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Repositorio de la Universidad Trabajo Caracterización de sensor detector de CO2 mediante cámara climática con aplicaciones redes Escuela de Ingeniería y Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Trabajo Fin de Máster Caracterización de sensor detector de CO2 mediante cámara climática con aplicaciones inalámbricas de sensores. Autor/es Daniel García Romeo Director/es Santiago Celma Pueyo Escuela de Ingeniería y Arquitectura 2011 http://zaguan.unizar.es Caracterización de sensor detector de CO2 mediante cámara climática con aplicaciones en RESUMEN El objetivo de este trabajo es el de la realización y test de circuitos de acondicionamiento de señal para sensores de detección de gases de bajo consumo para su posterior caracterización y comprobación de su funcionamiento y su posible aplicación en redes inalámbricas de sensores para regiones abiertas. Se propone desarrollar un circuito de bajo consumo y baja tensión de alimentación para el acondicionado de la salida de sensores de gases de bajo consumo para mejorar la lectura y obtener medidas de la magnitud correspondiente con adecuada resolución. Para ello, nos centraremos en el uso de sensores de CO2 de Alphasense, caracterizados por disponer de un rango de sensibilidad elevado, así como consumos de menos de 80 mA a 3 V, que podemos considerar reducidos en comparación con la gran mayoría de sensores de gases disponibles en el mercado. Inicialmente se caracterizará la respuesta del sensor escogido, conectado a la electrónica de acondicionado desarrollada, a diferentes concentraciones de CO2 que se controlarán mediante una válvula electrónica de control de caudal. Se obtendrán los diferentes comportamientos del sistema sensor-acondicionado para diferentes temperaturas, dentro del rango típico de aplicaciones ambientales. Los principales objetivos serán por tanto la realización de la electrónica necesaria para una correcta adquisición de la variable a medir, en este caso, dióxido de carbono. Se analizarán los requisitos mínimos de la medida, con el fin de minimizar el tiempo de adquisición de medidas, incrementando así el tiempo de vida operativa de las baterías que alimentan la electrónica. Otro objetivo será por consiguiente, el estudio y la caracterización del propio sensor mediante cámara climática para finalmente y como último objetivo verificar su posible implementación en redes inalámbricas de sensores aplicadas a monitorización de variables del entorno en zonas abiertas, como bosques o zonas industriales, sin la necesidad de disponer de una infraestructura establecida ni en comunicaciones ni en suministro de energía. PALABRAS CLAVE Circuitos de acondicionado, sistemas portátiles, sensores de gases, aplicaciones en ambientes inteligentes, redes inalámbricas de sensores. INDICE 1. Introducción 1 2. Estado del arte 3 2.1. Detección de incendios 3 2.1.1 Detectores de CO 2 4 2.1.1.1 Sensor de absorción de infrarrojos 4 2.2. Sensor de CO 2 para monitorización de emisiones difusas 4 3. Selección del sensor 5 4. Diseño de la interfaz electrónica 8 4.1. Implementación hardware 8 4.1.1 Bloque de alimentación 9 4.1.2 Adaptación del modulo NDIR 9 4.1.3 Circuito de amplificación y filtrado 10 4.1.4 Conexionado del microcontrolador 12 4.1.5 Implementación del prototipo 13 4.2. Implementación software 14 4.1.1 Programación del microcontrolador 14 4.1.2 Programación del Matlab 15 5. Montaje 16 6. Comparativa con dispositivo comercial Alphasense 18 6.1. Estudio de consumo 19 7. Caracterización del sensor 20 7.1. Metodología 20 7.2. Caracterización a temperatura ambiente 21 7.3. Caracterización en el rango operativo de temperaturas 22 8. Impacto del dispositivo en una red inalámbrica de sensores 25 9. Conclusiones y perspectiva de futuro 27 9.1. Conclusiones 27 9.2. Perspectiva de futuro 28 10. Referencias 29 11. Tablas y figuras 30 ANEXOS Anexo.I. Obtención de la concentración de gas Anexo.II. Ampliación de información sobre los resultados experimentales Anexo.III. Relación de instrumentación Anexo.IV. Ampliación de información sobre la tecnología de detección de gas sobre protección contra incendios [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 1 2011 1. INTRODUCCIÓN En la realización de este proyecto final correspondiente al Máster Oficial de Ingeniería Electrónica se ha procedido a la caracterización de sensores de gases unido al desarrollo de los circuitos electrónicos necesarios para el acondicionamiento de las señales provenientes del propio sensor, en vistas a una posible aplicación de estos en redes de sensores inalámbricas para regiones abiertas. El trabajo ha sido realizado dentro del Grupo de Diseño Electrónico (GDE), perteneciente al Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza como parte de su investigación en el desarrollo de redes inalámbricas de sensores para su uso en la prevención de incendios forestales. El estudio se centra en el uso de sensores detectores de dióxido de carbono (CO 2 ), concretamente sensores que usan el principio de no dispersión infrarroja para la obtención de la medida, de la empresa ALPHASENSE, los cuales se caracterizan por su rango de sensibilidad elevado y su consumo reducido (menor de 80 mA) con tensiones de alimentación en torno a 3V. Para la realización de tal estudio, se ha configurado un set-up, con el cual podemos aplicar concentraciones de CO 2 controladas mediante una válvula electrónica de control de caudal, y así observar la respuesta tanto del sensor escogido como de su electrónica de acondicionado. Además, se ha procedido a la observación de la respuesta del sistema sensor-acondicionador en el rango típico de temperaturas de las aplicaciones ambientales para valorar su adaptabilidad a redes inalámbricas de sensores situadas al aire libre. Por tanto los objetivos a cumplir en la realización de este proyecto han sido los siguientes: − Estudio y caracterización del sensor seleccionado mediante cámara climática en el rango de temperaturas típico de aplicaciones ambientales. − Estudio, diseño y realización de la electrónica necesaria para una correcta adquisición de la variable a medir. − Estudio de los requisitos mínimos de la medida con el fin de minimizar el tiempo de adquisición de medidas, incrementando así la vida operativa de las baterías que puedan alimentar la electrónica. − Verificación de su posible implementación en redes inalámbricas aplicadas a monitorización de variables del entorno en zonas abiertas sin la necesidad de disponer de una infraestructura establecida ni en comunicaciones ni en suministro de energía. El principal motivo para la realización de este estudio sobre detectores de dióxido de carbono es doble: por un lado, la intención de comprobar su viabilidad como detectores de incendios de manera que pudieran proveer una