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UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA FACULTAD: INGENIERÍA ESCUELA: ELECTRÓNICA DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SISTEMA PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE PRESIÓN DE GAS EN AIRES ACONDICIONADOS PARA VEHÍCULOS QUE PERMITA ESTABLECER UN FLUJO DE GAS AL SISTEMA MIENTRAS SE REPARA LA FUGA Tutor: presentado por: Trabajo de Grado Ing. Sardí, José Br. Díaz Lara, Edy Alberto C.I: 13.910.649 C.I: 18.042.019 Br. Salas Pirela, Carla Graciela C.I: 19.465.227 Para optar al Título de Ingeniero Electrónico MAYO, 2011 CARACAS, VENEZUELA Desarrollo de prototipo de sistema para el monitoreo y control de presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga by Díaz Lara, Edy Alberto ; Salas Pirela, Carla Graciela is licensed under a Creative Commons Atribución-NoComercialCompartirDerivadasIgual 3.0 Unported License. UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA FACULTAD: INGENIERÍA ESCUELA: ELECTRÓNICA DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SISTEMA PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE PRESIÓN DE GAS EN AIRES ACONDICIONADOS PARA VEHÍCULOS QUE PERMITA ESTABLECER UN FLUJO DE GAS AL SISTEMA MIENTRAS SE REPARA LA FUGA JURADO ________________ JURADO ________________ Nombre y apellido. Nombre y apellido. _________________ ________________ Cedula de identidad Cedula de identidad MAYO, 2011 CARACAS, VENEZUELA DEDICATORIA Tengo el orgullo de dedicar este proyecto a mis padres, a quienes considero los mejores padres del mundo, apoyándome en lo que más necesite con su amor y cariño en el transcurso de mi vida, me han convertido en la persona de bien que soy hoy en día y a mi hijo Christean David que me da fuerzas para seguir adelante y superarme a mí mismo para ser un buen ejemplo como padre. Estas personas son las que más quiero en este mundo y espero poder demostrarles mi cariño al dedicarles este proyecto y que estén orgullosos de mí. EDY ALBERTO DIAZ LARA DEDICATORIA Tengo el orgullo de dedicarle este proyecto a mis abuelos Carlos Eloy Pirela y Graciela Saade de Pirela, quienes más que mis abuelos fueron mis padres, con su gran cariño y amor me enseñaron a valorar las pequeñas cosas de la vida, a luchar siempre por lo que quería con honestidad, rectitud, respeto y humildad, y eme aquí logrando uno de mis mas grandes sueños, ser una profesional, si en el lugar donde están pueden verme este título es para ustedes, gracias por todo, los amo. A Dios por darme la oportunidad de vivir y darme la dicha de ser hija de una mujer espectacular, que me ha enseñado a no darme por vencida, a luchar hasta ver alcanzadas mis metas y/o sueños. Esta mujer es mi madre la Doctora Tibisay Pirela, es una mujer luchadora, a la cual la vida le ha puesto muchísimos obstáculos, ella ha logrado superarlos por la fuerza de su espíritu, y con la ayuda de Dios, no se con que palabras pueda definir a un ser tan maravilloso como ella, lo que sí puedo decir es que gracias a su amor, cariño, dedicación y sacrificio me encuentro donde estoy. A mi familia quienes son la parte más importante de mi vida, por siempre estar a mi lado, por apoyarme. Al Ingeniero Alberto Pirela, primo sanguíneo y hermano de corazón, el cual es un ser maravilloso, que siempre me apoyo y estuvo a mi lado, diciéndome una frase que nunca olvidare: “Vamos Carlita que si se puede, vamos”, gracias por ser la persona que eres. A todos mis amigos, compañeros y conocidos quienes siempre han estado a mi lado, ayudándome, apoyándome, en los buenos y malos momentos de mi vida. A todos mis profesores por ayudarme en mi formación como profesional. CARLA GRACIELA SALAS PIRELA. AGRADECIMIENTOS Agradezco primero que nada a Dios, por darme la vida y familiares tan estupendos, además de la oportunidad de desarrollar mi carrera y evolucionar en un área de estudio que he admirado desde pequeño y la cual es mi vocación. Agradezco a mis padres que siempre estuvieron presentes a través de los años de mi carrera universitaria, para apoyarme en todo, además de darme buenos valores profesionales, éticos y morales para enfrentar la vida de un punto de vista más noble y humilde. Agradezco a Merys Janeth Lara, por ser siempre la mejor madre y amiga que se puede tener en este mundo, ya que siempre me ha dado un amor incondicional, todo lo que soy hoy en día se lo debo a ella y ninguna palabra puede expresar mi cariño y gratitud hacia ella. Agradezco a Edilberto Diaz mi padre por apoyarme durante mis años de carrera y enseñarme sus conocimientos en electrónica, además de tener siempre una fiel confianza en mí. Quiero darle las gracias por ayudarme y estar presente desde el inicio de este proyecto, hasta el final apoyándome hasta en la más mínima parte de la tesis desde el corazón. Agradezco a mis compañeros de clases Carlos Betancourt, Arianna Sánchez y mi compañera de tesis Carla Salas por compartir a mi lado estos maravillosos años de estudio, por su amistad incondicional y pienso que todos lo logramos juntos. Agradezco a Carlos Betancourt ya que me abrió los ojos a un mundo de superación personal y profesionalismo y me ayudo a descubrir mi propio potencial. Quiero agradecer a mis amigos Harold Galindo por apoyarme y aconsejarme. Y todas aquellas personas que siempre han estado conmigo desde el comienzo de esta carrera hasta estos momentos finales de mi preparación como ingeniero. Quiero agradecer a Gian Manuel Crispín por brindarme su apoyo y abrirme las puertas de su taller de refrigeración, donde se desarrollo parte importante de la investigación, además de sus conocimientos importantes en el área de la refrigeración automotriz, a pesar de que mi compañera y yo éramos unas personas totalmente desconocidas para él. Agradezco al tutor de la tesis Alejandro Sardí por darme conocimientos teóricos y prácticos para la realización del proyecto. Agradezco a los profesores Gustavo Marín, Mauricio Marín, José Musso, Ingmar Ramírez de la Universidad Nueva Esparta que despertaron en mí, las ganas de aprender y progresar haciendo que me exigirá cada día más para superar los retos encontrados en el camino. EDY ALBERTO DIAZ LARA AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios principalmente, ya que es el encargado de guiarnos a través de la vida, de darnos fuerza en todo momento, para así ayudarnos a no decaer, darnos la capacidad de aceptar las cosas que no pueden ser cambiadas y el coraje para cambiar las que si pueden serlo y por permitirme estar aquí hoy, en este momento tan importante que es la culminación de este período de mi vida. Gracias a mis padres, por darme la vida, en especial a mi madre por ser quien está conmigo de una manera incondicional en todo lo que ha sido el transcurso de mi vida, por guiarme y apoyarme en todas aquellas decisiones tomadas que han ido cambiando mi vida, por ser mi bastón, mi paño de lagrimas, la que me ayuda a levantarme cuando caigo o cuando tropiezo, no me deja caer. Gracias a mis abuelos Carlos Eloy Pirela y Graciela Saade de Pirela, quienes fueron mis segundos padres, ellos me enseñaron el valor de la vida, que todo lo que se quiere puede ser alcanzado con esfuerzo, honestidad y dedicación, gracias por haberme guiado por el buen camino. Espero que en el lugar donde se encuentre puedan verme y sentirse orgullosos de mí, ya que este título de INGENIERO es para ellos. Gracias a mi familia por siempre estar conmigo tanto en las buenas como en las malas, gracias por sus útiles consejos y por querer siempre lo mejor para mi, quiero darles las gracias en especiales a mis tíos Alberto Pirela, Joel Pirela y Yarisma Balda de Pirela por todo el apoyo y amor que me han dado siempre. Así como también a mi primo Alberto Pirela, que ha sido siempre un gran apoyo para mí, y aunque en este momento no está conmigo, se que espiritualmente esta aquí conmigo. Gracias a nosotros mismos los desarrolladores de este proyecto que hemos puesto el empeño en crecer cada día más, hemos aprendido que el único que aprende con cabeza ajena es el barbero y que debemos vivir nuestras propias experiencias, estas deben estar sustentadas en los valores que nuestros padres con ayuda de los profesores no han inculcado. Gracias a mi compañero de tesis, amigo y hermano, con el cual he compartido casi todo el transcurso de mi vida universitaria, hemos intercambiado a lo largo de este tiempo altos y bajos, de los cuales hemos salido aireosos, de esto hemos aprendido que practicar la tolerancia y el respeto entre nosotros, nos ha enseñado a ser mejores personas. A su familia por el cariño con el que me recibieron y el apoyo que nos brindaron. Al Sr. Edilberto Díaz por todo el apoyo, consejos y ayuda brindada de manera veraz y precisa. A todos mis amigos, profesores, compañeros y todas aquellas personas que de una u otra han influido y ayudado en mi manera de pensar y de crecer como persona, especialmente a mis compañeros Carlos Betancourt, Arianna Sánchez, Andrés Coronado y Ana Leal. Gracias al Profesor José Luis Suarez por toda la asesoría brindada y que donde quiera que este pueda ver el logro de este esfuerzo. Gracias a Gian Manuel Crispín y a los técnicos de su taller Ice Car´s por toda la asesoría brindada. Gracias a nuestro tutor el Ing. Alejandro Sardí, por su apoyo y colaboración a lo largo del proyecto. Por último pero no menos importante quiero agradecer a la Universidad Nueva Esparta por albergar en sus instalaciones a muchos jóvenes, los cuales hemos crecido en sus paredes, muchos hemos reído, muchos hemos llorado, pero siempre fue agradable estar allí. CARLA GRACIELA SALAS PIRELA. RESUMEN UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TÍTULO DE LA TESIS: Desarrollo de prototipo de sistema de monitoreo y control de presión de gas en aires acondicionado para vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Autor (es): Br. Díaz Lara, Edy Alberto. Br. Salas Pirela, Carla Graciela. Tutor: Ing. José Sardí. Fecha: Mayo de 2011. RESUMEN: En este proyecto se presenta un sistema de monitoreo y control de presión de gas de aires acondicionados automotrices. Trata de un sistema de control a lazo cerrado que este en constante monitoreo de la presión de gas para reparar los daños automáticamente y encender un indicador visual, que muestre al usuario la presencia de una fuga en el sistema. El mismo contará con una bombona de gas refrigerante de tipo freón alternativa a la carga habitual de gas del aire acondicionado del vehículo, a demás de sensores de presión, colocados en puntos estratégicos del sistema, de esta manera el sistema de monitoreo de la presión de gas, es capaz de detectar cualquier caída de presión abrupta en el sistema, y en ese momento activar el mecanismo alternativo que suministre el gas necesario solo hasta llegar al nivel de presión deseado, brindándole como beneficio la comodidad, el confort y el poder de decidir cuándo repararlo sin tener que quedarse sin aire acondicionado. Entre las fortalezas de este prototipo, se destaca el hecho de que el usuario tendrá un indicador visual, el cual le avisará que la fuga está presente, lo que le permitirá contar con un tiempo adicional para la reparación del aire acondicionado. Además, entre otras se evidencian las siguientes: (1) el aire continuara en funcionamiento, uno de estos beneficios es que el conductor puede protegerse de la contaminación ambiental, gracias a que puede viajar en un ambiente cerrado y un clima óptimo, y (2) el usuario tendrá la posibilidad de poder usar el aire acondicionado con una fuga mientras este lloviendo para evitar el empañamiento del vidrio o los días calorusosos y por ende la incomodidad que trae consigo el calor y las situaciones o problemas que se pueden confrontar al no tener operativo este sistema. El objetivo general de este proyecto es desarrollar un prototipo de sistema para el monitoreo y control de presión de gas en aires acondicionado para vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Palabras Claves en la Investigación: aire acondicionado automotriz, presión de gas, presostato, control, monitoreo, fuga de gas, Microcontrolador, prototipo, circuitos, gas refrigerante. SUMMARY UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TITLE OF THE THESIS: Development of system prototype of Monitoring And Control of gas pressure in airs conditioned for vehicles that a gas flow allows to establish to the system while the escape is repaired. Author : Br. Díaz Lara, Edy Alberto. Br. Salas Pirela, Carla Graciela. Tutor: Ing. Jose Sardí Date: May 2011 SUMMARY: In this project one presents a system of monitoring and control of pressure of equipped self-propelling airs. It treats of a system of control for bow closed that this in constant monitoring of the gas pressure to repair the hurts automatically and to ignite a visual indicator, which shows the presence of an escape to the user in the system. The same one will possess a cooling gas cylinder of type freon alternative to the habitual load of gas of the air conditioning of the vehicle, to others of sensors of pressure, placed in strategic points of the system, hereby the system of monitoring of the gas pressure, it is capable of detecting any fall of abrupt pressure in the system, and in this moment to activate the alternative mechanism that supplies the necessary alone gas up to coming at the level of pressure wished, drinking to him like I benefit the comfort, the comfort and the power to decide when to repair it without having to remain without air conditioning. Between the strengths of this prototype, it is outlined the fact that the user will have a visual indicator, which will warn him that the escape is present, which will allow him to possess an additional time for the repair of the air conditioning. Between the strengths of this prototype the following ones are demonstrated: (1) the air was continuing in functioning, one of these benefits is that the driver can protect from the environmental pollution, due to the fact that it can travel in a closed environment and an ideal climate, and (2) the user will have the possibility of being able to use the air conditioning with an escape while this one raining to avoid the water of the glass or the hot days and that for the inconvenience that brings with it the heat and the situations or problems that can confront on not having had this system operative. Key words in the Research: Equipped Self-propelling Airs, gas pressure, pressure switches, control, monitoring, gas escapes, Microcontroller, microcontrollers, circuits. ÍNDICE GENERAL DEDICATORIAS I AGRADECIMIENTOS IV RESUMEN IX SUMARY XI INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Interrogantes de la Investigación i 4 11 Interrogante Principal 11 Interrogantes Secundarias 11 Objetivos de la Investigación 13 Objetivo General 13 Objetivos Específicos 13 Justificación de la Investigación 14 Delimitación de la Investigación 17 Delimitación Temática 17 Delimitación Geográfica 18 Delimitación Temporal 18 Delimitación Técnica 18 Limitaciones de la investigación 19 CAPíTULO II MARCO TEÓRICO 20 Antecedentes de la investigación 20 Bases Teóricas 25 Sistema de Monitoreo 25 Sistema Prototipo 26 Sistemas de Control 28 Elementos de un sistema de control 28 Tipos de Sistema de Control 29 Sistemas de control a lazo abierto 29 Sistemas de control a lazo cerrado 30 Transductores Tipos de transductores Sensores 32 32 33 Características de los sensores 33 Algunos tipos de sensores 34 Historia del Aire Acondicionado 35 Aire Acondicionado 37 Principios de funcionamiento 37 Aire Acondicionado de vehículos 38 Funcionamiento del aire acondicionado 40 Componentes del aire acondicionado 42 Compresor 43 Tipos de Compresor 44 1. Alternativos 44 1.1. Compresor alternativo de pistones con sistema biela manivela 45 1.2. Compresor alternativo de pistones tipo revolver 45 2. Rotativos 2.1. Pseudo Rotativos Condensador Tipos de condensador 46 46 46 47 1. Condensador de tipo serpentín 47 2. Condensador de tipo tubo/aletas 47 3. Condensador de flujo paralelo 47 Evaporador Tipos de evaporador 48 48 1. Evaporadores de tipo serpentín 48 2. Evaporadores de tubos y aletas 48 3. Evaporador de placas 49 Válvula de Expansión Tipos de válvulas de expansión 49 49 1. Válvula de expansión manual 49 2. Válvula de expansión termostática 50 3. Válvulas de expansión electrónica o eléctrica 50 Filtro deshidratante 50 Agente frigorífico o gas refrigerante 51 Presión de Gas 52 Aceite para el agente Frigorífico 54 Humedad de un aire acondicionado 54 Condiciones que deben cumplir los refrigerantes 55 Carga de gas refrigerante 56 Tipos de cargas 57 Por baja presión 57 Por alta presión 59 Mantenimiento preventivo o de rutina de los aires acondicionados 60 Averías del sistema 61 Tipo de fugas 62 Fuga accidental catastrófica 62 Fuga gradual grave 63 Descarga de refrigerante en ocasión de servicio 63 Descarga de refrigerante en sistemas con dispositivos de purga de aire Microcontrolador 63 64 Estructura del Microcontrolador 64 Algunos tipos de Microcontrolador 66 Microcontrolador DSPIC 66 Microcontrolador AVR 66 Microcontrolador Basic Stamp 67 Microcontrolador Intel 8051 68 Microcontrolador PIC 69 Microntrolador PIC 16F873 70 Características 71 Distribución de terminales 71 Puertos del Microcontrolador PIC 16F873 73 Circuitería externa del Microcontrolador PIC 16F873 73 El Reloj 74 Alimentación 75 Circuito de reset externo del PIC 16F873 76 Registros Internos de la familia 16F87X 77 Memoria de Programas 77 Memoria de Datos 77 Memoria de Registros 77 El Registro W 78 El Registro STATUS 79 Set de instrucciones del PIC 16F873 80 Instrucciones Orientadas a bits 80 Instrucciones Orientadas a Registros 81 Instrucciones Orientadas a Control 83 Aplicaciones de los Microcontroladores 84 Términos Básicos 85 Sistema De Variables 89 CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 92 Tipo de Investigación 92 Diseño de la Investigación 94 Población y Muestra 97 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos 99 Procesamiento y Análisis de Datos 102 CAPÍTULO IV: DESARROLLO DEL PROTOTIPO 104 FASE I: INVESTIGACIÓN PRELIMINAR 104 Precisión de los aspectos técnicos que definen el funcionamiento de los aires acondicionados 105 Análisis de las encuestas 106 FASE II: REQUERIMIENTOS DEL PROTOTIPO 120 FASE III: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 122 Especificaciones Técnicas 123 Bloque 1: Sistema de Aire Acondicionado Cálculos preliminares Diseño y construcción del sistema prototipo de aire acondicionado automotriz 124 125 128 Bloque 2 y 3: Diseño y construcción del detector de caída de presión y sistema surtidor de gas 132 FASE IV: PRUEBAS AL SISTEMA PROTOTIPO 135 Funcionamiento del prototipo sistema de aire acondicionado 135 Funcionamiento del sensor 136 Funcionamiento del sistema detector de fuga 137 Funcionamiento de los indicadores visuales 138 Funcionamiento del surtidor de gas 139 Funcionamiento del sistema prototipo general 140 Recursos Necesarios 141 A. Recursos Humanos 141 B. Recursos Materiales 142 C. Recursos Técnicos 143 CONCLUSIONES 146 RECOMENDACIONES 149 BIBLIOGRAFÍA 152 REFERENCIAS DE TRABAJOS ESPECIALES DE GRADO 154 REFERENCIAS DE INTERNET 154 ÍNDICE DE TABLAS Tabla N° 1: Datos Técnicos del Gas Refrigerante R-134A 52 Tabla N° 2: Presión de Vapor del Gas R-134A 53 Tabla N° 3: Datos aproximados para equipos de refrigeración 58 Tabla N° 4: Mapas de registros de archivos PIC 78 Tabla N° 5: Tabla de Registro STATUS 79 Tabla N° 6: Instrucciones orientadas a bits 81 Tabla N° 7: Instrucciones orientadas a Registros 81 Tabla N° 8: Instrucciones orientadas a Control 83 Tabla N° 9: Operacionalización del Sistema de Variables 89 Tabla N° 10: Tipo de gas refrigerante utilizados en los talleres 106 Tabla N° 11: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados baja presión 107 Tabla N° 12: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados alta presión 109 Tabla N° 13: Fallas más comunes automotrices 111 en aires acondicionados Tabla N° 14: Tiempo que duraría un sistema de aire acondicionado automotriz después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable 112 Tabla N° 15: Proceso de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados automotrices 114 Tabla N° 16: Requerimientos que se deben considerar para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en los aires acondicionados para vehículos 118 Tabla N° 17: Comportamiento del sensor 137 Tabla N° 18: Recursos humanos 141 Tabla N° 19: Recursos materiales 142 Tabla N° 20: Recursos técnicos 143 ÍNDICE DE FIGURAS Figura N° 1: Sistema de control a lazo abierto 29 Figura N° 2: Sistema de control a lazo cerrado 31 Figura N° 3: Un día caloroso en el interior de un vehículo sin aire acondicionado 39 Figura N° 4: Componentes del aire acondicionado 43 Figura N° 5: Compresor alternativo de pistones con sistema biela anivela 45 Figura N° 6: Condensador de tipo serpentín 47 Figura N° 7: Evaporador de placas 49 Figura N° 8: Esquema de conexión de mangueras para cargar por baja presión 59 Figura N° 9: Esquema de conexión de mangueras para cargar por alta presión 60 Figura N° 10: Partes de un Microcontrolador 65 Figura N° 11: Arquitectura de Harvard 70 Figura N° 12: Distribución de terminales PIC 16F87X 72 Figura N° 13: Circuito de Reset externo 76 Figura N° 14: Tipo de gas refrigerante utilizado en los encuestados talleres 107 Figura N° 15: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados baja presión 108 Figura N° 16: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados alta presión 110 Figura N° 17: Fallas más comunes en aires acondicionados automotrices 111 Figura N° 18: Tiempo que duraría un sistema de aire acondicionado automotriz después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable 113 Figura N° 19: Proceso de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados automotrices 114 Figura N° 20: Requerimientos que se deben considerar para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en los aires acondicionados para vehículos 119 Figura N° 21: Diagrama en bloque general 122 Figura N° 22: Diagrama en bloque 123 Figura N° 23: Polea entre el motor y el compresor 125 Figura N° 24: Arreglo de poleas del motor y el compresor 129 Figura N° 25: Vista frontal del aire acondicionado automotriz 131 Figura N° 26: Vista trasera del aire acondicionado automotriz 131 Figura N° 27: Diagrama Circuital completo del sistema 133 Figura N° 28: Circuito del sistema prototipo 134 Figura N° 29: Sistema de carga de gas 134 ÍNDICE DE FÓRMULAS Fórmula N° 1: Cálculo de la presión 53 Fórmula N° 2: Cálculo del tiempo de ejecución y lectura de ciclo 74 Fórmula N° 3: Potencia disipada por un Microcontrolador 75 Fórmula N° 4: Proporción poblacional de población finita 98 Fórmula N° 5: Relación entre la rapidez lineal y angular 126 Fórmula N° 6: Cálculo de tamaño de la polea del motor 126 Fórmula N° 7: Conversión de la velocidad angular a rad/s 127 ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO A-1: ENTREVISTA APLICADA A LOS ESPECIALISTAS EN AIRES ACONDICIONADOS AUTOMOTRICES 164 ANEXO A-2: LISTA DE COTEJO 170 ANEXO B: VALIDACIÓN DE INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 172 ANEXO C: DATASHEET PIC 16F873 176 ANEXO D: DATASHEET 4N35 178 ANEXO E: DATASHEET 2N2222 181 INTRODUCCIÓN El sistema de aire acondicionado en un automóvil, es una combinación de un enfriador y un calentador, los cuales producen un ajuste en la temperatura y en la humedad del aire interior del vehículo, para así poder mantenerse cómodo todo el tiempo. En la actualidad, el aire acondicionado no es considerado como un elemento de lujo, esto es afirmado por Vázquez Olvera Carlos (1997), la mayoría de los autos lo traen de fábrica. Estos al mismo tiempo de aclimatar el ambiente dentro del auto, eliminan todo tipo impurezas, como lo son el polvo y el polen. El aire acondicionado de un vehículo funciona de una manera muy similar que una nevera, donde el compresor tiene la tarea de comprimir un gas, que luego lo deja descomprimir y al volverse gas nuevamente, absorbe temperatura de la zona lográndose valores bastante bajos, los cuales son llevados al interior del vehículo a través de un ventilador. La diferencia del circuito con el de la nevera, es que al existir vibraciones y movimientos entre las partes conectadas, es necesario utilizar mangueras de goma, por cuyos poros puede producirse el escape de gas. La reparación del aire acondicionado del automóvil algunas veces es comparado con el trabajo de un detective, ya que los problemas pueden surgir en cualquier parte del sistema de aire acondicionado, las fugas en el sistema son una de las fallas más frecuentes, las cuales al presentarse automáticamente una válvula apaga el compresor para evitar su daño. Actualmente en el país, no existe un sistema automatizado, que le proporcione al usuario el poder monitorear el nivel de gas que posee su aire acondicionado, cosa que al presentarse alguna fuga de gas hace que el mismo deje de funcionar. Situación que limita al usuario el tener que llevar su vehículo a un especialista, para así poder continuar disfrutando de su aire acondicionado. Con este sistema se ahorraría el tiempo del especialista en determinar la falla. Partiendo de esta realidad, en la presente investigación, se plantea como problema de estudio: Desarrollar un prototipo de sistema para el monitoreo y control de presión de gas en aires acondicionado para vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Este estudio, comprende cuatro capítulos, cuyos contenidos se describen a continuación: Capítulo I: Se describe el problema objeto de estudio; se identifican las interrogantes que orientan el proceso de investigación, se plantean sus objetivos, su justificación, delimitación y limitaciones confrontadas durante el desarrollo de la investigación. Capítulo II: Contiene el Marco Teórico de la investigación, e inicia con los antecedentes o trabajos previamente realizados por otros investigadores, que influyan en el contenido de esta investigación. Mediante las bases teóricas se fundamentan los conceptos, obteniendo así, la idea global de todos los factores y variables requeridas para el desarrollo de esta investigación. Luego se presentará una lista de términos, los cuales son considerados necesarios para la compresión del tema y por último se elaborará un cuadro que contenga las variables explicadas de cada objetivo de este trabajo de grado. