DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE ALARMA DE GASES, PARA USO DOMICILIARIO PRIMEROS RESULTADOS

RESUMEN Se presenta el alcance, justificación y primeros resultados del desarrollo del prototipo de alarma de gases, proyecto cuyo objetivo central es detectar la presencia de gas a una concentración de 1000 a 1500 ppm, mediante un sensor de gas de tipo semiconductor para gases (metano, Propano) y proporcionar así información para la prevención de accidentes domiciliarios por presencia de gases no deseados. Este presentara una alerta audiovisual indicadora de peligro en el panel de visualización, se presenta resultados para el diseño del circuito y ensamblaje preliminar satisfactorios. Lo cual hacen que se espere resultados óptimos a la conclusión del trabajo PALABRAS CLAVE: alarma de gas, sensor de gas tipo semiconductor, ensamblaje preliminar

ARIEL P. NINA Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Autónoma Tomas Frías nina_0705@hotmail.com CP 0017 Potosí - Bolivia

1. INTRODUCCION Realizando un estudio de la demanda creciente del recurso energético, como ser el gas tanto natural como licuado, en los hogares de la población boliviana; se identifica que uno de los riesgos a los que se encuentran expuestos los usuarios, es la probabilidad de posibles incendios o saturación del mismo en el ambiente, situación por demás alarmante. Para evitar dicha situación, se han diseñado varias tecnologías, que ayudan a la detección oportuna de la presencia del gas en el medio, como ser sensores de diferentes elementos gaseosos que detectan una concentración determinada. Una de las grandes limitaciones para la adquisición de una alarma de GAS (Metano Propano) en el mercado común son: el alto costo y la falta de importación de estos productos electrónicos, lo que condiciona a buscar la elaboración de un prototipo de alarma de gas; para conseguir mayor accesibilidad a dicho producto.

2. CONTENIDO 2.1 ANTECEDENTES Una Alarma de gas esta basado sobre todo en un sensor de gas, es decir un sensor químico que se basa fundamentalmente en la toma de una muestra de partículas que produce un cambio físico o químico de un material sensible, el que, mediante un circuito de interfase, provoca una señal eléctrica que constituye la respuesta del sensor1

Un estudio elaborado integralmente en la República Argentina; indican la elaboración de un detector Dual para Monóxido de Carbono CO y Gases: Natural Metano CH4, GLP Propano, Butano y Gases combustibles (INTI; 2006)2

En los últimos años ha habido un interés creciente para controlar los contaminantes del aire y monitorizar 1 Gardner;1994; Pág. 3 2 I.N.T.I, Instituto Nacional de Tecnología Industrial de la República Argentina.

gases tóxicos. La necesidad de obtener sensores de gas de bajo coste y pequeños tamaños sigue aumentando. Muchos sensores de gas están comercialmente disponibles, pero ellos normalmente responden a varios compuestos. Por eso la demanda de sensores de alta sensibilidad y selectividad incrementa.( Mariana Stefanova Stankova- 20 de septiembre de 2004). Se puede observar en los datos estadísticos según Y.P.F.B., que el crecimiento de instalaciones de gas natural domiciliario va incrementándose y a la par el riesgo de accidentes domiciliarios. 2.2 MARCO TEORICO Se realiza el diseño de un prototipo de alarma de gas con un sensor de tipo semiconductor para su fácil manejo y control de este. PRINCIPIO DE FUNCIONAMINENTO DEL SENSOR DE GAS A veces en lugar de sintetizarse, formando pequeñas bolitas, el SnO2 en películas delgadas o gruesas sobre una base de baquelita, la temperatura de funcionamiento requerido se obtiene, generalmente haciendo circular una pequeña corriente eléctrica a través del filamento que es una Aleación de NI – Cd este esta instalado dentro del sensor, la resistencia del material cambia rápidamente de acuerdo a los cambios en la concentración de gas. Específicamente, las reacciones entre el oxigeno superior y el gas incidente, provocan un cambio dinámico del potencial eléctrico en el cristal de SnO2, originando el aumento de la resistencia del sensor bajo la presencia de gases tales como (CO), Metano, Propano. Los sensores de gas de oxido metálico se caracterizan mediante varios parámetros, siendo los mas importantes la resistencia absoluta (Rs), la resistencia relativa (R/Ro) y la sensibilidad o relación de cambio de la resistencia. Todos ellos están relacionados con la forma como cambia la resistencia del sensor en

función de la concentración del gas bajo condiciones específicas de temperatura y humedad. TIPOS DE SENSORES Existen numerosos tipos de sensores de gases que pueden clasificarse en función de los diferentes mecanismos que utilizan en la detección.