rápida alarma sobre la situación actual del fuego y que a su vez resultará precisa para unas medidas más eficaces en su extinción; por otro, la posibilidad de medir emisiones difusas de CO 2 , principal gas responsable del efecto invernadero. Se entienden por emisiones difusas aquellas que no tienen un origen concentrado, como la chimenea de una fábrica, sino que son producto de las actividades humanas cotidianas (tráfico de vehículos, emisiones domésticas, explotaciones animales, etc.) [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 2 2011 El lector encontrará en este documento: el estado del arte, donde se realiza un breve resumen de los actuales diseños y configuraciones para el uso de sensores como el que se presenta en este documento en otros grupos de investigación. Seguidamente se procede a la presentación del sensor y sus características junto con la electrónica diseñada para el acondicionamiento y adquisición de sus señales. Posteriormente, se muestran los resultados obtenidos para el conjunto sensor-acondicionador en las diferentes situaciones de estudio junto con las posibles implicaciones que supondría la inclusión de estos dispositivos en las redes de sensores inalámbricas desarrolladas en el propio grupo para el cual se realiza este trabajo y finalmente se concluye en vistas a los resultados obtenidos dando respuesta a los objetivos marcados previamente en este apartado. Además, se incluyen posibles líneas de trabajo futuras y mejoras a realizar. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 3 2011 2. ESTADO DEL ARTE En los últimos años hemos sido testigos de los avances en tecnologías móviles que unido a la realización de sensores cada vez más pequeños han provocado que el uso de sensores de bajo coste y consumo sea una realidad en ámbitos muy diversos, como monitorización medioambiental, redes militares de sensores, aplicaciones para salud, redes para detección de elementos químicos o biológicos, etc. [1] En concreto, para la monitorización medio ambiental, la detección de CO 2 se ha convertido en un tema importante en la detección temprana y prevención de incendios forestales, así como para el control de las emisiones difusas de este gas, principal causa del efecto invernadero. [2] [3] 2.1 Detección de incendios En cuanto a los detectores de incendios actuales, podemos decir que existen una gran variedad de estos y que quizá sería buen comienzo enumerarlos para dar una idea de dónde se sitúa el sensor utilizado en este trabajo. La clasificación es la siguiente: • Detectores de incendio no automáticos: Los pulsadores manuales son detectores de incendio no automáticos que tienen que ser activados por una persona en caso de incendio. • Detectores de incendio semiautomáticos: Pueden reconocer un incendio, pero la alarma se activa manualmente. Normalmente se trata de sistemas de cámaras equipados con el software apropiado que son capaces de detectar cambios en las imágenes grabadas, por ejemplo, la generación de humo o fuegos abiertos. Dado que la fiabilidad de estos sistemas no es suficiente actualmente para activar acciones como la alarma directa de los bomberos o la extinción, estos sistemas son normalmente semiautomáticos. El sistema alerta a las personas de un posible peligro, mientras que la alarma real debe verificarse todavía .[8] [9] • Detectores de incendio automáticos: Captan los fenómenos de incendio como humo, calor, llamas o gas y activan una alarma a través de la central en caso de incendio. • Detectores de incendio para aplicaciones especiales: Para las aplicaciones con un riesgo de incendio superior, donde no puede utilizarse un detector de incendio normal por diferentes motivos, son necesarios detectores especiales. En la minería o la industria pesada, son necesarios sistemas muy robustos que sean capaces de detectar de manera fiable incendios en condiciones medioambientales extremas. Por ejemplo, las chispas en los conductos de transporte utilizados en la industria textil deben detectarse e iniciarse inmediatamente medidas apropiadas, ya que de lo contrario las consecuencias podrían ser devastadoras. Los detectores de incendio normales reaccionan demasiado lento para dichas aplicaciones mientras que aquí son necesarios sistemas que reaccionen en pocos milisegundos. Obviamente, el sensor usado en este estudio pertenece a los detectores de incendios automáticos ya que en su finalidad estaría captar la cantidad de dióxido de carbono y en caso de ser necesario, se activaría una alarma de la manera que el sistema lo tuviera configurado. Una vez establecido esto, podemos dar una breve descripción de cómo y por qué se usan detectores de CO 2 para la detección de incendios. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 4 2011 2.1.1 Detectores de CO 2 Los detectores de CO 2 resultan eficaces en fuegos abiertos ya que un incendio de este tipo quema una carga considerable por unidad de tiempo, lo cual está asociado a un notable aumento de la temperatura y una alta producción de CO 2 . El CO 2 es un gas muy duradero, motivo por el cual la detección química es bastante difícil. Para detectar CO 2 , en la actualidad se usan principalmente sensores optoacústicos y de absorción de infrarrojos. [16] Ambos métodos son extremadamente apropiados para la detección de gases y vapores combustibles y tienen las mejores propiedades respecto a otras opciones comerciales como el pellistor o la célula electroquímica. (Información ampliada en Anexo IV). En nuestro caso, el sensor usado en este estudio usa el principio absorción infrarroja como así se explica a continuación. 2.1.1.1 Sensor de absorción de infrarrojos Los sensores de gases por absorción de infrarrojos se basan en el principio de que la luz con la misma frecuencia de oscilación natural que la del gas a detectar es absorbida por el propio gas. Esto significa que, en presencia de gas, el fotosensor ya no detecta la luz en la misma intensidad. Esta atenuación de señal permite la medida exacta de la concentración de gas. El sensor de absorción no mide directamente una señal proporcional a la concentración de gas, sino el decremento sufrido por la señal primaria. Por ello, y como explicaremos más adelante, el sensor usado en este estudio toma dos medidas, un valor de referencia y el valor activo que corresponde con el valor decrecido respecto al valor referencia. Dado que este método mide una reducción muy pequeña de una señal relativamente grande, es más susceptible a los efectos de deriva a largo plazo. 