cual se implementa y se realiza
la adquisición de los datos de parámetros meteorológicos.
Al realizar las calibraciones se debe invalidar los datos tomados durante ese
periodo, es decir eliminar los datos hasta ese instante para empezar con la
lectura de los nuevos datos, razón por la cual se implementó la fecha y hora de
forma independiente con el PIC16F628.
El prototipo sirve como referencia en el área de seguridad industrial en las
empresas que manejen este tipo de contaminantes, un ejemplo es la empresa
FRANZ VIEGENER F.V, en la sección de cromado se maneja ácidos sulfúricos
y nítricos que emiten concentraciones de SO2 y NO2.
La calibración se debe realizar en la Red de Monitoreo de la Secretaria de
Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito que es el órgano regulador de la
calidad de aire, con el objetivo de garantizar las concentraciones medidas
antes de iniciar el monitoreo.
La capacidad de almacenamiento de las memorias EEPROM, permiten guardar
por un lapso de 7 días que es suficiente para realizar la medición.
Las medidas mostradas por los sensores meteorológicos se ven afectadas en
un porcentaje pequeño porque se encuentran dentro de la caja metálica.
140
5.2 RECOMENDACIONES
Para garantizar la calidad de aire promedio se debe tener en cuenta una
característica muy importante que es el Límite de Detección (LDL) que poseen
los sensores, de acuerdo a esta característica los equipos de monitoreo
ambiental para calidad del aire son más o menos robusto en cuanto la fiabilidad
de la medición.
Colocar los sensores meteorológicos la más cercano posible a los sensores de
gas para poder hacer una comparación y corrección con respecto a las
condiciones de trabajo de los sensores presentado por los fabricantes.
Al conectar las mangueras de teflón se lo debe hacer con el mayor cuidado
para evitar daños como aislamiento de las tuercas.
El flujo de gas debe estar en un rango bajo de presión (2 lpm) para evitar daños
a las membranas de los sensores.
Para empezar con la medición de concentración de cada uno de los sensores
se debe tener en cuenta que necesitan un tiempo mínimo de 30 minutos para
que se estabilicen y dar inicio al proceso.
Es importante realizar la bitácora del analizador de gases para garantizar la
validez o invalidez de los datos mediante un registro.
Realizar una tabla de Excel en donde se pueda realizar compensaciones de
temperatura y presión si fuera necesario.
Para evitar interferencias debido al ruido, se aconseja poner filtros de ruido
comerciales a la entrada de la red de 110V.
Para mejorar el funcionamiento del equipo para realizar una segunda versión
se recomienda utilizar tarjetas de acondicionamiento comerciales.
Adquirir sensores con una respuesta normalizada de entre 0-5V y 4 a 20 mA,
para generar la ecuación de calibración sin ningún problema.
Mejorar el equipo solicitando inversión de la empresa privada o del estado para
continuar con la investigación y aprovechar el talento humano.
En el caso de realizar una calibración multipunto que es lo ideal, se deben
ocupar los circuitos alternos de acoplamiento.
141
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
- [1] Lilia Albert, “youblisher,” Contaminación Ambiental, Métodos y Normas,
[Online]. Available: http://www.youblisher.com/p/172702-contaminacion2/
- [2] FLACSO, “http://www.flacsoandes.org,” Contaminación Ambiental
[Online]. Available:
http://www.flacsoandes.org/web/imagesFTP/10088.ContaminacionQuito.pdf
- [3] Swisscontact, “http://www.flacsoandes.org,” Monitoreo del Aire [Online].
Available:
http://www.bvsde.ops-oms.org/bvsci/e/fulltext/manualab/manual.pdf
- [4] Organización Mundial de la Salud “whqlibdoc,” Contaminación Guías de
calidad de aire de la OMS, [Online]. Available:
http://whqlibdoc.who.int/hq/2006/WHO_SDE_PHE_OEH_06.02_spa.pdf,
pp. 9-19.
- [5] SIMA “nl.gob.mx,” Sistema Integral de Monitoreo, [Online]. Available:
http://www.nl.gob.mx/?P=med_amb_mej_amb_sima_cont
- [6] Monitoreo Banco Mundial “Banco Mundial,” Características de
parámetros meterelógicos, [Online]. Available:
http://datos.bancomundial.org/pais/ecuador
- [7] Raña, Unidades de medición empleadas en Calidad del Aire, [Online].
Available:
http://www.depeca.uah.es/depeca/repositorio/asignaturas/32317/Unidades
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- [8] LACOMET, Mediciones de Humedad Relativa, [Online]. Available:
http://www.depeca.uah.es/depeca/repositorio/asignaturas/32317/Unidades
CalidadAire.pdf
- [9] HORRILLO, María del Carmen. (1992). Estudio y realización de
sensores para CO basados en la modulación de la conductividad eléctrica
del semiconductor SnO2. Universidad Complutense de Madrid, Madrid,
España
- [10] Universidad Técnica Federico Santa Maria, “http://www2.elo.utfsm.cl,”
Departamento de Electrónica. [Online]. Available:
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142
- [11] CREUS S. Antonio, 2006, Instrumentación Industrial, Séptima Edición,
Marcombo S.A., Barcelona –España.
- [12] Municipio del Distrito Metropolitano de Quito Secretaria de Ambiente.
(2010, p.11). Informe Anual 2010 / CALIDAD DE AIRE. [Online]. Available:
http://www.efficacitas.com/efficacitas_es/assets/AM%20050%20Norma%20
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- [13] The Sensor Technology Company, “alphasense,” Fabricantes de
sensores. [Online]. Available: http://www.alphasense.com/
- [14] Hanwei Electronics, “http://www.hwsensor.com,” Fabricantes de
sensores. [Online]. Available: http://www.sensorica.ru/pdf/MQ-131.pdf
- [15] Hanwei Electronics, “http://www.hwsensor.com,” Fabricantes de
sensores. [Online]. Available:
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- [16] Futurlec, “http://www.futurlec.com,” Fabricantes de sensores [Online].
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- [17] Humirel, “http://www.todopic.com,” Sensor de humedad relativa,
sensores [Online]. Available: http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
- [18] “http://www. datasheets.maximintegradted.com,” Sensor de
temperatura [Online]. Available:
http://datasheets.maximintegradted/ds/ds18b20.pdf
- [19] “http://www.datasheetcatalog.org,” Sensor de presión, sensores
[Online]. Available
“http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/MPX4115.pdf
- [20] Alldatasheet, [Online]. Available:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Lm2576
- [21] Datasheets, [Online]. Available: http://www.microchip.com/
- [22] MARTINÉZ, Ignacio, 2000, Microcontroladores PIC Diseño práctico de
- aplicaciones, Segunda Parte, Mc Graw Hill.
- [23] PENAGOS, Juan, 2010, Cómo Programar en Lenguaje C los
- Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones, Segunda Parte,
Quito-Ecuador.
- [24] WinPic800, “winpic800,” Manual de programación para el PIC18F4550,
21 Diciembre 2012. [Online]. Available: http://www.winpic800.com/
143
- [25] Visual Basic, http://www.tecnun.es [Online]. Available
http://www.tecnun.es/asignaturas/Informat1/AyudaInf/aprendainf/VisualBasi
c6/vbasic60.pdf
- [26] AMADEUS, 2010, Conectando un PIC al PC utilizando USB. [Online].
- Available: http://es.scribd.com/
http://es.scribd.com/doc/39501348/Conectando-Un-PIC-Al-PC-Con-El-USB
- [27] HMI, “http://iaci.unq.edu.ar,” Funciones del HMI. [Online]. Available:
- http://www.i-micro.com/pdf/articulos/usb.pdf
- [28]TELEDYNE, API, THERMO, ELE, AQM, Manuales de los analizadores
de gases.
144
ANEXOS
ANEXO A
DATASHEETS SENSORES DE GASES Y
METEOROLÓGICOS
A1. SENSOR DE SO2
A2. SENSOR DE NO2
A3. SENSOR DE O3
A4. SENSOR DE CO
A5. SENSOR DE CO2
A6. SENSOR DE HUMEDAD RELATIVA
A7. SENSOR DE TEMPERATURA
A8. SENSOR DE PRESIÓN
ANEXO B
DATASHEETS MICROCONTROLADORES Y
ELEMENTOS ADICIONALES
B1. MICROCONTROLADOR PIC18F4550
B2. MICROCONTROLADOR PIC16F876
B3. MICROCONTROLADOR PIC16F628
B4. CONVERSOR A/D MCP3208
B5. MEMORIA EEPROM 24LC256
B6. DS1307
ANEXO C
ESQUEMAS CIRCUITALES
C1. CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LOS SENSORES DE
GASES
C2. CIRCUITO DE CONTROL DEL PIC18F4550
C3. CIRCUITO DE CONTROL PARA EL RELOJ Y SENSORES
METEOROLÓGICOS
C4. CIRCUITO DE CONTROL DEL PIC18F4550
ANEXO D
RESPALDO DE LA SECRETARIA DE AMBIENTE
D1. RECOLECCION DE DATOS DE LA PRESION BAROMETRICA
D2. INFORME DE LOS DATOS DE CONCENTRACIÓNES
D3. CERTIFICADO DE FUNCIONAMIENTO
D3. RECOLECCIÓN DE DATOS