• Sensores de gases sensibles a cambios de masa: estos sensores poseen un material sensible sobre un elemento vibrante, de tal forma que un cambio en la masa se traduce en una variación de la frecuencia de resonancia.

• Sensores de gas de efecto de campo (GASFET): detectan cambios en el voltaje de puerta de un MOSFET cuya puerta es un metal sensible a gases.

• Pellistores o sensores catalíticos: el principio de detección está basado en el cambio producido en el valor de la resistencia un hilo de platino con la temperatura.

• Sensores ópticos: este tipo de sensor utiliza como principio de detección la medida de diferentes propiedades ópticas como la absorción, la transmisión o fluorescencia.

• Células electroquímicas: el sensor consta de un electrodo metálico en contacto con el gas a detectar y un segundo electrodo de referencia en contacto con una concentración de referencia de dicho gas. El principio de medida se basa en el potencial electroquímico generado, cuyo valor depende de la concentración de gas.

• Sensores de gases de tipo semiconductor: estos sensores se basan en el cambio de valor de la resistencia en un óxido metálico en presencia de un gas debido a la absorción del gas a medir.

Haciendo un análisis de los diferentes tipos de sensores de gas, se determina

el sensor de gas SCM 133, sensor de gas de tipo semiconductor que presenta todos los requerimientos necesarios para nuestro prototipo y mayor garantía por ser de procedencia americana. CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR SCM 133 La alta sensibilidad y buena selectividad para vapores y gas Natural y licuado, cuyas dimensiones son de 23mm x 20mm y un diámetro de 18mm. Por su tamaño relativamente pequeño y compacto presenta una vida de uso prolongada con una confiable estabilidad. APLICACIONES Es muy apropiado para equipos de detección de fugas, para detectar gas L, metano, izo butano y propano en ambientes cerrados. CARACTERISTICAS INTERNAS DEL SENSOR DE GAS Las características del sensor de gas en su manera física se muestran en la tabla 1 Descripción Materiales Capa sensora de gas SnO2 Electrodo de medición Au Electrodo de medición en la línea de ignición

Pt

Calefactor Aleación de NI – Cd

Cuerpo tubular de cerámica

Al2O3

Componente antiexplosión

Capa doble de acero inoxidable

Anillo de sujeción Recubierto de Ni

Base del sensor Baquelita Base tubular Recubiertas de

Ni Tabla 1 descripción interna del sensor de gas CONDICIONES DE OPERACIÓN Los parámetros de funcionamiento del sensor de gas, eléctricos y sensibilidad se representan en las tablas 2 y 3

Símbolo Descripción Valor de operación

Comentario

VC Voltaje de alimentación

5 V

VH Voltaje de calefacción

5 V

Indistintamente corriente alterna o directa.

PL Resistencia de carga

Ajustable Ps < 25 mW

RH Resistencia del calefactor

33Ω ± 5% A 21 °C

PH Consumo de potencia

Menos que 800 Mw.

Tabla 2 parámetros eléctricos del sensor

Símbolo Descripción Parámetro Rs Resistencia del

sensor 2 KΩ - 20

KΩ (2000 ppm Isobutano)

α (5000/1000) Isobutano

Pendiente de la concentración

≤ 0.6

Condiciones estándar de detección

Temp. 20 °C ± 2 °C, Vc. 5V ± 0.1 Humedad 65% ± 5% Vh. 5V ± 0.1

Tiempo de precalentamiento

Mayor a 24 Horas

Tabla 3 características de sensibilidad CURVAS CARACTERICTICAS DEL SENSOR En la figura 1 se muestra la curva característica del sensor de gas SCM 133, cuya curva es la relación de voltaje de carga (VRL) vs. Concentración de gas a temperatura de 20ºC, una humedad relativa de 56%, con una concentración de O2 de 21% y resistencia de carga de 5KΩ.

Figura 1

En la figura 2 se observa la relación entre la resistencia superficial del HS – 131 y la humedad relativa ambiental. Donde Ro es la resistencia a 20ºC y 0% de humedad relativa y con 5000 ppm de CH4 Rs es el valor de la resistencia a diferentes temperaturas y humedades relativas.

Figura 2 CIRCUITO DE MEDICION Para realizar la medición de la presencia de gas se realiza un circuito como una aplicación típica de detectores de nivel de voltaje, ya que este utiliza un amplificador operacional cuyas dos terminales de entrada, etiquetadas – y +. Se llaman terminales de entrada de diferencial y que el voltaje de salida Vo depende de la diferencia de voltaje entre ellas, es por

esta característica que se utiliza como detector de nivel de voltaje. En el circuito un detector de nivel de voltaje es nuestro detector de gas como se muestra en la figura 3 donde el sensor de gas se monta en una cámara que admite gas. En ausencia de gas la resistencia permanece en un nivel bajo de 2KΩ. El control de sensibilidad esta en VR1 que es un potenciómetro de 10KΩ. Que se ajusta hasta que la alarma se apague. Cualquier gas que entra en la cámara provocan un cambio dinámico del potencial eléctrico en el cristal de SnO2, originando el aumento de la resistencia del sensor y que el voltaje a través de R3 disminuya, conforme Rs resistencia del sensor aumenta arriba de Vref y Vo cambia de –Vsat a +Vsat provocando que se active el TIP41 dando paso a la tensión para que suene la alarma, de igual manera el aumento gradual de corriente de la salida del amplificador, dará paso a que los leds enciendan gradualmente, ya que estos tienen resistencias que varían desde 10KΩ a 42KΩ, esta alarma seguirá hasta que la presencia de gas sea mínima o desaparezca, cuando las partículas de gas salen de la cámara, la resistencia del sensor de gas Rs disminuye y la alarma se apaga. En la figura 4 se muestra el

Figura 3

En la figura 4 se muestra el circuito ensamblado en trabajando sin la presencia de gas la resistencia del sensor no presenta ninguna variación.

Figura 4 En la figura 5 se muestra el circuito cuya resistencia del sensor aumenta dando variando el voltaje y alertando por la presencia de gas GLP que se presenta de un encendedor

Figura 5 AJUSTE DE SENCIBILIDAD Al igual que el fabricante del sensor se sugiere que se use alcohol en concentraciones de 300 a 2000 ppm de isobutano o de gas LP siguiendo los pasos para el ajuste:

• Hacer circular el gas por el medidor

• Si el sensor ha estado almacenado por un periodo largo, precaliente el sensor por lo menos 24 horas, esto con el fin de garantizar que el sensor este completamente estabilizado.

• Al estar detectando la concentración del gas de prueba, ajuste la resistencia hasta obtener una salida apropiada.

• Debido a las que las condiciones ambientales y sobre todo la altura a la que se realiza esta practica a unos 4500msm pueden alterar la sensibilidad del sensor por la falta de oxigeno debido a esto se debe de observar la figura 2 para realizar las correcciones necesarias.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El trabajo contribuirá al desarrollo de una tecnología relativamente nueva en nuestro medio. Dando una mejor respuesta a la falta de este servicio, cuya investigación tendrá un impacto positivo en la reducción del riesgo al que se encuentra expuesta la población, que utiliza el servicio de gas domiciliario. Es necesario seguir las sugerencias que se detallan para el ajuste del sensor de gas, teniendo mucha precaución en el manejo de este. BIBLIOGRAFÍA Referencia de revista

- Curso practico de electrónica industrial y automatización N34 Cekit Pereira Colombia

- NOTIFIER España, s.a.; 2007; Artículo de promoción; BADALONA (Barcelona)

Referencia de libros

- FRAIGI, L.; Malatto, L. ; Tropea, S. ; Roberti, M. ; Barbero, P. ; Noviembre 2002 ”Desarrollo y transferencia al sector productivo de un detector domiciliario de CH4 y CO”; Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e Informática (CITEI); Buenos Aires Argentina.

- GARDNER, J. (1994): Microsensors: Principles and Applications. Chichester: Wiley.).

- LOPEZ, Bosque María Jesús; Diciembre 2003; Desarrollo de Microestructuras de vidrio/silicio para la fabricación de sensores de gase con tecnología CMOS asociad. Universidad Autónoma de Barcelon; Barcelona- España

- Circuitos Lineales Y Amplificadores Operacionales Robert F. Coughiln Frederick F. Driscoll.

- Sensores Acondicionadores y Procesadores de señal SILICA

Referencia virtuales - Pagina Web YPFB Yacimientos

Petrolíferos Fiscales Bolivianos. - Pagina Web SCM Internacional - Mariano Roberti -

mariano@inti.gov.ar Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e Informática (CITEI)

- http://es.wikipedia.org/wiki/Prototipo

- http://www.syscom.com.mx/que_es_alarma.htm

- Universidad Autónoma de Barcelona Desarrollo de micro estructuras

P&C Automatismos Control Y Automatización Industrial @riel P. Nina A. Cel: 72402078 C.P. 21 Operación Y Mantenimiento Eléctrico Vicente Delgado

Potosí – Bolivia Cel: 69607044