2.2 Sensores de CO 2 para monitorización de emisiones difusas Actualmente existen un gran número de dispositivos para la medida de la concentración de CO 2 en ambientes cerrados. La principal característica de estos dispositivos radica en su rango de medida, situándose ésta entre el 0.5% y el 5% de concentración máxima de gas, debido a que concentraciones altas en este rango no son adecuadas para las personas. Por supuesto, también esto es objeto de investigación en numerosos grupos con el objetivo de incluir esto en sistemas de monitorización complejos [10] [11] . En este trabajo se ha configurado la interfaz electrónica para un rango de concentraciones entre 0 y 20% algo superior al mencionado anteriormente, con el fin de permitir monitorizar la concentración de gas en regiones abiertas, aunque no se alcancen estos niveles salvo cuando se produzca combustión. Por lo tanto se trata de un sistema que cumple ambos objetivos, monitorización de concentraciones difusas y detección de combustiones en ambientes exteriores. Los diferentes rangos y las aplicaciones del sensor en cada caso pueden verse en la hoja de características del propio sensor [5] , quedando establecidas de la siguiente manera: 0-5000 ppm para IAQ (Indoor Air Quality), de 0-5% para seguridad, 0-20% para combustión, y finalmente 0-100% para control de procesos industriales. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 5 2011 3. SELECCIÓN DE SENSOR Para la realización de este trabajo, como ya hemos comentado anteriormente, se ha procedido al estudio de un sensor de infrarrojos de la compañía Alphasense, productora de diversos tipos de sensores para detección de gases en ambientes industriales. El motivo de uso de sensores de este tipo es que poseen un bajo consumo y pueden ser alimentados con tensiones pequeñas en comparación con otros métodos de detección de gases [4] . El sensor en concreto, IRC-A1 Carbon Dioxide Infrared Sensor (fig. 1), usa el principio de no dispersión por infrarrojos (sensor NDIR, Non-Dispersive InfraRed) para la detección de dióxido de carbono. Fig. 1. IRC-A1 NDIR Fig. 2 Estructura sensor de CO2 de tipo NDIR Cada sensor consiste en una fuente de infrarrojos, una cavidad óptica, un detector de doble canal de infrarrojos y un termistor interno, este último debido a que el sensor también proporciona la medida de temperatura para la cual detecta el gas. La estructura de este sensor puede verse en la figura 2. El principio de detección es sencillo, el gas se difunde en la cavidad óptica, la luz de la fuente de infrarrojos pasa a través de ésta, donde interactúa con el gas antes de llegar al detector. Como algunos gases absorben radiación infrarroja a una determinada longitud de onda (bandas de absorción), seleccionando adecuadamente la longitud de onda sensible de emisor y receptor, es posible determinar, a partir de la reducción de la intensidad de luz recibida por el fotodetector la presencia del gas correspondiente, así como su concentración. Los sensores NDIR disponen de un canal doble de detección, compuesto por un canal activo y otro de referencia. El canal de referencia detecta toda la luz que llega desde el emisor infrarrojo hasta el receptor. Por su parte, el canal activo detecta la luz con menos intensidad debido a la absorción por parte del gas de parte de esta luz con la misma frecuencia de oscilación natural que el gas. Esta configuración lleva a que el cálculo de la concentración del gas presente se produzca por comparación de ambas señales provenientes del sensor Obviamente, la intensidad de la luz por el canal de referencia no se ve afectada por la presencia del gas a estudiar por lo que el uso de un canal de referencia permite compensar posibles variaciones en la intensidad de la luz, de forma similar a como actúa la conexión de dos sensores idénticos en un puente de Wheatstone. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 12 2011 4.1.4 Conexionado del microcontrolador Los requisitos que debe cumplir el microcontrolador, así como las características de las señales que recibe y genera han sido mencionadas previamente en los puntos anteriores. Básicamente son las siguientes: − Señal cuadrada de alimentación de la lámpara IR. − Señales de reinicio de los condensadores de almacenaje del valor máximo. − Comunicación serie con el PC, compuesta por una señal de reloj (SCL) y por la señal de datos (SDA). Como señales de entrada el microcontrolador tendrá las señales analógicas proporcionadas por los circuitos de filtrado y amplificación, provenientes del módulo NDIR así como la señal de temperatura proveniente de la salida del termistor del sensor, y que deberán ser digitalizadas para poder ser transmitidas al microcontrolador del nodo sensor (durante las pruebas de calibración esta comunicación se ha realizado a un ordenador).El diagrama de bloques de la figura 10 muestra las entradas y salidas del microcontrolador de la interfaz diseñada. Fig. 10. Diagrama de bloques nodo-interfaz. El dispositivo elegido para llevar a cabo estas tareas ha sido un pequeño microcontrolador de 8 bits de Freescale, concretamente un MC9RS08KA8, perteneciente a la familia RS08 y que cumple perfectamente con los requisitos requeridos para este trabajo. Los principales motivos para la elección de este dispositivo han sido su sencillez, el conocimiento y experiencia en el uso del mismo. En la figura 11 se observa el conexionado del microcontrolador y en el cual se aprecia la inclusión de un puerto de entrada añadido en la propia placa que nos servirá para poder realizar acciones de depurado en tiempo real con nuestro dispositivo. Por tanto, una vez explicada la interfaz electrónica elegida podemos presentar el resultado final de la implementación de estos sistemas en una única placa de circuito impreso. Fig. 11. Conexionado del microcontrolador [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 13 2011 4.1.5 Implementación del prototipo El circuito completo diseñado se puede ver en las siguientes figuras: Fig. 12. Vista superior del interfaz electrónico diseñado. Fig. 13. Vista lateral del interfaz electrónico diseñado. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 14 2011 4.2 Implementación software 4.2.1 Programación del microcontrolador En este apartado se explica el software desarrollado para la realización de este proyecto. Como se ha visto en el apartado anterior se requiere la programación de un microcontrolador para la generación de una serie de señales y para la comunicación serie. En cuanto a la generación de señales, para la excitación de la fuente de infrarrojo se necesita una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de 2.5 Hz. Por otro lado, para llevar a cabo el reinicio de los condensadores de captura de los valores máximos de las variables se ha optado por una onda de una frecuencia de 1 kHz. La comunicación serie está destinada a conectar el interfaz diseñado en este proyecto con el sistema procesador instalado en un nodo sensor de una red inalámbrica de sensores, pero para su test previo se ha usado una comunicación serie con un ordenador mediante una tarjeta de adquisición de datos. Debido a esto ha sido