Estudio de la respuesta de sensores de gases bajo modulacin de flujo

TITULACIN: Ingeniera Tcnica Industrial en Electrnica Industrial

AUTOR:Vctor Gonzlez Bedia . DIRECTOR: Eduard Llobet Valero .

FECHA: Septiembre / 2008.

ndice general

1

NDICE GENERAL 1. ndice General.................................................................................................................. 1 2. Memoria descriptiva........................................................................................................ 4

2.1 Introduccin ............................................................................................................... 4 2.1.1 Antecedentes ....................................................................................................... 5 2.1.2 Objetivos del Proyecto........................................................................................ 5

2.2 Descripcin general del sistema................................................................................ 6 2.2.1 Ciclos de funcionamiento ................................................................................... 8

Ciclo de Limpieza ............................................................................................ 8 Ciclo de Estabilizacin .................................................................................... 8 Ciclo de Medida ............................................................................................... 9

2.2.2 Diferentes ondas de flujo.................................................................................... 9 Flujo Constante.............................................................................................. 10 Flujo Pulsante. ............................................................................................... 10 Flujo Diente de sierra. ................................................................................... 10 Flujo Senoidal. ............................................................................................... 11 Flujo Triangular. ........................................................................................... 11

2.3 Hardware.................................................................................................................. 12 2.3.1 Bomba peristltica ............................................................................................ 12

Motor en continua ......................................................................................... 13 Cabezal de rotacin ....................................................................................... 14 Reductor ......................................................................................................... 14 Encoder........................................................................................................... 15

2.3.2 Driver de control............................................................................................... 16 2.3.3. Cmara de medida .......................................................................................... 16 2.3.4 Cmara de vaporizacin .................................................................................. 17 2.3.5 Electrovlvulas.................................................................................................. 17 2.3.6 Tarjeta de adquisicin de datos NI-6023E ..................................................... 18 2.3.7 Comunicaciones con la tarjeta......................................................................... 19 2.3.8 La alimentacin ................................................................................................ 19

2.4 Software .................................................................................................................... 21 2.4.1 Funcionamiento del programa ........................................................................ 22

2.4.1.1 Primera ventana ........................................................................................ 22 2.4.1.1.1 Configuracin de los tiempos ............................................................ 22

2.4.1.2 Segunda ventana ........................................................................................ 23 2.4.1.2.1 Configuracin de los parmetros de flujo ........................................ 24 2.4.1.2.2 Ejecucin de los tres ciclos ................................................................. 25

2.4.2 Visualizacin de datos ...................................................................................... 26 2.4.2.1 Parmetros de control ............................................................................... 26 2.4.2.2 Estado de las electrovlvulas .................................................................... 27 2.4.2.3 Tiempo de ejecucin .................................................................................. 27 2.4.2.4 Estado actual .............................................................................................. 28

2.4.3 Representacin grfica..................................................................................... 28 2.4.4 Men .................................................................................................................. 29

3. Memoria de clculo ....................................................................................................... 30

3.1 Hardware.................................................................................................................. 30 3.1.1 Bomba peristltica ............................................................................................ 30

ndice general

2

Motor en continua ......................................................................................... 30 Reductor ......................................................................................................... 31 Encoder........................................................................................................... 31

3.1.2 Etapa de potencia ............................................................................................. 33 Driver de potencia con NMOS ..................................................................... 33 Driver de potencia con amplificador operacional ...................................... 35

3.1.3 Control de las electrovlvulas.......................................................................... 38 3.1.4 Sensores ............................................................................................................. 39

Sensibilidad .................................................................................................... 39 Dependencia de la Temperatura/Humedad ................................................ 40 3.1.4.1 Circuito de medida de los sensores .......................................................... 41

3.1.5 Clculo de la concentracin ............................................................................. 42 3.1.6 Placas PCB ........................................................................................................ 43

3.1.6.1 Control electrovlvulas ............................................................................. 43 3.1.6.2 Etapa de potencia .................................................................................. 44 3.1.6.3 Placa de conexiones ................................................................................... 46

3.2 Software .............................................................................................................. 48 3.2.1 Software del modulador de flujo..................................................................... 48

3.2.1.1 Configuracin de los tiempos.................................................................... 48 3.2.1.2 Configuracin del flujo ............................................................................. 49 3.2.1.3 Ejecucin del primer ciclo ........................................................................ 49 Representacin Grfica................................................................................. 50 Lectura de los Sensores ................................................................................. 50 Control de los ciclos ....................................................................................... 51 3.2.1.4. Ejecucin del segundo y tercer ciclo ....................................................... 53

3.2.2 Controles ActiveX de Visual Basic.................................................................. 54 3.2.3 Control PID ....................................................................................................... 56 3.2.4 Obtencin de medidas ...................................................................................... 60 3.2.5. Tratamiento de datos....................................................................................... 63

Correccin de la pendiente ........................................................................... 64 Clculo FFT ................................................................................................... 64 PCA ................................................................................................................. 65

4.Medidas ........................................................................................................................... 70

4.1 Medidas obtenidas ................................................................................................... 70 Flujo constante 250 ml/min............................................................................... 70 Flujo Triangular a 30mHz ................................................................................ 75 Flujo Triangular a 100mHz .............................................................................. 80

4.2 Procesado de los resultados .................................................................................... 85 Flujo Constante 250 ml/min.............................................................................. 85

- Sin procesado ....................................................................................................... 85 - Escalado ............................................................................................................... 86 - Centrado............................................................................................................... 87

Flujo Triangular a 100 mHz ............................................................................. 87 -Sin procesado ........................................................................................................ 87 -Escalado ................................................................................................................ 88 -Centrado................................................................................................................ 89

Flujo Triangular a 30mHz ................................................................................ 89 -Sin procesado ........................................................................................................ 89 -Escalado ................................................................................................................ 90

ndice general

3

-Centrado................................................................................................................ 91 5. Presupuesto .................................................................................................................... 92

5.1 Hardware.................................................................................................................. 92 5.1.1 Placa de conexiones .......................................................................................... 92 5.1.2 Etapa de Potencia ............................................................................................. 92 5.1.3. Control de electrovlvulas .............................................................................. 94 5.1.4 Hardware de la bomba peristltica................................................................. 95

5.2. Mano de obra .......................................................................................................... 96 5.3 Resumen del presupuesto........................................................................................ 97

6. Pliego de condiciones ..................................................................................................... 98

6.1 Objetivos del pliego de condiciones........................................................................ 98 6.2 Condiciones generales ............................................................................................. 98

6.2.1 Condiciones legales y administrativas ............................................................ 98 6.2.2 Condiciones facultativas .................................................................................. 99 6.2.3 Condiciones econmicas................................................................................... 99

6.3 Condiciones de materiales y equipos ................................................................... 100 6.3.1 Descripcin general del montaje ................................................................... 100

6.3.1.1 Conductores elctricos ............................................................................ 100 6.3.1.2 Conectores ................................................................................................ 100 6.3.1.3 Resistencias fijas ...................................................................................... 100 6.3.1.4 Condensadores fijos................................................................................. 100 6.3.1.5 Circuitos integrados ................................................................................ 101 6.3.1.6 Diseo de placas de circuito impreso ..................................................... 101

6.4 Condiciones de ejecucin y montaje .................................................................... 102 6.4.1 Descripcin general del montaje ....................................................................... 102

6.4.2 Fabricacin de las placas de circuito impreso.............................................. 103 6.4.3 Montaje de los componentes en las placas ................................................... 103 6.4.4 Montaje de la caja .......................................................................................... 103 6.4.5 Comprobacin y ajustes ................................................................................. 104

Anexo ................................................................................................................................ 105

I.1 Programa en Visual Basic ..................................................................................... 105 I.1.1 Cdigo de la primera ventana........................................................................ 105 I.1.2 Cdigo de la segunda ventana........................................................................ 105

I.2 Programas en Matlab ............................................................................................ 115 I.2.1 Cdigo de la funcin para eliminar la deriva ............................................... 115 I.2.2 Cdigo de la funcin para el clculo de la FFT ............................................ 116 I.2.3 Cdigo de la funcin para el clculo del PCA .............................................. 117

Bibliografa....................................................................................................................... 119

Memoria descriptiva

4

2. Memoria descriptiva 2.1 Introduccin Los primeros sistemas de olfato electrnico experimentales aparecieron a finales de los aos ochenta. De hecho se lleva ms de dos dcadas investigando y perfeccionando este tipo de instrumentos, a pesar de lo cual las narices electrnicas actuales distan mucho de la perfeccin y versatilidad del sistema olfativo humano. Desde principios de los noventa existen narices electrnicas comerciales que permiten realizar estudios sobre la utilizacin de esta tecnologa en diferentes aplicaciones. Estos equipos son de carcter genrico ya que los sensores de gases empleados no han sido diseados especficamente para una aplicacin concreta. Sin embargo, debido al estado actual de esta tecnologa hay muchas aplicaciones en las que la optimizacin del instrumento es vital para un funcionamiento eficaz. En este proyecto se pretende estudiar la respuesta dinmica de sensores genricos para as aumentar la discriminacin ante diferentes gases, ya que los sistemas de olfato electrnico basados en sensores de xidos metlicos tienen una baja selectividad. Debido a que los sensores de xidos metlicos no son selectivos a un solo compuesto, lo interesante ser utilizar una matriz de sensores para as poder obtener unos resultados que sern la suma de la sensibilidad de los diferentes sensores. Para cada medida que realicemos con diferentes compuestos obtendremos unos patrones de respuesta diferentes, y as posteriormente podremos analizar estos resultados con tcnicas de reconocimiento de patrones. Pero an as, en el presente proyecto se pretende estudiar la respuesta dinmica de los sensores aplicando una modulacin de flujo, ya que el flujo sobre el cual se hace la medida tiene una influencia directa sobre el resultado. Anteriormente se ha observado que modulando el flujo se obtienen respuestas dinmicas de los sensores que dependen de los gases a detectar y este aspecto es el que se pretende explotar.

Memoria descriptiva

5

2.1.1 Antecedentes Anteriormente la modulacin de flujo ya ha sido estudiada en diferentes ocasiones como en la tesis de Aumento de la Selectividad mediante la modulacin de flujo realizada por Cristhian Manuel Durn Acevedo, y tambin en la realizacin del proyecto Diseo y construccin de un modulador de flujo para un sistema de olfato electrnico realizado por Jaume Segarra Seg. En los anteriores estudios se comprueba que la modulacin de flujo tiene un efecto directo sobre el resultado y esto hace que nos sea til para aumentar la selectividad ante diferentes compuestos qumicos. 2.1.2 Objetivos del Proyecto El objetivo de este proyecto es crear un sistema que nos permita poder variar el flujo que circular por una cmara de sensores en circuito cerrado. Para la realizacin de dicho sistema se utilizar una bomba peristltica que nos servir para poder controlar el flujo deseado en cada momento. El control de dicha bomba se implementar mediante un programa realizado en Visual Basic 6.0 utilizando como instrumento de comunicacin una tarjeta de adquisicin de datos NI-6032E. En este proyecto, a diferencia de anteriores estudios, se aadirn ms tipos de onda para modular el flujo, en concreto una onda triangular y de diente de sierra, y se mejorar el control que se ejerce sobre la bomba peristltica. Adems se crear un sistema ms compacto, ya que se realizarn todas las tareas de control en un mismo programa diseado en Visual Basic 6.0. Para finalizar se llevarn a cabo un conjunto de medidas en las que se utilizar el nuevo tipo de onda triangular. Los objetivos los podemos dividir en los siguientes bloques:

Se disear un hardware para poder realizar la modulacin de flujo, el cual estar compuesto por un circuito cerrado y una bomba peristltica que nos servir para bombear los gases por dicho circuito. Todo esto comunicado con el PC mediante una tarjeta de adquisicin de datos NI-6023E.

Se realizar un programa mediante Visual Basic, que nos servir como

interfaz con el usuario, que podr seleccionar el tipo de modulacin de flujo que desea llevar a cabo. Tambin mediante dicho programa se realizar el control de la bomba peristltica y la lectura de los sensores.

Finalmente se llevarn a cabo una serie de medidas con diferentes

compuestos, para estudiar la efectividad de aplicar la modulacin de flujo, para ello los resultados se estudiarn mediante el mtodo de reconocimiento de patrones PCA.

Memoria descriptiva

6

2.2 Descripcin general del sistema El sistema que se ha diseado para realizar la modulacin estar compuesto por una bomba peristltica, que servir para controlar el flujo que circular por el circuito cerrado que se puede observar en la figura 2.1 (en negrita). Para llevar a cabo el control de la bomba se ha diseado una etapa de potencia cuya finalidad es amplificar la seal PWM que obtendremos de la tarjeta de adquisicin de datos del PC. Dentro del circuito por el cual circularn los gases se han aadido dos electrovlvulas, que conmutndolas conjuntamente servirn para poder abrir el circuito y dar entrada del aire procedente del exterior, hacindolo circular por el circuito y as realizar un ciclo de limpieza expulsando dicho aire por la electrovlvula de salida, como se indica en la figura 2.1. Para poder gobernar las dos electrovlvulas se ha implementado un driver de control, que se ha utilizado para amplificar la seal digital procedente de la tarjeta del PC.

Cmara de

injeccin

Cmara de

sensores

Etapa de

potencia

Bomba

peristltica

Control

electrovlvulas

Salida de aire Entrada de aire

Flujo

NI-6023 E

PC

Encoder

Figura 2.1. Esquema general del modulador Con el fin de poder insertar las muestras a analizar en el circuito, se ha incluido una cmara de inyeccin, en la cual introduciremos nuestras muestras lquidas mediante una jeringuilla. Una vez dentro de la cmara de inyeccin, stas se vaporizarn, de manera que ya tendremos la muestra a medir dentro de nuestro circuito. Para finalizar el montaje del sistema nos hace una falta una cmara se sensores, que ser donde hagamos las mediciones de la muestra inyectada. La lectura de los sensores se realizar con los canales analgicos de la tarjeta del PC.

De manera que el sistema final quedar de la siguiente forma:

Memoria descriptiva

7

Figura 2.2 Diagrama de bloques del sistema

Para modular el flujo del sistema se realizar una actuacin sobre la bomba peristltica, de manera que si queremos un flujo constante tendremos que conseguir una velocidad determinada en la bomba peristltica ya que existe una relacin lineal entre velocidad/flujo. En el caso que queramos formas de flujo diferentes se aplicarn seales de control sobre la bomba para poder controlarla en un sistema en lazo cerrado, estas formas de ondas podrn ser sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. Mediante un solo programa diseado en Visual Basic 6.0 se llevarn a cabo todas las tareas de control de la bomba peristltica y las electrovlvulas, sin olvidar que tambin realizaremos la lectura de los sensores peridicamente. Por lo tanto gracias a las posibilidades que nos da la tarjeta de adquisicin de datos quedar un sistema muy compacto.

Memoria descriptiva

8

2.2.1 Ciclos de funcionamiento

Ciclo de Limpieza Antes de llevar a cabo una medida hemos de realizar previamente un ciclo de limpieza del circuito, con el objetivo de evacuar cualquier resto del compuesto que haya sido medido por ltima vez, si no se realiza dicho ciclo corremos el riesgo de que la medida que se haga no tenga la concentracin que nosotros esperamos, incluso que pueda estar mezclada con otros compuestos. Para hacer un ciclo de limpieza hemos de conmutar las dos electrovlvulas conjuntamente, de manera que por una entrar aire del exterior y por la otra se evacuar una vez haya recorrido todo el circuito, tal y como se indica en la figura 2.3 (en azul). Para que el ciclo de limpieza sea lo ms eficaz posible se programar la bomba peristltica para que gire a flujo mximo, es decir a 250 ml/min. Un ciclo de limpieza tpico durar 10 minutos.

Figura 2.3. Ciclo de limpieza

Ciclo de Estabilizacin

Una vez hecho el ciclo de limpieza, ya tenemos el circuito sin restos de ningn compuesto, por lo tanto, mediante la cmara de inyeccin y la jeringuilla ya podemos introducir en el circuito nuestra muestra a medir. Pero antes de empezar a medir modulando el flujo tenemos que repartir por todo el circuito la concentracin que acabamos de introducir, esto lo realizaremos cerrando las dos electrovlvulas y programando la bomba peristltica para que gire a 250 ml/min, que es el flujo mximo, como se puede observar en la figura 2.4 (en azul).

Memoria descriptiva

9

Figura 2.4. Ciclo de Estabilizacin Con este ciclo conseguiremos hacer un repartimiento de la concentracin por todo el circuito y daremos tiempo para que los sensores se estabilizen al valor de resistencia que les corresponde para la concentracin y tipo de gas introducido, ya que tardan un tiempo en conseguirla. La estabilizacin dura tpicamente 5 minutos.

Ciclo de Medida Cuando se hayan realizado los dos ciclos explicados anteriormente, ya podremos pasar a realizar el ciclo de medida. En este ciclo lo que haremos ser modular el flujo seleccionando el tipo de onda que nosotros deseemos, podremos elegir la amplitud de la onda y la frecuencia. Para llevar a cabo la medicin se mantendrn las electrovlvulas cerradas, que ya se cerraron en el ciclo de estabilizacin, y se empezar a realizar un control en lazo cerrado sobre la bomba peristltica para poder hacer la modulacin de flujo. El recorrido que seguir el flujo es el mismo que el indicado en la figura anterior. El tiempo de medida dura tpicamente 15 minutos. 2.2.2 Diferentes ondas de flujo Una vez llegados al punto de realizar una medida, deberemos seleccionar el tipo de onda que queremos llevar a cabo para el modulador. Existen cinco tipos de flujo diferentes para elegir: Flujo constante, flujo pulsante, flujo senoidal, flujo triangular y flujo diente de sierra. Esto se consigue modificando la seal que controla la bomba peristltica. Cuando ya hayamos seleccionado el tipo de flujo, tendremos que definir el resto de parmetros de cada tipo de onda, como son la amplitud de la onda y la frecuencia. La amplitud estar establecida entre valores de 0 a 250 ml/min, y la frecuencia podr ser la

Memoria descriptiva

10

elegida por el usuario en unidades de mHz. El rango de frecuencias est establecido entre 0 y 6.666 mHz, que viene dada por la resolucin del timer. A continuacin se mostrarn imgenes de los diferentes tipos de flujo que se pueden llevar a cabo con el modulador de flujo, con la lnea azul se marcar la consigna y con la lnea roja el flujo real:

Flujo Constante, en la siguiente grfica se puede observar el resultado de aplicar una modulacin de flujo a 100ml/min.

Figura 2.5. Flujo constante

Flujo Pulsante, en la siguiente imagen se observa el resultado de aplicar un tipo de

onda pulsante con una frecuencia de 250 mHz y una amplitud de onda de 250 ml/min.

Figura 2 6. Flujo Pulsante

Flujo Diente de sierra, a continuacin se muestra el resultado de aplicar un flujo con un tipo de onda diente de sierra con una frecuencia de 250 mHz y una amplitud de onda de 250 ml/min.

Memoria descriptiva

11

Figura 2.7. Flujo diente de sierra

Flujo Senoidal, la siguiente imagen muestra una modulacin de flujo senoidal con

una amplitud de onda de 250 ml/min y una frecuencia de 250 mHz.

Figura 2.8. Flujo senoidal

Flujo Triangular, en la siguiente figura se ven los resultados de aplicar un flujo

triangular con una frecuencia de 250 mHz y una amplitud de 250 ml/min.

Figura 2.10. Flujo triangular

Memoria descriptiva

12

2.3 Hardware La herramienta ms importante para hacer la modulacin de flujo es sin duda la bomba peristltica, mediante ella se ha realizado el control del flujo que circular en el circuito cerrado de nuestro sistema. La bomba peristltica esta compuesta por un motor en continua, que ser el que provoque el movimiento giratorio, tambin se ha acoplado un reductor al motor, para adecuar la velocidad al cabezal de rotacin. Finalmente para calcular la velocidad de giro se ha montado un encoder en el motor, el cual leeremos para calcular el flujo. A parte de la bomba peristltica tambin son necesarios otros componentes que nos servirn para realizar un modulador de flujo completo. Dichos componentes sern: las dos electrovlvulas, la cmara de vaporizacin, la cmara de sensores, los mdulos de control de las electrovlvulas y la bomba peristltica y finalmente la alimentacin de todas las partes mencionadas, sin olvidar la tarjeta de adquisicin de datos NI-6023E que estar instalada en el ordenador.

Figura 2.11 Vista del sistema

2.3.1 Bomba peristltica Su principio de funcionamiento imita al sistema de la digestin humana llamado movimiento peristltico, que consistente en la contraccin y sucesiva relajacin de un msculo alrededor de un tubo que as mueve su contenido.

Memoria descriptiva

13

En nuestro caso, la bomba posee un tubo elstico (de silicona) que es continuamente aplastado en toda su longitud por rodillos adecuadamente colocados; entre un paso y el otro del rodillo impulsor, el tubo recupera su dimetro original provocando un vaco idneo para aspirar el producto a bombear. Se ha decidido utilizar este tipo de sistema para bombear el flujo debido a que es un sistema que nos proporciona una buena accin de bombeo con caudales precisos, y pueden funcionar en seco sin deterioro. Su mantenimiento es muy sencillo ya que el nico componente sujeto a desgaste es el tubo de silicona, que se puede cambiar en pocos minutos y de manera sencilla. A continuacin se muestra un diagrama del montaje de la bomba peristltica:

Figura 2.12.Diagrama de la bomba peristltica

Para el montaje final de bomba peristltica sern necesarios ms componentes (ver figura 2.12), que nos servirn entre otras cosas para adecuar nuestro sistema a un rgimen operativo ya definido, que ser ente 0 y 250 ml/min. A continuacin se describen las diferentes partes de la bomba peristltica:

Motor en continua A la hora de elegir el motor la caracterstica ms importante a tener en cuenta es la velocidad mxima que nos puede dar, ya que de esta depende el flujo mximo que podremos bombear. Por ello se ha decidido utilizar un motor con una velocidad mxima de 8400 r.p.m, que conjuntamente con un reductor se adecuar a la velocidad de giro del cabezal de rotacin de la bomba peristltica. El motor se alimentar a 24 V de tensin nominal y ser de la marca Maxon Motors, ms concretamente el modelo A-max 26 11W.

Figura 2.13. Esquema motor contnua

Memoria descriptiva

14

Cabezal de rotacin El instrumento bsico que nos servir para crear el movimiento peristltico ser el cabezal de rotacin, ste esta compuesto por una cabeza giratoria con doble rodillo. El funcionamiento de la bomba peristltica se basa en el rodillo que comprime el tubo, y ste, al recuperar su tamao normal absorbe lquido/aire que luego quedar atrapado por los rodillos y saldr expulsado del tubo. El caudal para un determinado dimetro interior del tubo depende de la velocidad de los rodillos y, por lo tanto, de la tensin de accionamiento del motor. Sin un control de la velocidad del motor puede conseguirse fcilmente una reduccin de velocidad lineal, reduciendo la tensin del motor. Sin embargo, una reduccin por debajo del 50% exige unas tcnicas de control de realimentacin para mantener lineales las caractersticas de tensin/velocidad. El cabezal de rotacin esta unido directamente a la salida del reductor, es decir que el flujo que provocaremos es directamente proporcional a la velocidad del motor. Teniendo en cuenta las especificaciones del cabezal, hacindolo girar a 140 r.p.m el flujo mximo que puede bombear es de 250 ml/min, por lo tanto habremos de adecuar el reductor a estas especificaciones.

Figura 2.14. Cabezal de rotacin Figura 2.15 Esquema del cabezal de rotacin En la Figura 2.15 se pueden ver las diferentes partes de la bomba peristltica, las cuales son A eje del motor, B tornillo de presin, C tubo de silicona, D orificio, E abrazadera del tubo, F conjunto de rodillos con muelles.

Reductor El reductor es el encargado de reducir la velocidad del motor a la velocidad mxima que puede aguantar el cabezal de rotacin. La colocacin ser entre el encoder y el cabezal de rotacin, as podremos leer directamente la velocidad del motor y esto nos aportar una mayor precisin a la hora de calcular el flujo.

Para adaptar la velocidad del motor a la del cabezal de rotacin utilizaremos un

reductor de la marca Maxon Motors modelo GS 38.

Memoria descriptiva

15

Figura 2.16. Esquema del reductor

Encoder

La eleccin de este componente es muy importante, ser el encargado de cerrar el lazo de control, nos proporcionar una seal digital mediante la cual podremos calcularnos la velocidad de giro del motor y posteriormente el flujo. Su colocacin ser justo detrs del motor, de esta manera obtendremos una seal que nos valdr para calcular la velocidad de giro. Teniendo en cuenta que se ha instalado un reductor, habremos de dividir la velocidad entre 60, que es la velocidad final de giro del cabezal de rotacin. El encoder se alimentar a 5 V en continua y nos proporcionar 16 pulsos por cada vuelta que d el motor.

Figura 2.17. Esquema del Encoder

Memoria descriptiva

16

2.3.2 Driver de control Para llevar a cabo el control de la bomba peristltica ser necesario hacer una placa PCB, que nos permita poder comunicar el motor con la tarjeta de adquisicin de datos instalada en el PC. El objetivo de esta placa ser recibir una seal PWM procedente del PC, amplificarla y excitar el motor. A la misma vez tambin nos servir para enviar la seal del encoder al ordenador y poder hacer el clculo de velocidad. A continuacin se muestra un diagrama del driver de control.

Figura 2.18. Diagrama del driver de control

Dentro del bloque amplificador mostrado en la figura 2.18, se disear un circuito para transformar la seal PWM en una seal de tensin continua para excitar el motor, que ms tarde se detallar. 2.3.3. Cmara de medida Dentro de la cmara de medida se instalarn los sensores para realizar las medidas, la cmara que se ha utilizado tiene capacidad para instalar hasta 6 sensores, pero para realizar las medidas solo se pondrn 3. La cmara esta compuesta por capas de metacrilato y tiene un orificio en cada lateral para poder tener una entrada y salida de aire.

Figura 2.19.. Cmara de medida

Memoria descriptiva

17

Tanto en la parte superior como en la inferior tiene instaladas dos placas PCB, que estn diseadas para poder alimentar a los sensores y obtener la seal de salida de los mismos. En la imagen 2.19 se puede ver la cmara de medida abierta. 2.3.4 Cmara de vaporizacin La cmara de vaporizacin nos servir para poder insertar la muestra dentro de nuestro circuito, la cmara usada esta compuesta por un recipiente hermtico de metacrilato, dicha cmara tiene unas dimensiones de 7.7 5.2 4.9 cm3, lo que nos aporta un volumen de 0.196 litros, el volumen nos ser muy til para calcular la cantidad de muestra que tenemos que inyectar con la jeringuilla y conseguir as la concentracin deseada. Para poder inyectar la muestra utilizaremos una jeringuilla que clavaremos en un orificio que esta sellado con un septum, as introduciremos la muestra en estado lquido que se volatizar de manera casi instantnea. En la parte superior dispone de dos orificios que utilizaremos como entrada y salida de aire para poder bombear la muestra que hemos introducido.

Figura 2.20. Cmara de vaporizacin

2.3.5 Electrovlvulas Con el objetivo de poder llevara cabo el ciclo de limpieza, ser necesario poder tener una entrada y salida de aire. Por ello se instalarn dos electrovlvulas de 3 vas y dos posiciones , como se muestra en la siguiente imagen.

Figura 2.21. Diagrama de las electrovlvulas

Memoria descriptiva

18

Los accionamientos de las dos electrovlvulas sern elctricos y estarn conectados conjuntamente, ya que el cambio de posicin de las electrovlvulas nos interesa que se haga en el mismo instante para abrir el circuito. Para activar los accionamientos de las dos electrovlvulas se utilizar una fuente de alimentacin exclusiva, ya que el consumo es muy elevado. Para dar el paso de la corriente a los accionamientos se disear una placa que bsicamente contiene un rel gobernado por una seal digital procedente de la tarjeta de adquisicin de datos del PC. 2.3.6 Tarjeta de adquisicin de datos NI-6023E La comunicacin del ordenador con el exterior se ha efectuado mediante una tarjeta de adquisicin de datos de la casa National Instruments NI-6023E. La tarjeta va instalada en el interior del ordenador, exactamente en el bus PCI. Para utilizarla la programaremos en Visual Basic 6.0 , ya que es un lenguaje de programacin compatible con la tarjeta, para poder acceder a ella mediante software utilizaremos controles ActiveX que ya vienen en los drivers del software.

Figura2. 21. Esquema de la tarjeta NI-6023E

Las caractersticas bsicas de la tarjeta son las siguientes:

Memoria descriptiva

19

16 canales analgicos de entrada a 200 kS/s o 12 bits de resolucin con un rango de 10 V.

8 canales digitales I/O (TTL/CMOS). 2 Contadores/Temporizadores de 24 bits.

Para la realizacin del modulador de flujo se utilizar: un contador para leer la seal del encoder, un temporizador para generar la seal PWM, tres seales analgicas para leer la salida de los sensores y finalmente una seal digital para activar y desactivar las electrovlvulas. 2.3.7 Comunicaciones con la tarjeta Como ya se ha comentado, para llevar a cabo el control del sistema, solamente vamos a utilizar un nmero limitado de seales procedentes de la tarjeta, por lo tanto ser necesario realizar el diseo de una placa con diferentes conectores para comunicarnos con las diferentes partes del modulador de flujo. El objetivo de la placa a disear es agrupar en conectores PCB los diferentes tipos de seal que vamos a utilizar, y para ello haremos tres agrupaciones, una ser con las seales analgicas que leern la salida de los sensores, otra ser con seales digitales para controlar las electrovlvulas y finalmente otro con las seales de los contadores y temporizadores para hacer el control de la bomba peristltica. En la figura 2.22 se muestra una imagen de la placa.

Figura 2.22. Imagen de la placa de conexiones

2.3.8 La alimentacin Las diferentes partes que componen el montaje requieren de una alimentacin en corriente continua y a diferentes tensiones. A continuacin se nombran los diferentes componentes y su tensin de alimentacin:

Memoria descriptiva

20

Motor en DC: 24 V Electrovlvulas: 24 V Encoder: 5 V Sensores: 5V aplicados al elemento calefactor y 10 V aplicados a la resistencia

sensora. Para alimentar las partes anteriormente mencionadas nos har falta ms de una fuente de alimentacin. En vista de que la corriente consumida por las electrovlvulas es muy elevada (alrededor de 1 A) se ha optado por utilizar una fuente exclusiva para alimentarlas, ya que si juntamos las alimentaciones de las electrovlvulas y la del motor podramos no tener la corriente suficiente, tambin se ha optado por separarlas para evitar posibles corrientes de retorno que podran daar la tarjeta de adquisicin de datos. La tensin de alimentacin del encoder se sacar de la tarjeta de adquisicin de datos , ya que slo son 5 V. Las alimentaciones de los sensores se conectarn a una fuente de alimentacin regulada para obtener los 5 y 10 V necesarios. Finalmente slo nos queda por alimentar el motor, para ello emplearemos una fuente exclusiva, ya que no nos interesa juntarla con la alimentacin de las electrovlvulas.

Memoria descriptiva

21

2.4 Software Toda la parte hardware anteriormente explicada estar gobernada mediante un programa realizado en Visual Basic 6.0, que funciona bajo el sistema operativo Windows. La eleccin del lenguaje de programacin Basic es debido a que es fcil de utilizar y nos permite crear aplicaciones grficas para comunicarnos con el usuario. Tambin hay que decir que el precio que hay que pagar por utilizar el Visual Basic 6.0 es una menor velocidad o eficiencia en las aplicaciones. El software que se ha realizado se basa en acceder a la tarjeta de adquisicin de datos, que es la que ha hecho de comunicacin entre la parte hardware y software. Gracias a los controles ActiveX que vienen con el driver de la tarjeta podremos llevar a cabo el control. Una vez hecha la parte de control tendremos que llevar a cabo una serie de medidas para comprobar la efectividad de aplicar la modulacin de flujo, para ello procesaremos la informacin obtenida de las medidas con un programa diseado en Matlab. En los siguientes apartados daremos una explicacin del funcionamiento del software, el diseo del programa ms detallado lo veremos en la memoria de clculo.

Memoria descriptiva

22

2.4.1 Funcionamiento del programa El programa diseado se ha hecho con el objetivo de que sea lo ms intuitivo posible para el usuario, por lo tanto utilizaremos bsicamente botones de comando y cuadros de texto entre otras herramientas que nos da el Visual Basic. En el diagrama mostrado en la figura 2.23 vemos el funcionamiento del programa para hacer la modulacin de flujo:

Configurar

Tiempos

Configurar Flujo

Ciclo de Limpieza

Ciclo de

Estabilizacin

Ciclo de MedidaRepresentacin

grfica

Lectura de los

sensoresPID

Clculo de la

consigna

FIN

Control de los

Ciclos

Figura 2.23. Diagrama de funcionamiento general

2.4.1.1 Primera ventana 2.4.1.1.1 Configuracin de los tiempos Cada vez que ejecutemos el programa la primera pantalla que nos saldr ser un formulario para que podamos configurar los tiempos de cada ciclo (ver figura 2.24).

Memoria descriptiva

23

Como ya se ha explicado anteriormente, cada vez que queramos llevar a cabo una medida tendremos que realizar 3 ciclos, que sern el ciclo de limpieza, estabilizacin y finalmente el de medida. Los tiempos que queremos que duren los diferentes ciclos no sern siempre los mismos, ya que dependern de las necesidades de cada momento. Por ejemplo, si estamos realizando medidas con un mismo compuesto y lo nico que queremos es aumentar la concentracin, solo tendremos que inyectar ms cantidad del compuesto en la cmara de vaporizacin, en este caso solo llevaremos a cabo el ciclo de estabilizacin y de medida, el ciclo de limpieza no lo realizaremos, para ello lo nico que tenemos que hacer es poner a 0 min en el cuadro de texto correspondiente. Una vez introducidos los tiempos de cada ciclo, pulsaremos el botn Siguiente y pasaremos a la siguiente ventana, en la que configuraremos los parmetros de la onda.

Figura 2.24. Men para configurar los tiempos

Los ciclos se llevarn a cabo de manera encadenada, es decir que una vez finalizado el ciclo de limpieza se parar la ejecucin para que inyectemos la muestra, cuando ya este la muestra en el circuito se realizarn los ciclos de estabilizacin y medida de manera seguida. Si por cualquier motivo queremos que uno de los ciclos no se lleve a cabo solo tendremos que configurar el tiempo a 0. 2.4.1.2 Segunda ventana En la figura 2.25 se muestra como es el aspecto del programa principal, dentro de esta ventana tenemos diferentes partes; por una parte vemos el entorno dnde introduciremos el tipo de onda, as como sus caractersticas, y por otra parte tenemos los diferentes entornos que son todos los parmetros de salida que nos darn la informacin para poder saber en todo momento en que estado nos encontramos y la informacin del control de la bomba peristltica.

Memoria descriptiva

24

Figura 2.25. Ventana del programa principal

2.4.1.2.1 Configuracin de los parmetros de flujo Una vez hayamos llegado a la segunda ventana nos toca introducir el tipo de onda que queremos llevar a cabo en el ciclo de medida, as como su flujo mximo, mnimo y la frecuencia de la seal.

Figura 2.26. Ventana de los parmetros de la onda

Memoria descriptiva

25

Dentro del entorno para configurar el tipo de flujo tenemos dos secciones (ver figura 2.26). En la primera seleccionamos el tipo de onda, el software nos da la posibilidad de elegir 5 tipos de onda diferente:

Onda Constante Onda Pulsante Onda Diente de Sierra Onda Senoidal Onda Triangular

En la segunda seccin tenemos que elegir las caractersticas de la onda. El flujo constante solamente tiene un parmetro a configurar, pero en el resto de ondas hemos de introducir el flujo mximo, flujo mnimo y frecuencia. El intervalo de trabajo de los flujos es de 0 a 250 ml/min, que es la velocidad mxima que nos puede dar la bomba peristltica. La frecuencia que introduzcamos habr de ser ms grande que 0 mHz, y ms pequea de 6.666 mHz. 2.4.1.2.2 Ejecucin de los tres ciclos Llegados al punto de haber configurado los tiempos de los ciclos y las caractersticas del tipo de flujo con el cual queremos medir, se empezar a realizar la medida. Primeramente, si se ha seleccionado, se llevar a cabo el ciclo de limpieza, en el cual abriremos las dos electrovlvulas para tener una entrada y salida de aire, as introduciremos aire del exterior en el circuito y lo haremos pasar por todo el sistema para que arrastre cualquier resto de medidas anteriores, posteriormente se expulsar el aire introducido por la otra electrovlvula. En la ejecucin del ciclo de limpieza se activar la representacin grfica de flujo, para poder ver de una manera visual como responde la bomba peristltica. En este ciclo no se realizar todava un control en lazo cerrado de la bomba peristltica, nicamente la haremos girar a flujo mximo, que sern 250 ml/min. Debido a que el primer ciclo es el de limpieza, activaremos la lectura de los sensores, de esta manera ms tarde cuando representemos los resultados de los sensores veremos como han respondido los sensores en los diferentes ciclos. Tambin activaremos la parte del programa que hace que los tres ciclos se hagan de una manera encadenada y durante el tiempo que previamente hemos configurado. Cuando se haya finalizado el tiempo de ejecucin del ciclo de limpieza se parar la bomba peristltica y se cerrarn las electrovlvulas para tener el circuito cerrado. Seguidamente saldr un cuadro de dilogo como se muestra en la figura 2.27 para que inyectemos la muestra deseada en la cmara de vaporizacin, una vez inyectada pulsaremos en Aceptar y de esta manera entraremos en el ciclo de estabilizacin, se volver a activar la bomba peristltica a flujo mximo, pero esta vez en circuito cerrado.

Memoria descriptiva

26

Figura 2 27. Cuadro de dilogo

Una vez ha empezado el ciclo de estabilizacin, la ejecucin del programa se realizar hasta el final sin interrupcin, salvo que el usuario quiera pararlo. Cuando se acabe el ciclo de estabilizacin, pasaremos directamente al ciclo de medida, en este momento se empezar hacer un control de la bomba peristltica. El tipo de control que se ha decidido utilizar es un control del tipo PID, ya que estamos utilizando un motor en continua, y para este tipo de motores es ideal. Por ello en el momento que empezamos el ciclo de medida se activar el timer que ejecuta el algoritmo del control y tambin el timer que nos calcular la consigna, ya que para cuatro de las cinco tipo de onda la consigna cambia constantemente. En el momento que se acabe el ciclo de medida ya habremos finalizado la medicin y por ello se parar la bomba peristltica y la representacin grfica del flujo, as como todos los parmetros numricos de salida. Tambin finalizaremos la lectura de los canales analgicos que leen la respuesta de los sensores y se cerrar el fichero en el que hemos estado escribiendo los valores de tensin de los sensores. 2.4.2 Visualizacin de datos 2.4.2.1 Parmetros de control Como ya se ha comentado anteriormente, el tipo de control que se llevar a cabo para controlar la bomba peristltica ser un control PID, que nos servir para conseguir el flujo deseado en cada momento. Con este tipo de control lo que haremos ser controlar el ancho de pulso de una seal cuadrada, es decir que realizaremos el control de una seal PWM y para ello variaremos su ciclo de trabajo. Para que el usuario pueda ver como transcurre el control de la bomba peristltica, crearemos un men en el programa principal dnde se visualizarn los valores numricos del control PID, a continuacin se numeran estos parmetros:

Consigna, se muestra cual es la consigna en ese momento, ya que para la mayora de formas de flujo se esta cambiando constantemente.

Flujo, se indica cual es el flujo real, que se ha calculado a partir de los datos que nos da el encoder.

Ciclo de Trabajo, este parmetro se mide en porcentaje y es el que variaremos para modificar la velocidad de la bomba peristltica.

Error, nos indica la variacin que hay entre el flujo real y la consigna.

Memoria descriptiva

27

Figura 2 28. Parmetros de Control

En la figura 2.28 se observa como se muestran los parmetros de control anteriormente explicados mediante cuadros de texto. 2.4.2.2 Estado de las electrovlvulas Otra de la informacin que se mostrar ser el estado de las electrovlvulas, es interesante saberlo, para saber si tenemos el circuito abierto o cerrado. Por ello cada vez que se cierren o se abran se actualizar el men para indicrselo al usuario. En la figura 2.29 se muestra una imagen del estado de las electrovlvulas cerradas, que ser cuando estemos en el ciclo de estabilizacin y medida, y en la figura 2.30 se muestra las electrovlvulas abiertas que nicamente ser en el ciclo de limpieza.

Figura 2.29. Electrovlvulas cerradas Figura 2.30. Electrovlvulas abiertas 2.4.2.3 Tiempo de ejecucin Ya hemos comentado anteriormente que en la primera ventana el usuario introduce por teclado el tiempo que quiere que dure cada ciclo, por ello, ya que tenemos la posibilidad de controlar el tiempo de la medicin, tambin ser interesante saber cuanto tiempo ha pasado desde que hemos empezado la medicin para saber la finalizacin de cada ciclo, ya que en el comienzo del ciclo de estabilizacin el usuario ha de estar delante del sistema para introducir la muestra en la cmara de vaporizacin.

Memoria descriptiva

28

Figura 2.31. Tiempo de ejecucin

Para poder ver el tiempo transcurrido se ha incluido en el men (ver figura 2.31) un reloj a tiempo real, que nos indica los minutos y segundos que han pasado desde el comienzo. El reloj se activar con el comienzo del ciclo de limpieza. 2.4.2.4 Estado actual En el punto anterior se ha explicado la existencia de un men que nos muestra el tiempo transcurrido desde el principio de la medida, este tiempo esta directamente relacionado con el ciclo en el que nos encontramos, debido a que previamente hemos configurado el tiempo de cada ciclo. Para que el usuario vea con claridad en que ciclo se encuentra, se ha creado el men que se muestra en la figura 2.32, en este men se ven los tres ciclos posibles. Cada vez que cambiemos de ciclo se actualizar y se pondr en rojo el ciclo actual.

Figura 2.32. Estado actual

2.4.3 Representacin grfica A la hora de realizar una medida, una de las cosas ms importantes para el usuario es poder ver cual es el flujo real en cada momento, esto lo puede hacer viendo el valor numrico en el men de los parmetros de control, pero no podr ver la evolucin temporal, ya que vara muy rpido. Para ello se ha incluido en el programa principal una representacin grfica que nos muestra el flujo en tiempo real, como se puede ver en la figura 2.33.

Figura 2.33. Representacin grfica

Memoria descriptiva

29

Adems de mostrar el flujo real (lnea roja), tambin se visualiza la consigna (lnea azul), as se podr ver si estamos realizando el control de manera correcta. La representacin grfica se activa de manera automtica en el momento que empieza el ciclo de limpieza y no finaliza hasta que se cumple el tiempo total de la medida. Los valores se actualizan cada 15 ms, y la duracin total de la grfica es de 10 s. 2.4.4 Men Con el objetivo de poder gobernar el programa, se ha creado un men (ver imagen 2.34) basado en diferentes botones de comando. Una vez estemos en la segunda ventana, controlaremos el programa gracias a los siguientes botones:

Empezar, nos servir para dar inicio al primer ciclo que nosotros hayamos elegido (normalmente el de limpieza).

Parar, pararemos el giro de la bomba peristltica, as como todo lo asociado al control PID, la representacin grfica y la lectura de los sensores.

Salir, directamente se cerrar el programa por completo. Volver, nos da la posibilidad de volver a la primera pantalla, por si el

usuario quiere cambiar los tiempos de los ciclos y volver a empezar o nicamente para poderlos visualizar.

Figura 2.34. Men

Memoria de clculo

30

3. Memoria de clculo 3.1 Hardware En este apartado se detallarn las caractersticas tcnicas de los diferentes componentes que forman el sistema, as como justificar su utilizacin. Tambin veremos la precisin que nos aportan los dispositivos utilizados. 3.1.1 Bomba peristltica

Motor en continua

Ya hemos visto anteriormente que la bomba peristltica esta compuesta por diferentes componentes, pero el ms importante es el motor, que ser el que nos aporte el movimiento giratorio al cabezal de rotacin. La caracterstica fundamental es su velocidad de giro, que es de 8400 r.p.m., pero esta velocidad la tendremos que adaptar al cabezal de rotacin mediante un reductor, debido a que la velocidad del cabezal de rotacin es de 140 r.p.m., a esta velocidad conseguiremos un flujo mximo de 250 ml/min. El motor emplea un rotor no magntico, que proporciona una relacin lineal de velocidad frente a par. El sistema de conmutacin utiliza escobillas metlicas para conseguir una gran eficiencia y sensibilidad para adaptarse a aplicaciones de servosistemas, as como a necesidades de usos varios. A continuacin podemos ver una tabla con las caractersticas fundamentales del motor, el modelo utilizado es A-max 26 de la marca Maxon Motors.

Figura 3.1 Tabla de caractersticas del motor

Seguidamente se muestra una imagen con el rango de operacin del motor:

Memoria de clculo

31

Figura 3.2. Grfica del rango de operacin del motor

Reductor

Para adecuar la velocidad del motor a las caractersticas del cabezal de rotacin utilizaremos un reductor, las especificaciones para su eleccin son las siguientes:

GirodelmotorGirodelcabezal

8400r.p.m140 r.p.m

60 ( )1

Por ello utilizaremos un encoder con una relacin de reduccin de 1:60, para

adaptar la velocidad del cabezal de rotacin a 140 r.p.m como mximo.

A continuacin podemos ver las caractersticas del reductor:

Figura 3.3. Caractersticas del reductor

Encoder

El encoder ser el componente que nos dar la informacin necesaria para podernos calcular la velocidad del motor. El elegido es magntico de la marca Maxon modelo Menc 13, y tiene la siguiente seal de salida:

Memoria de clculo

32

Figura 3.4. Seal del encoder

Se puede ver que son 2 seales digitales con una amplitud de 5 V, y estn desfasadas 90 respectivamente. A continuacin se muestran las caractersticas tcnicas del encoder:

Figura 3.5 Caractersticas del encoder

Sabiendo las caractersticas tcnicas, podemos calcularnos cual ser la resolucin del encoder:

Resolucin =360

16ppv= 22.5

pulso

( )2

Teniendo en cuenta que debido al reductor la velocidad del cabezal de rotacin esta reducida 1:60 respecto del motor, finalmente tenemos:

Resolucin =22.5

60= 0.375

pulso

( )3

Ahora calcularemos la cantidad mxima de pulsos que va a generar el encoder cuando vayamos a velocidad mxima:

8.400r.p.m. x 16ppv = 134400 pulsos ( )4

Memoria de clculo

33

Esta es la cantidad de pulsos que nos generar el encoder cada minuto a velocidad mxima ( 8.400 r.p.m ), pero ahora calcularemos cada cuanto tiempo se generar un pulso:

60 seg134400 pulsos

= 4.4E4seg 1 pulso cada 0.44ms ( )5

3.1.2 Etapa de potencia Para llevar a cabo el control de la bomba peristltica, se ha utilizado la modulacin por ancho de pulsos (PWM), que es una tcnica que consiste en modificar el ciclo de trabajo de una seal peridica con el objetivo de variar su tensin media. El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su parte positiva en relacin al periodo, matemticamente:

D =T

( )6

Donde: D= Es el ciclo de trabajo. = Es el tiempo que la funcin es positiva. T = Es el periodo de la seal. La seal PWM la obtendremos de la tarjeta NI-6023E instalada en el PC, pero dicha seal no tiene la potencia suficiente como para excitar el motor, por ello se ha diseado una etapa de potencia para amplificarla. En la primera etapa de potencia que se dise no se obtuvieron los resultados esperados, el comportamiento del motor no era lineal respecto a la excitacin, de manera que se tuvo que disear una segunda etapa de potencia para hacer el control de la bomba peristltica. A continuacin se muestran las dos etapas de potencia as como los problemas que se encontraron en la primera.

Driver de potencia con NMOS

El primer diseo se bas en un transistor de efecto de campo NMOS, que utilizamos como interruptor para dar paso de corriente al motor, esto lo haremos conectando la seal PWM procedente de la tarjeta de adquisicin de datos a la puerta del transistor. Con este circuito (ver figura 3.6) transformaremos pulsos lgicos (baja potencia) en pulsos de corriente (potencia) para excitar el bobinado del motor.

Memoria de clculo

34

Figura 3.6. Driver de potencia con NMOS

Despus de disear la etapa de potencia que se muestra en la imagen anterior y probarla, se obtuvieron unos resultados que no eran los esperados, ya que el ciclo de trabajo no era lineal respecto a la tensin que se estaba aplicando al motor. A continuacin se muestra una tabla con los valores de las medidas:

Ciclo de Trabajo ( % ) V media ( V ) Velocidad (r.p.m.) 4 6 40

5 9.5 90

10 17 130

15 19 140

20 20 140

25 21 145

30 21.8 145

35 22 150

40 22.5 155

45 22.7 155

50 22.8 155

55 23 155

60 23.2 158

65 23.4 158

70 23.4 158

75 23.4 158

80 23.5 158

85 23.6 158

90 23.7 158

Memoria de clculo

35

95 23.8 160

100 24 160

Figura 3.7 Tabla de valores del motor

En la tabla de la figura 3.7 se pueden ver los valores de la tensin media y velocidad del motor en funcin del ciclo de trabajo. Se observa que la tensin media que se esta aplicando al motor no es lineal respecto al ciclo de trabajo, pero la velocidad del motor tampoco lo es respecto a la tensin. Despus de hacer medidas aplicando una tensin continua al motor, procedente de una fuente regulada, se observa que la relacin velocidad y tensin media si es lineal, por ello se deduce que el motor solo se comportar de una manera lineal aplicndole una tensin continua. En nuestro caso al utilizar una seal PWM lo que estamos haciendo es aplicar al motor una seal cuadrada con una amplitud de 24 V, debido a esto el motor no tiene el comportamiento esperado. La solucin a adoptar ser disear una etapa de potencia que nos proporcione una tensin continua. El otro problema que nos encontramos es que la velocidad no se corresponde con los valores de tensin del motor, tras hacer una serie de medidas se observa que el contador que se utiliza para contar los flancos de subida de la seal procedente del encoder tambin cuenta los flancos de subida de la seal PWM procedente de la tarjeta, por consiguiente la lectura del contador no es correcta ya que estamos leyendo los flancos de subida provocados por la velocidad del motor ms los flancos de subida de la seal PWM procedente de la tarjeta de adquisicin de datos, esto es debido a que la seal PWM provoca algn tipo de vibracin sobre el motor y hace que el encoder la refleje provocando una cuenta extra. Por esto, el clculo de velocidad siempre es superior al real, ya que tenemos cuentas extras. Con la etapa de potencia anteriormente descrita se obtienen resultados errneos, por lo tanto el objetivo ser disear otra etapa de potencia que se base en excitar al motor con una seal continua.

Driver de potencia con amplificador operacional

El primer objetivo es filtrar la seal PWM procedente de la tarjeta de adquisicin de datos para transformarla en una seal continua y seguidamente amplificarla para que nos pueda dar la potencia suficiente que excite el motor. El diseo del circuito sigue el siguiente diagrama:

Figura 3.8. Diagrama de bloques del driver

El primer bloque a disear es el filtro paso bajos, se ha diseado un filtro paso bajos de segundo orden para obtener mejores resultados, el circuito diseado es el siguiente:

Memoria de clculo

36

Figura 3.9. Circuito paso bajos

Ahora hay que especificar cual ser la frecuencia de corte del filtro para calcularnos los valores de las resistencias y condensadores. Teniendo en cuenta que la seal PWM tiene una frecuencia de 100 Hz, para atenuar dicha seal, se ha considerado una buena frecuencia de corte 1 Hz, de esta manera las resistencias y condensadores tendrn los siguientes valores:

F corte =1

2R1 C1Si R1 = 10k y F corte = 1Hz C1 =

1

1210E 3 10 F ( )6

Ahora ya tenemos los valores de R1 y C1, para calcular los valores de R2 y C2 se considerar lo siguiente:

R2 = R1 10 = 10E 3 10 = 100k y C2 = 0,1C1 = 0.1100E 6 = 1 F ( )7 Se ha considerado que el valor de R2 sea diez veces ms grande que R1 y el valor de C2 diez veces ms pequeo que C1 para que la frecuencia de corte siga siendo la misma. Una vez calculados los valores de los condensadores y resistencias del filtro visualizaremos la respuesta frecuencial mediante el diagrama de Bode, pero antes calcularemos la funcin de transferencia:

H( )s =

10E6

s

10E6

s10E

3 +

1E6

s

1E6

s100E

3 +

1

0.01s2

0.21s + 1 + ( )8

Ahora que ya hemos calculado la funcin de transferencia visualizamos el diagrama de Bode:

Memoria de clculo

37

-80

-60

-40

-20

0

Mag

nitu

de (

dB)

10-1

100

101

102

103

-180

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

Figura 3.10 Diagrama de Bode del filtro

Una vez diseado el filtro pasa bajos ya tenemos la seal PWM atenuada, por consiguiente la seal de salida es lo ms parecido a una seal continua, ahora tenemos que amplificar la seal para poder excitar el motor. Para amplificar la seal se ha utilizado un amplificador operacional de potencia que nos pueda dar la corriente suficiente para alimentar al motor, el modelo utilizado es el OPA547 que nos puede suministrar hasta 750 mA. En la siguiente figura se muestra el circuito diseado:

Figura 3.11. Circuito amplificador

El circuito amplificador diseado es una configuracin no inversora. Para el clculo de las resistencias tendremos que saber primero cual es la ganancia que nos tiene que aportar la etapa amplificadora, a continuacin se muestran los clculos:

Memoria de clculo

38

G =24V5V

= 4,8 ( )9

Para calcular la ganancia lo nico que se ha hecho es dividir la tensin de alimentacin del motor entre la tensin mxima que nos da el filtro pasa bajos. Una vez calculada la ganancia se procede a calcular el valor de las resistencias:

V o = V i 1R2R1

+ ( )10

4,8 = 1R2R1

+ si R1 = 10k R2 39k ( )11

Teniendo calculados los valores de las resistencias de la etapa amplificadora ya tenemos diseado el driver de control que utilizaremos para excitar el motor, el circuito final queda as:

Figura 3.12. Circuito del driver de control

Los resultados obtenidos con el circuito de la figura 3.12 se corresponden con los esperados. Se ha conseguido que el ciclo de trabajo sea lineal respecto a la tensin media y velocidad del motor, esto se debe a que la tensin que se le aplica al motor es una seal continua. Tambin se ha solucionado el problema de las cuentas provocadas por la seal PWM gracias al filtro, ahora la seal PWM se convierte en una seal continua y ya no puede provocar que el encoder genere pulsos de ms. De manera que con la realizacin de este driver de control se ha acabado con los problemas que anteriormente nos hemos encontrado. 3.1.3 Control de las electrovlvulas Para poder llevar a cabo los diferentes ciclos de trabajo es fundamental poder gobernar las dos electrovlvulas. Se ha diseado un circuito que nos permite activar y desactivar los accionamientos elctricos de las electrovlvulas, a continuacin se muestra el circuito:

Memoria de clculo

39

Figura 3.13. Circuito de control de las electrovlvulas

El diseo del circuito se ha hecho mediante un rel que nos activar las dos electrovlvulas al mismo tiempo. Para excitar la bobina del rel utilizaremos un transistor NMOS, que nos servir como interruptor para el paso de corriente. Mediante una seal digital procedente de la tarjeta de adquisicin de datos , que conectaremos a la puerta del transistor, podremos cambiar su estado y excitar la bobina, de esta manera activaremos el interruptor del rel que dar paso a la corriente para activar los accionamientos de las electrovlvulas y as cerrar el circuito para la circulacin de los gases. 3.1.4 Sensores Dentro de la cmara de medida hay capacidad para instalar hasta seis sensores, pero en nuestro caso solo utilizaremos 3 para hacer las medidas, se han utilizado sensores qumicos de oxido de estao de la marca Figaro y ms concreto los modelos TGS 800, TGS 822, TGS 826, en la siguiente imagen se muestra el aspecto de un sensor:

Figura 3.14 Sensor Figaro TGS 822

Las caractersticas bsicas de este tipo de sensores son las siguientes:

Sensibilidad

La sensibilidad viene definida por la relacin entre los cambios de concentracin del gas y la resistencia del sensor. Esta relacin es diferente para cada modelo de sensor, as podremos obtener una respuesta diferente para cada compuesto.

Memoria de clculo

40

En la figura 3.15 se muestra la grfica que relaciona la concentracin del gas con la resistencia del sensor, en el eje de las abscisas se representa la relacin entre Rs y Ro, que estn definidas de la siguiente manera: Ro: Es la resistencia del sensor a varias concentraciones de gases. Rs: Es la resistencia del sensor a 300 ppm de etanol.

Figura 3.15. Grfica de la sensibilidad del sensor TGS 822

Dependencia de la Temperatura/Humedad

La temperatura es un factor importante a la hora de trabajar con este tipo de sensores, dependiendo de la temperatura a la que trabaje el sensor tendremos diferentes valores de resistencia, a medida que aumentemos la temperatura reducimos el valor de la resistencia del sensor como se puede observar en la siguiente grfica:

Memoria de clculo

41

Figura 3.16 Grfica de la influencia de la temperatura del sensor TGS 822

En este caso en el eje de las abscisas tenemos otra vez la relacin Rs\Ro, pero esta vez estn as definidas: Ro: Resistencia del sensor a 300 ppm de etanol a varias temperaturas y humedades. Rs: Resistencia del sensor a 300 ppm de etanol a 20 C y 65 % R.H. 3.1.4.1 Circuito de medida de los sensores A la hora de hacer las mediciones de los sensores lo que haremos ser medir la resistencia o la tensin, ya que son proporcionales. La cmara de medida esta compuesta por dos placas PCB que tienen diseado el siguiente circuito para hacer la medicin de la resistencia o tensin del sensor:

Figura 3.17 Circuito de medida de los sensores

El circuito de medida se basa en un divisor de tensin, el objetivo del circuito es calentar el sensor mediante Vc (tensin de heather) hasta que llegue a una temperatura cercana a los 400 C, de esta manera se produce un proceso que dismuniye la resistencia

Memoria de clculo

42

del sensor. Con el circuito de la figura 3.17 podremos medir las variaciones de la resistencia, a continuacin se muestra la frmula de la resistencia del sensor:

R S =V CV RL

1 R L ( )12

Donde: - Vc: Tensin de alimentacin, 10V - Vh: Tensin del Heater, 5V - Rl: Resistencia de carga - Vrl: Tensin de salida, que ser la que mediremos. - Rs: Resistencia del sensor En la figura 3.18 se puede ver el esquema del sensor TGS 822 as como los diferentes pines en los que conectaremos el circuito de medida.

Figura 3.18 Esquema del sensor TGS 822

3.1.5 Clculo de la concentracin Cada vez que se haga una medicin se introducir la muestra dentro de la cmara de vaporizacin en estado lquido para que se volatilice. Uno de los factores que nos interesa controlar es la concentracin de la muestra, ya que es uno de los parmetros que tendremos en cuenta ms tarde cuando procesemos el resultado de las medidas.

Figura 3.19. Jeringa cromatogrfica

Para introducir la muestra en la cmara de vaporizacin se utilizar una jeringa cromatogrfica (ver figura 3.19), que mediante un mecanismo nos permite controlar la cantidad de lquido que introducimos en L . Por lo tanto nuestro objetivo es relacionar el volumen con la concentracin, as podremos controlar la concentracin de la muestra. El clculo del volumen de inyeccin se ha hecho de la siguiente forma: Volumen dela muestra = Concentracin ( )ppm Volumen del sistema ( )litros 10E 6 ( )13

Memoria de clculo

43

N deMoles =Volumen dela muestra

22.4( )14

Cantidad ( )gr = Volumen dela muestra N demoles ( )15

Cantidad ( ) L =

Cantidad ( )gr1000

Densidadgr

litro

1E 6 ( )16

En nuestro caso haremos mediciones con acetona, etanol y metanol, as que el volumen que tendremos que utilizar para las medidas queda as: Muestra Concentracin

( ppm ) Densidad (g/litro)

Peso molecular

(Kg/L)

Volumen del

sistema

Volumen de la

muestra

N de Moles Cantidad (gr)

Cantidad (uL)

Acetona 800 0.79 58 0.2779 0.00022232 0.000009925 0.00057565 0.72867 Etanol 800 0.81 46 0.2779 0.00022232 0.000009925 0.00045655 0.56364

Metanol 800 0.79 32 0.2779 0.00022232 0.000009925 0.00031760 0.40203

Figura 3.20 Tabla de clculo de volumen para 800 ppm

3.1.6 Placas PCB El diseo de los circuitos electrnicos se ha implementado mediante placas PCB, el programa empleado para realizar los diseos ha sido el Orcad 9.0, el resultado de las diferentes placas as como sus componentes es el siguiente: 3.1.6.1 Control electrovlvulas

3.21 Aspecto de la placa para el control de electrovalvulas

Memoria de clculo

44

3.22 Diseo de la placa PCB

Componentes:

1 Rel de doble contacto, 5 V, 10 A

1 Transistor NMOS IRF630

1 Diodo 1N004

1 Conector PCB macho 20 pins

2 Regletas de 2 contactos

3.1.6.2 Etapa de potencia

3.23 Aspecto de la placa para la etapa de potencia

Memoria de clculo

45

3.24 Diseo de la placa PCB

Componentes:

1 Conector PCB macho 20 pins

1 Conector PCB macho 10 pins

1 Regleta de 2 contactos

1 Amplificador operacional OPA547T

1 Condensador 1 uF

1 Condensador 10 uF

2 Resistencia 10 k

1 Resistencia 100 k

1 Resistencia 39 k

1 Diodo 1N004

Memoria de clculo

46

3.1.6.3 Placa de conexiones

3.25 Aspecto de la placa para la comunicacin con la tarjeta

3.26 Diseo de la placa PCB

Memoria de clculo

47

Componentes:

3 Conectores PCB macho 20 pins

1 Conector PCB macho 68 pins.

Memoria de clculo

48

3.2 Software Ya se ha explicado anteriormente, en la memoria descriptiva, las diferentes partes que tiene el programa realizado en Visual Basic 6.0, as como su aspecto. Pero en este apartado se explicar como ha sido programado con ayuda de diagramas de flujo, tambin se detallarn las diferentes aplicaciones que se han utilizado para poder llevar a cabo la comunicacin con la tarjeta de adquisicin de datos y el control de la bomba peristltica. 3.2.1 Software del modulador de flujo Con el objetivo de hacer un programa completo, se han incluido dos ventanas, en la primera podremos configurar los ciclos que queremos llevar a cabo, indicando el tiempo de durada de cada uno, y en la segunda ventana se podr elegir el tipo de flujo con el queremos hacer la medida as como su amplitud y frecuencia. 3.2.1.1 Configuracin de los tiempos Uno de los factores que nos interesa controlar es la durada de los ciclos, as como poder suprimir alguno de ellos si nos interesa. En la figura 3.21 se muestra un diagrama donde se indican los tiempos a configurar.

Figura 3.27 Diagrama de la configuracin de los tiempos

Cada vez que se ejecute el programa nos saldr la primera ventana, dnde introduciremos los tiempos indicados en la anterior figura mediante cuadros de texto. Seguidamente se leern los tiempos introducidos para decidir que ciclos queremos llevar a cabo, ya que en el caso que queramos suprimir algn ciclo nicamente se tiene que indicar que el tiempo de ese ciclo es cero. Finalizado esto pasaremos a la siguiente ventana en la que podremos indicar que tipo de flujo queremos para nuestra medida.

Memoria de clculo

49

3.2.1.2 Configuracin del flujo Llegados a la segunda ventana, al usuario se le da la opcin de elegir que flujo quiere para hacer la medida, tambin introducir mediante cuadros de texto la frecuencia de la seal y el flujo mximo y mnimo como se muestra en la siguiente figura:

Configuracin de

parmetros

Flujo MnimoFlujo Mximo Frecuencia Tipo de Onda

Control de

Errores

Error = Si

Error = No

Comienzo del

primer Ciclo

Figura 3.28. Configuracin del Flujo

Los diferentes parmetros a configurar tienen los siguientes lmites:

Flujo Mximo: 0-250 ml/min

Flujo Mnimo: 0-250 ml/min

Frecuencia: 1- 6.666 mHz

Tipo de onda: Senoidal, Triangular, Constante, Pulsante, Diente de Sierra.

El flujo mximo y mnimo viene limitado por la bomba peristltica, que nos puede dar hasta 250 ml/min. La frecuencia de la seal podr tener como mucho una frecuencia de 6.666 mHz , esto es porque el timer de Visual Basic nicamente puede trabajar con tiempos superiores a 15 ms, pero esto no es ninguna limitacin, puesto que las frecuencias ideales para trabajar con el modulador son bajas, del orden de 30 mHz. Debido a que tenemos que introducir varios parmetros para configurar el flujo, se ha realizado un control de errores que detectar si introducimos valores superiores o inferiores a los establecidos, en el caso que se detecten valores fuera de rango ser indicado por pantalla y se tendrn que volver a introducir. 3.2.1.3 Ejecucin del primer ciclo

Memoria de clculo

50

Cuando ya estn introducidos todos los parmetros para indicar las caractersticas del flujo, se pasar a ejecutar el primer ciclo de los tres posibles, este primer ciclo ser el de limpieza en la mayora de las ocasiones, en este ciclo se activarn varias aplicaciones del programa como se muestra a continuacin:

Figura 3.29 Diagrama de la ejecucin del primer ciclo

Representacin Grfica

La representacin grfica se activar desde el principio para poder ver visualmente como evoluciona el flujo a lo largo del tiempo. En el ciclo de limpieza y de estabilizacin se ver el flujo real que esta circulando por nuestro sistema, pero en el ciclo de medida tambin se visualizar la consigna, en la misma grfica pero de diferente color. El cdigo de programacin que corresponde a la visualizacin grfica esta introducido dentro de un timer que se ejecuta cada 15 ms, de manera que la representacin se refrescar cada 15 ms. La durada de la grfica es de 10 seg , transcurrido este tiempo se borrar y se volver a empezar a visualizar el flujo.

Lectura de los Sensores

Uno de los objetivos del modulador es poder ver como evoluciona la respuesta de los sensores a lo largo del tiempo, para ello se empezar a adquirir la tensin de salida desde el primer ciclo. La lectura de los sensores se realizar cada 1 seg y se guardarn los valores de las tensiones y del tiempo en un fichero *.txt (ver figura 3.30) para ms tarde visualizar la informacin en una grfica mediante un programa realizado en Matlab. La lectura de los sensores se realizada una vez por segundo porque la respuesta de los mismos es lenta. En la figura 3.30 se puede ver el aspecto que muestra nuestro fichero *.txt con el resultado de las mediciones, en la primera columna esta el valor del tiempo en segundos y en las tres columnas siguientes los valores de las tensiones de los sensores en voltios. En nuestro caso solo hay tres columnas porque nicamente hemos hecho mediciones con tres sensores.

Memoria de clculo

51

Figura 3.30. Fichero con los resultados de las mediciones

Control de los ciclos

Cada ciclo tiene una funcin diferente, por ello tendremos que controlar el tiempo de durada de cada uno para que una vez que finalice un ciclo pasemos al siguiente y activemos o desactivemos cosas tanto del hardware (como las electrovlvulas) como del software (control PID). Con el fin de controlar el paso de un ciclo a otro se ha hecho una funcin que se ejecuta una vez por minuto y que controlar el tiempo de durada de cada ciclo y har el llamamiento a otras funciones que activarn las aplicaciones que corresponden a cada ciclo. En la Figura 3.31 se puede ver mediante un diagrama de flujo el control de ejecucin de los tres posibles ciclos. Primeramente tenemos el ciclo de limpieza en el que se abrirn las electrovlvulas para abrir el circuito y expulsar posibles restos de otras medidas. Seguidamente en el ciclo de estabilizacin, ser donde inyectemos la muestra y cerremos las electrovlvulas, aunque si no queremos llevar a cabo el ciclo de estabilizacin nicamente cerraremos las electrovlvulas y se introducir la muestra pero sin bombear la muestra a flujo mximo. Finalmente tenemos el ciclo de medida que ser donde se bombee el flujo siguiendo el tipo de onda seleccionado. A parte de activar y desactivar las electrovlvulas tambin se activarn las funciones necesarias para llevar a cabo las tareas del control de la bomba peristltica.

Memoria de clculo

52

Figura 3.31 Diagrama de Flujo del control de los ciclos

Memoria de clculo

53

3.2.1.4. Ejecucin del segundo y tercer ciclo Ya se ha explicado en el apartado anterior que partes del programa se activarn con la ejecucin del primer ciclo, en este apartado se va a explicar que partes se van a activar en la ejecucin de los siguientes ciclos. En el primer ciclo ya se activ la representacin grfica, la lectura de los sensores y el control de los ciclos. Dentro del control de los ciclos ya esta incluida la labor de activar y desactivar las electrovlvulas. Por lo tanto solamente nos quedar por explicar como se llevan a cabo las tareas de control de la bomba peristltica. Si se llevan a cabo los tres ciclos, el siguiente ciclo a ejecutar es el de estabilizacin, la nica diferencia de este ciclo respecto al anterior es que se cerrarn las electrovlvulas para bombear la muestra a flujo mximo con el circuito cerrado, ya que en este ciclo seguiremos manteniendo activas las funciones activadas en el anterior. En el supuesto caso en el que el ciclo de estabilizacin sea el primero, este ser el momento para activar las funciones comentadas en el apartado anterior. Por ltimo nos queda el ciclo de medida, que ser el momento en el que se activen las funciones que realizarn el control PID. A continuacin se muestra un diagrama de bloques del ciclo de medida:

Figura 3.32 Diagrama de bloques del ciclo de medida

A parte de seguir haciendo la representacin grfica, la lectura de los sensores y el control de los ciclos, en este momento vamos a activar el control PID y el clculo de la consigna. El clculo de consigna se realizar cada 30 ms al igual que el control PID. El control PID sigue el siguiente diagrama:

Figura 3.33 Diagrama del Control PID

Memoria de clculo

54

En el momento en el que el ciclo de medida llegue a su fin, se pararn todas las funciones mencionadas anteriormente, manteniendo las electrovlvulas cerradas, ya que nos puede interesar volver a realizar una medida con la muestra ya inyectada pero con una tipo de onda diferente. En este caso iremos directamente al ciclo de medida sin necesidad de realizar el ciclo de limpieza ni estabilizacin.

3.2.2 Controles ActiveX de Visual Basic El driv