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

CalidadAire.pdf

- [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:

http://www2.elo.utfsm.cl/~elo372/complemento2.pdf

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

calidad%20aire%20ambiente%20(2).pdf

- [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:

http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf

- [16] Futurlec, “http://www.futurlec.com,” Fabricantes de sensores [Online].

Available: http://www.futurlec.com/CO2_Sensor.shtml

- [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