desarrollado un pequeño algoritmo en el programa Matlab de modo que al recibir los valores de las variables medidas puede realizar el cálculo de la concentración de gas. Obviamente, el programa desarrollado es perfectamente extrapolable a ser implementado en el procesador instalado en un nodo sensor o incluso podría ser instalada en el propio microcontrolador de la interfaz electrónica si así fuera requerido. Para llevar a cabo esta comunicación serie se ha desarrollado un pequeño protocolo que se presenta en la figura 14. Como es habitual para estos protocolos se usan 2 líneas, una primera de reloj, y una segunda para el envío de datos. La comunicación se estructura en 20 pasos (bits), donde los 3 primeros nos sirven de cabecera, los 3 siguientes son nulos, el séptimo y el octavo son para la cabecera, que corresponde al tipo de variable que estamos mandando, es decir, 00 para la temperatura, 10 para el activo y 01 para la referencia. Seguidamente, se envían los 8 bits del dato y 4 bits más configurados como '1' lógico para el cierre del envío. Fig. 14. Protocolo de comunicación serie [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 15 2011 4.2.1 Implementación en Matlab Para determinar el cálculo de la concentración de CO 2 a partir de las medidas provenientes de la interfaz conectada al sensor se ha desarrollado en Matlab un pequeño algoritmo que incluye las ecuaciones correspondientes. Estas ecuaciones, pueden ser implementadas en cualquier otro sistema, ya sea el nodo sensor de una red inalámbrica de sensores o el propio microcontrolador de la interfaz. Como se ha explicado en el apartado anterior, el sistema inteligente de la interfaz envía las variables activo, referencia y temperatura. Una vez recibidas, el programa realiza el cálculo para la obtención de la concentración de gas, siguiendo los pasos mencionados en el Anexo I sobre el método para la obtención de la concentración. Interfaz gráfica Se ha desarrollado una interfaz gráfica, que nos permite la monitorización de la concentración de gas junto con la lectura de otras medidas importantes como el valor actual de referencia, activo y temperatura. Esto es altamente útil en lo referido a calibración ya que nos da la oportunidad de elegir la mejor configuración posible. El modelo gráfico puede verse a continuación en la figura 15, donde podemos apreciar que existe la opción de cambiar la calibración en función de las lecturas de temperatura y concentración estimada junto con la lectura de los valores de referencia y activo en el mismo momento. Fig. 15. Interfaz gráfica Adicionalmente se ha implementado también un algoritmo que automatiza la toma de valores. En busca de una reducción del tiempo de trabajo y una mejora de la eficiencia del sistema se ha desarrollado un algoritmo que procede al cálculo automático de la concentración de CO 2 . Este sistema obtiene 10 medidas consecutivas, que son promediadas para evitar así posibles desviaciones y obtener un valor más preciso. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 16 2011 5. MONTAJE En este apartado se trata el montaje de los diferentes dispositivos para la realización de las pruebas de medida del sensor. El montaje ha sido realizado en los laboratorios del GDE en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza. El montaje consta de un recipiente hermético de cristal en cuya tapa han sido realizados varios orificios para la entrada y salida de cables y tuberías. El recipiente tiene una capacidad de 2 l, lo que equivale a 2000 cm3. La tapa viene sellada con dos aros de goma que realizan el cierre hermético del mismo. En la tapa hay 4 orificios, en uno de ellos se ha incorporado una llave de paso de vidrio que nos permite la apertura y el cierre de la salida de gas del bote. Esta llave está conectada a una bomba de vacío que realiza el vaciado interior del bote, ya que para la calibración del sensor es necesaria la toma de medidas con el sensor en condiciones de cero gas, como se menciona en el Anexo 1. Fig. 16. Diagrama de bloques del montaje El agujero simétrico a este proviene de un caudalímetro digital que sirve de control de la cantidad de gas que es enviado al bote. A la entrada de este caudalímetro se coloca la botella de CO 2 que nos sirve de fuente de gas. Para hacer posible el flujo de gas por el sistema es necesario hacer descender la presión de salida del CO 2 de la botella, por lo que se ha añadido un regulador de presión encargado de conseguir una presión soportada por el caudalímetro. El caudalímetro elegido pertenece a la empresa Alicat Scientific concretamente a la serie MCS y permite el paso fijo de un caudal establecido seleccionado entre 0.5 SCCM (centímetros cúbicos por minuto) y 50 SCCM [14] . Los otros orificios han sido realizados para la entrada de cables de alimentación y los consecuentes cables conectados entre la placa y la tarjeta de adquisición de datos. La figura 16 muestra el diagrama de bloques de los elementos que toman parte en el montaje del sistema de medición. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 17 2011 Obviamente, el test realizado consiste en la introducción controlada de gas en el bote, donde se encuentra la placa con el sensor. Las lecturas del sensor son enviadas vía una tarjeta de adquisición de datos National Instruments Ni USB-6212 al ordenador que lleva a cabo el cálculo de la concentración. Para las pruebas en el rango de temperaturas se ha introducido el recipiente en una cámara térmica Aralab Fitoterm 22, donde como se detalla posteriormente se ha sometido al dispositivo a test a temperaturas de -10ºC, 10ºC, 30ºC, 50ºC. Las figuras 17 ilustran el montaje completo de las partes mencionadas anteriormente. Fig. 17.A. Imagen montaje de laboratorio Fig. 17.B. Imagen montaje de laboratorio Fig. 17.C. Imagen montaje de laboratorio [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 18 2011 6. COMPARATIVA CON DISPOSITIVO COMERCIAL ALPHASENSE En este apartado se procede a la comparación entre la interfaz electrónica diseñada para este trabajo con el dispositivo comercial ofrecido por la empresa desarrolladora de los sensores de estudio. El objetivo de este punto es comprobar la mejora en las prestaciones con los dispositivos similares ofrecidos en el mercado, como por el ejemplo el dispositivo IRC-TM NDIR CO 2 Transmitter Board. [15] . Fig. 18. NDIR CO2 Transmitter Board Alphasense El dispositivo del que disponemos posee una calibración para ser usado en el rango de 0 a 5% de concentración de gas, por lo que de modo excepcional se ha realizado la comparación en el mismo ámbito de trabajo para el rango establecido por este dispositivo. Para la realización de esta comparación se han introducido varias cantidades de CO 2 de manera progresiva durante cortos períodos de tiempo y observado la reacción de ambos dispositivos ante este suceso. La figura 19 ilustra la desviación existente entre ambos dispositivos. El resultado es un pequeño offset entre la medida realizada por el dispositivo presentado en este trabajo y por el proveniente del fabricante, aunque no es completamente determinante para la detección de este tipo de gas. Las medidas fueron tomadas cada 15 minutos. Fig. 19. Medidas de concentraciones con el dispositivo comercial y el presentado en este trabajo. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 15 30 45 60 75 CO2 [%] Tiempo (minutos) CO2 Alphasense CO2 Interfaz diseñada [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 19 2011 6.1. Estudio de consumo El consumo es uno de puntos importantes sobre los que se debe trabajar para lograr la implementación de este dispositivo en sistemas alimentados por baterías, por ello, es capital conseguir un bajo consumo manteniendo las prestaciones. Las figuras 20 ilustran la diferencia entre los consumos de ambos dispositivos, la figura 20.A se muestra el consumo de la interfaz diseñada configurada la escala para 20mA por cuadro, mientras que la figura 20.B muestra el consumo por dispositivo comercial de Alphasense con una escala de 50 mA por cuadro. Ambas imágenes reflejan claramente la importante reducción en el consumo que realiza la interfaz desarrollada en este trabajo. La primera diferencia entre ambas interfaces puede verse en la alimentación requerida. Mientras que el dispositivo de Alphasense necesita de entre unos 7 a 40 V para funcionar correctamente, aunque para la realización de esta prueba se ha alimentado con 16 V, el dispositivo desarrollado en este trabajo se alimenta a 3V, lo que supone una reducción considerable respecto a lo ofrecido por el fabricante. En cuanto al consumo, la interfaz dada por Alphasense muestra un valor medio de corriente de unos 45 mA, llegando a alcanzar picos de 150 mA, mientras que nuestro dispositivo alcanza un consumo medio de 25 mA con picos máximos que apenas rozan los 80 mA. Fig. 20.A. Consumo interfaz diseñada Fig. 20.B. Consumo interfaz Alphasense Las imágenes mostradas anteriormente muestran el consumo de ambos dispositivos tomados con una sonda de corriente Agilent N2783A conectada a un osciloscopio Agilent Infinium MSO9404A, ambos dispositivos junto con la instrumentación utiliza en este trabajo aparecen enumerados en el Anexo III. Podemos concluir que la interfaz electrónica presentada en este trabajo muestra un consumo menor, dando unas prestaciones muy similares a las ofrecidas por un dispositivo comercial actual, como es el IRC-TM. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 20 2011 7. CARACTERIZACIÓN DEL SENSOR En esta sección se explica el método seguido para la caracterización del sensor, desde la situación inicial con la consiguiente puesta a punto de los dispositivos empleados hasta la obtención del estudio para todo el rango de temperatura a la que el dispositivo podría llegar a trabajar. La sección se divide en tres bloques: un primer bloque donde se explica el funcionamiento del montaje completo y el método utilizado para la obtención de los resultados posteriores. En segundo lugar, se exponen los resultados obtenidos para temperatura ambiente por la interfaz gráfica, con respecto al cálculo teórico de la concentración puntual en el recipiente. Finalmente, siguiendo el mismo procedimiento se procede a la muestra de los resultados obtenidos para el rango de temperatura a las que el dispositivo está preparado para trabajar. 7.1 Metodología Como los dispositivos utilizados ya han sido mencionados en el montaje de los elementos usados para este estudio, se explica a continuación la metodología usada para la obtención de la caracterización del sensor. Gracias a una bomba de vacío conectada al recipiente en el que se realiza el estudio podemos realizar en su interior el vaciado de gases, lo que nos permite la obtención de los parámetros requeridos para la calibración. Como se explica en el Anexo I, estos valores son ACT 0 y REF 0 . Tras la medición experimental de estas variables, obtenemos los siguientes valores: ACT 0 1.0333 V REF 0 1.0633 V Tabla 2. Valores ZERO (Ver Anexo I) Debido a que el elemento sensor no ha sido reemplazado, estos valores se mantendrán fijos durante todos los test realizados. Una vez obtenidos los valores en ausencia de gas, se introduce una concentración conocida que servirá de calibración para el sensor. De acuerdo con las hojas de características del sensor [5] [12] [13] , para el rango de trabajo seleccionado, de 0-20%, se debe aplicar una concentración de aproximadamente un 16 %. Tras las pruebas realizadas con los sensores disponibles se ha optado por una calibración en torno a 17% como se presenta en el siguiente punto de esta sección, ya que el dispositivo mejores resultados con esta cantidad. La información sobre las diferentes calibraciones realizadas se encuentra en el Anexo II. Para conseguir esta concentración, se configura el caudalímetro con una consigna de paso de 48 SCCM. Conociendo que el bote posee 2000 cm3, un 20 % se conseguirá con la introducción de 400 cm3.Por lo tanto, controlando el tiempo de apertura del regulador de presión podremos estimar la concentración de gas introducida en el recipiente. Una vez ha sido introducida en el recipiente la concentración de CO 2 de calibración se mide la temperatura gracias a un termómetro externo, ya que la temperatura dada por el sensor en funcionamiento puede ser ligeramente superior a la real. Este valor junto con el de la concentración real de gas nos sirven para realizar la calibración del sensor. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 21 2011 Calibrado el sensor, y siendo los valores de su calibración almacenados por el software, se repite el proceso de vaciado del recipiente y se comienza con la introducción paulatina de gas y la correspondiente toma de medidas. Para la toma de medidas, se determinan aproximadamente las concentraciones de CO 2 dentro del recipiente en función del tiempo y apertura de la válvula del caudalímetro para una posterior comparación con las lecturas proporcionadas por el interfaz. Estas concentraciones se muestran a continuación. Tiempo apertura (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Concentración aproximada (%) 0 2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 19.2 21.6 Tabla.3. Puntos de medida para caracterización del sensor El software empleado obtiene 10 valores para cada concentración establecida, realizando después el mediado de estos valores para obtener la concentración final obtenida. 7.2 Caracterización a temperatura ambiente Para la caracterización a temperatura ambiente del sensor, se ha procedido a la realización de diversas calibraciones con diferentes concentraciones de calibración en la búsqueda de la mejor configuración posible de la interfaz electrónica. Experimentalmente ha resultado ser mejor la calibración con una concentración de calibración de entorno a un 17% cuyos resultados se muestran en la figura 23. La tabla 4, muestra los valores de calibración. Consigna caudalímetro 48 SCCM ACT 0 1.0333 REF 0 1.0633 CO 2 Calibración estimada 17.28 % Temperatura de calibración 295.3 º K Tabla.4 Valores de calibración [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 28 2011 Este dato nos lleva a la conclusión de que desde el punto de vista del consumo es totalmente viable la inclusión de la interfaz presentada en este documento en una red inalámbrica de sensores. Otro punto a favor es la baja necesidad de conexiones con el nodo sensor, ya que únicamente es necesaria una conexión a la alimentación y líneas de comunicación serie. Esto abre el abanico de posibles conexiones entre ambas, lo que demuestra un gran grado de modularidad entre ambos dispositivos multiplicando así las opciones y ventajas. Por tanto, todas estas lecturas hacen ver que el dispositivo es perfectamente compatible con los nodos sensores disponibles y que además dotarían al sistema con la capacidad de monitorizar dióxido de carbono en los ambientes en los que así se desee, siendo esto una nueva ayuda en la prevención temprana de fuegos así como un sistema fiable para la monitorización de las emisiones difusas de CO 2 que pueden darse en otros ambientes, cuya principal consecuencia es el aumento del efecto invernadero. 9.2. Perspectiva de futuro En cuanto a las posibilidades de futuro, ya ha sido mencionado que el siguiente paso debería ser la optimización de las características conjuntas del dispositivo nodo-interfaz. Es decir, una vez acoplada la interfaz a un nodo sensor se estudiaría las diferentes opciones para su programación conjunta. Algunos puntos a resolver podrían tratar sobre qué sistema inteligente realiza el cálculo de la concentración, o lo que es lo mismo, dónde se implementa el software explicado en los correspondientes apartados de este documento. La opción más lógica sería que la propia interfaz realizara los cálculos pertinentes enviando únicamente al nodo sensor la cantidad actual de concentración de gas. Esto implicaría una reducción del tiempo de comunicación entre ambos sistemas lo que podría suponer una reducción del tiempo de funcionamiento de la interfaz electrónica presentada en este trabajo. La consecuencia directa de esta optimización sería una reducción considerable del consumo realizado por este dispositivo que repercutiría directamente en un aumento de la duración de las baterías que alimentan el sistema. Otro punto a trabajar en el futuro, es el del acoplamiento entre ambos sistemas. Sería muy interesante que la interfaz electrónica de medida de gas, pudiera ser instalable físicamente de una manera directa sencilla, como por ejemplo mediante conexión mini USB. Esto implicaría la realización de un diseño totalmente intercambiable entre nodos sensores similares y aportaría la ventaja de poseer un producto completamente modular. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 29 2011 10. REFERENCIAS [1] B. Krishnamachari, Networking Wireless Sensor, Cambridge. University Press, New York, 2005.. [2] A.Bayo, D. Antolín, N. Medrano, B. Calvo, S.Celma, “Early Detection and Monitoring of Forest Fire with a Wireless Sensor Network System.” Proc. Eurosensors XXIV, September 2010. [3] Jaime LLoret, Miguel García, Diana Bri, Sandra Sendra “A Wireless Sensor Network deployment for Rural and Forest Fire Detection and Verification.” Sensors 2009.September 2009. [4] Yanfeng Wang, Masakatsu Nakayama, Mikiko Yagi, Makoto Nishikawa, Masaichi Fuhnaga, Kenzo Watanabe.“A NDIR CO2 Monitor with Smart Interface fro Global Networking.” IMTC 2004. [5] Alphasense, IRC-A1 Carbon Dioxide Infrared Sensor. Datasheet. June 2009. [6] Jonqwon Kwon, Gwanghoon Ahn, Gyusik Kim, Chun Kim, Hiesik Kim.“A study on NDIR-based CO2 Sensor to apply Remote Air Quality Monitoring System.” ICROS-SICE International Joint Conference 2009. [7] A.Bayo, D. Antolín, N. Medrano, B. Calvo, S.Celma, “Development of a Wireless Sensor Network System for Early Forest Fire Detection.” ITG-Fachbechrit 224 – RFID Systech, June 2010 [8] F.Gómez-Rodriguez, B.C Arrue, A. Ollero ”Smoke Monitoring and Measurement Using Image Processing” Robotics, Computer Vision and Intelligent Control Group, University of Seville. [9] Steven Verstockt, Peter Lambert, Rik Van de Walle, Bart Merci, Bart Sette “State of art in vision-based fire and smoke detection” [10] Song Chen, Tomuo Yamaguchi, Kenzo Watanabe “A Simple, Low-Cost Non-Dispersive Infrared CO2 Monitor” Sicon/02, November 2002 [11] Yanfeng Wang, Masakatsu Nakayama, Mikiko Yagi, Makoto Nishikawa, Masaichi Fukunaga, Kenzo Watanabe “A NDIR CO2 Monitor with Smart Interface for Global Networking” IMTC 2004. [12] Alphasense Aplication Note AAN 201-05 “NDIR Gas Concentration Overview” [13] Alphasense Aplcation Note AAN 202-03 “Electronic Interface and Signal Extraction” [14] Technical Data for Micro-Flow and Ultra-Low-Flow MC Mass-Flow-Controllers. http://alicatscientific.com/documents/specifications/MC05SCCM-50SCCMSpecs.pdf [15] Alphasense, IRC-TM NDIR CO2 Transmitter board. Datasheet. June 2009. [16] Guía Técnica de Protección contra Incendios. Siemens, Building Technologies. 2005. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 30 2011 11. TABLAS Y FIGURAS Se presentan a continuación la relación de figuras y tablas dispuestas en el documento. Fig.1. IRC-A1 NDIR. Fig.2. Estructura sensor de CO2. Fig.3. Esquema interno Modulo NDIR. Fig.4. Diagrama de bloques de la interfaz diseñada. Fig.5. Esquema circuital del módulo NDIR. Fig.6. Circuito de amplificación y filtrado de la señal activa. Fig.7. Circuito inversor para obtención de alimentación simétrica. Fig.8. Señal previa a la amplificación. Fig.9. Señal filtrada y amplificada. Fig.10. Diagrama de bloques nodo-interfaz. Fig.11. Conexionado del microcontrolador Fig.12. Vista superior del interfaz electrónico diseñado. Fig.13. Vista lateral del interfaz electrónico diseñado. Fig.14. Protocolo de comunicación serie. Fig.15. Interfaz gráfica. Fig.16. Diagrama de bloques del montaje. Fig.17. A. Imagen montaje de laboratorio. Fig.17. B. Imagen montaje de laboratorio. Fig.17. C. Imagen montaje de laboratorio. Fig.18. NDIR CO2 Transmitter Board Alphasense. Fig.19. Medidas de concentraciones con el dispositivo comercial y el presentado en este trabajo. Fig. 20. A. Consumo interfaz diseñada. Fig. 20. B. Consumo interfaz Alphasense. Fig. 21. Respuesta del sensor en comparación con la concentración estimada. Fig. 22. A. Curva para temperatura de -10ºC. Fig. 22. B. Curva para temperatura de 10ºC. Fig. 22. C. Curva para temperatura de 30ºC. Fig. 22. D. Curva para temperatura de 50ºC. Fig. 23. Comparación curvas en rango de temperatura. Tabla.1. Rangos de trabajo de IRC-A1 Alphasense. Tabla.2. Valores ZERO. Tabla.3. Puntos de medida para caracterización del sensor. Tabla.4 Valores de calibración. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 31 2011 ANEXO I. OBTENCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE GAS En este anexo se procede a la explicación de los pasos y variables requeridos para la obtención de la concentración de gas. Conviene diferenciar entre dos partes, una primera de calibración y una segunda de obtención de concentración. Calibración del sensor Para la calibración del sensor son necesarios dos parámetros: los parámetros ZERO y SPAN. El parámetro ZERO define la relación existente entre las medidas activas y referencia en total ausencia de gas. Se trata de un parámetro específico del sensor por lo que deberá ser determinado siempre que el sensor sea instalado o reinstalado en un instrumento. #$%&  '( ) %$* ) (a.1) Donde ACT 0 y REF 0 son las señales en ausencia de gas. Para esta medida, será necesario un periodo de calentamiento para el sensor, el cual, deberá ser alimentado y dejado en reposo por un tiempo de entre 10-30 minutos, tomando tras este tiempo las medidas necesarias. Además la temperatura también debe ser recordada. Por su parte, el parámetro SPAN, es la proporción de radiación que afecta al elemento activo del detector y que tiene la capacidad de ser absorbido por el gas de estudio. La ecuación se muestra a continuación: +,-    .+" 1 / exp  3 / 4 " 5 6 (a.2) Donde b y c son coeficientes de linealización que varían en función del rango de estudio al que se quiere someter el sensor y que son mostrados en la Tabla I. Mientras x se refiere a la concentración elegida para llevar a cabo la calibración. Por otro lado, el término ABS x se refiere a la absorbencia medida para la concentración de calibración. Obtención de la calibración Previo al cálculo de la concentración es necesaria la obtención del parámetro ABS que ya ha sido introducido. Este parámetro relaciona las medidas actuales de referencia y activo con las obtenidas en ausencia de gas, de la siguiente manera. .+  1 /   '( %$*  #$%&  (a.3) Una vez obtenidos todos estos valores, se puede proceder a la obtención de la concentración del gas de estudio, en nuestro caso CO 2 . La ecuación que nos proporciona la medida es la siguiente: ' & 7   8 ln ; 1 /  .+ +,- < / 4 = ; > 5 < (a.4) [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 32 2011 Donde los valores ABS y SPAN, son los obtenidos para la concentración de gas actual. Sin embargo, para una mejor obtención de la concentración se procede a la compensación de ambos valores, ABS y SPAN. Se corrige la variable ABS con su desviación en temperatura con la siguiente ecuación: ? 1 / .+ @ A  3 1 / .+ 6 ; 1  B ? (  ( CDE A < (a.5) Donde α es el coeficiente de corrección de la absorbencia, T cal es la temperatura de calibración, ABS , absorbencia no corregida y ABS T , la absorbencia corregida, cuyo valor necesitaremos en el cálculo de CO 2 . Para la corrección de la variable SPAN se usa la siguiente ecuación: +,- @  +,- CDE  F G ? ( / ( CDE A (a.6) Donde β α es el coeficiente de corrección de la variable SPAN , T cal es la temperatura de calibración, SPAN cal es la determinada durante al calibración y SPAN T la corregida. Por tanto la concentración de CO 2 se obtiene de la siguiente manera: '& 7  H ( ( CDE I J K LM ; 1 / .+ @ +,- @ < / 4 N O ; > 5 < (a.7) La concentración vendrá dada en porcentaje de volumen. Los coeficientes a usar en estas ecuaciones vienen mostrados en la siguiente tabla: Tabla I. Coeficientes de linealización y compensación [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ANEXO II. AMPLIACIÓN EXPERIMENTALES. E n este anexo se exponen los resultados obtenidos para diferentes calibraciones con el fin de argumentar la decisión de la elección de la calibración presentada en este trabajo. El en las hojas de características del sensor, recomienda una calibración para una concentración de torno a 16 %. Durante el desarrollo de estas pruebas se ha calibrado el sensor a varias concentraciones y se ha realizado el test de comportamien ellas. Las calibraciones realizadas corresponden a valores entre el 16% y el 20 % como máximo rango de trabajo. Los valores de estas calibraciones son: 16 %,17 %,18 %, 19 %. En las siguientes grá ficas podemos ver los resultados obtenidos: Consigna caudalímetro 48 SCCM ACT0 1.0333 REF0 1.0633 CO2 Calibración estimada 16.18 % Temperatura de calibración 296.3 º K Tabla 1.A Parámetros de calibración Consigna caudalímetro 48 SCCM ACT0 1.0333 REF0 1.0633 CO2 Calibración estimada 17.28 % Temperatura de calibración 295.3 º K Tabla 1.B Parámetros de calibración CO2 [%] Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] AMPLIACIÓN DE INFORMACIÓN SOBRE LOS RESULTADOS n este anexo se exponen los resultados obtenidos para diferentes calibraciones con el fin de argumentar la decisión de la elección de la calibración presentada en este trabajo. El en las hojas de características del sensor, recomienda una calibración para una concentración de Durante el desarrollo de estas pruebas se ha calibrado el sensor a varias concentraciones y se ha realizado el test de comportamien to en el rango de funcionamiento (0 – 20%) para cada una de ellas. Las calibraciones realizadas corresponden a valores entre el 16% y el 20 % como máximo rango de trabajo. Los valores de estas calibraciones son: 16 %,17 %,18 %, 19 %. ficas podemos ver los resultados obtenidos: Fig. 1.A. Anexo II. Resultados 16% Fig. 1.B. Anexo II. Resultados 17% 0 5 10 15 20 25 0 15 30 45 60 CO2 [%] Tiempo (Minutos) CO2 Estimado CO2 Interfaz diseñada -2 3 8 13 18 23 28 012345 CO2 [%] Tiempo (Minutos) CO2 Estimado CO2 Interfaz diseñada Página 33 2011 INFORMACIÓN SOBRE LOS RESULTADOS n este anexo se exponen los resultados obtenidos para diferentes calibraciones con el fin de argumentar la decisión de la elección de la calibración presentada en este trabajo. El fabricante, en las hojas de características del sensor, recomienda una calibración para una concentración de Durante el desarrollo de estas pruebas se ha calibrado el sensor a varias concentraciones y se ha 20%) para cada una de ellas. Las calibraciones realizadas corresponden a valores entre el 16% y el 20 % como máximo rango de trabajo. Los valores de estas calibraciones son: 16 %,17 %,18 %, 19 %. Fig. 1.A. Anexo II. Resultados 16% Fig. 1.B. Anexo II. Resultados 17% 60 75 90 Tiempo (Minutos) CO2 Interfaz diseñada 6789 Tiempo (Minutos) CO2 Interfaz diseñada [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica Consigna caudalímetro 48 SCCM ACT0 1.0333 REF0 1.0633 CO2 Calibración estimada 17.88 % Temperatura de calibración 296 º K Tabla 1.C Parámetros de calibración Consigna caudalímetro 48 SCCM ACT0 1.0333 REF0 1.0633 CO2 Calibración estimada 18.96 % Temperatura de calibración 296 º K Tabla 1.D Parámetros de calibración Salvo para la calibración de 19%, no existe obtenidos para las otras calibraciones. A pesar de esto, de las calibraciones mostradas, la que corresponde a un 17,28% muestra mejores resultados para el rango de trabajo deseado, por lo que ha sido la elegida para realizar el estudio en el rango de temperaturas de trabajo del sensor. Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Fig. 1.C. Anexo II. Resultados 18 % Fig. 1.D. Anexo II. Resultados 19 % Salvo para la calibración de 19%, no existe diferencias muy grandes entre los resultados obtenidos para las otras calibraciones. A pesar de esto, de las calibraciones mostradas, la que corresponde a un 17,28% muestra mejores resultados para el rango de trabajo deseado, por lo para realizar el estudio en el rango de temperaturas de trabajo del sensor. 0 5 10 15 20 25 0 15 30 45 60 75 90 CO2 [%] Tiempo(Minutos) CO2 Estimado CO2 Interfaz diseñada 0 5 10 15 20 25 0 15 30 45 60 75 CO2 [%] Tiempo (Minutos) CO2 Estimado CO2 Interfaz diseñada Página 34 2011 % % diferencias muy grandes entre los resultados obtenidos para las otras calibraciones. A pesar de esto, de las calibraciones mostradas, la que corresponde a un 17,28% muestra mejores resultados para el rango de trabajo deseado, por lo para realizar el estudio en el rango de temperaturas de trabajo del sensor. 90 105 120 135 Tiempo(Minutos) CO2 Interfaz diseñada 90 105 120 Tiempo (Minutos) CO2 Interfaz diseñada [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 35 2011 ANEXO III.RELACIÓN DE INSTRUMENTACIÓN En este anexo se presenta la relación de equipos de instrumentación usados en este . Relación de Instrumentación Osciloscopio Tektronix 210 Osciloscopio Agilent Technologies modelo Infinium MSO9404A Fuente de alimentación HP E3611A Sonda de corriente Agilent 52783A Tarjeta de adquisición de datos National Instruments Ni USB-6212 Caudalímetro Alicat Scientific 16 Series Mass and Volumetric Precission Gas Flow Converter Bomba de vacío Vaccuum solutions Model 2F Regulador de presión INOX 316, regulable 0-3.5 bares Cámara térmica Aralab Fitoterm 22E Termómetro IR TENMA 72-823 Termómetro digital bolígrafo Velleman Tabla II. Relación de Instrumentación [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 36 2011 ANEXO IV.AMPLIACIÓN INFORMACIÓN TECNOLOGÍA DE DETECCIÓN DE GASES PARA PROTECIÓN CONTRA INCENDIOS. Extraído de la Guía de Protección contra Incendios de Siemens, 2005. Referencia 16. Uso de la tecnología de detección de gas La tecnología de detección de gas debe usarse donde puedan desarrollarse de forma desapercibida concentraciones peligrosas de gas. En el caso de amenazas temporales, los sistemas de detección de gas portátiles pueden ayudar a garantizar la seguridad. Sin embargo, en caso de un riesgo permanente, las instalaciones fijas son económicamente favorables. Pueden producirse concentraciones peligrosas cuando, en caso de fuga, el contenido de una botella de gas es suficiente para llegar al límite de explosión inferior en la sala. Con concentraciones incluso menores, el gas sigue siendo combustible, por lo que puede quemarse y consecuentemente producir una conflagración. El “Concepto de protección contra incendios” (véase Capítulo 2), en cualquier caso, debe tener en cuenta estos riesgos, considerando todo el escenario del peligro. Si se garantiza un suministro permanente de aire fresco, incluso en caso de peligro (p. ej., ventilación redundante), puede aumentar el volumen de gas tolerable. Las áreas en las que pueden producirse gases y vapores combustibles se asignan frecuentemente a las denominadas zonas ex (zonas de protección contra explosión). El tipo de zona ex determina la naturaleza del riesgo. Tenga también en cuenta “División de zonas de las áreas de explosión” en el Apéndice. Principios de medida Durante las últimas décadas, la tecnología de detección de gas se ha mejorado y perfeccionado constantemente. Gracias a este esfuerzo, en la actualidad, existen tecnologías de detección muy fiables dentro de sus límites de aplicación. Limitaremos nuestras explicaciones a los principios más importantes en cuanto a ingeniería de seguridad, que detectan de forma automática los gases o vapores combustibles. IV.1. Sensor semiconductor Los sensores semiconductores constan de cuerpos cerámicos de aprox. 5mm de longitud, por ejemplo, revestidos con óxido de cinc. La resistencia eléctrica del revestimiento cambia bajo la influencia del gas a detectar. Para que este efecto sea posible, el cuerpo cerámico debe calentarse por medio de una bobina de calentamiento incorporada, que da como resultado temperaturas de 300 a 400°C. Para las aplicaciones ex, la temperatura de la superficie del cuerpo semiconductor requiere una barrera contra las llamas, normalmente en forma de un disco metálico sinterizado. [ Trabajo Fin de Máster - Máster Oficial en Ingeniería Electrónica ] Página 37 2011 Fig.1 Anexo IV. Esquema sensor semiconductor Este principio reacciona en una amplia gama de gases, determinando la sensibilidad cruzada a partir del comportamiento del revestimiento frente a los gases detectables. El sensor semiconductor también responde a la humedad del aire y a las fluctuaciones de temperatura. La señal de medida cambia más o menos logarítmicamente respecto a la concentración de gas. El área de aplicación del sensor semiconductor está limitada, en base a estas propiedades. En la mayoría de los casos, la concentración de gas no puede determinarse con la suficiente precisión y las falsas alarmas no pueden eliminarse totalmente debido a la sensibilidad cruzada con otros gases. IV.2. Sensor de temperatura de reacción (Pellistor) El pellistor consta de una bolita cerámica (un cuerpo cerámico en forma de perla), de un tamaño de aprox. 2mm, revestida con un catalizador, normalmente de platino. Cuando la temperatura de la superficie aumenta de 500 a 600°C, por medio del calentamiento de la bobina incorporada en la bolita, la presencia de gases combustibles significativamente por debajo de su límite de explosión inferior hace que la superficie del pellistor comience a oxidarse. Esta oxidación aumenta la temperatura de la superficie de la bolita debido a la temperatura de reacción y de este modo también la temperatura de la bobina de calentamiento. A medida que aumenta la temperatura de la bobina de calentamiento del cuerpo del catalizador, aumenta también su resistencia eléctrica. Este cambio puede medirse por medio de una segunda bolita cerámica de referencia no revestida y neutra en lo que respecta a los gases combustibles, pero que por lo demás es idéntica en construcción y también se calienta. En la mayoría de casos, para esta medida se usa un simple circuito eléctrico (puente Wheatstone). Fig. 2. Anexo IV. Esquema pelllistor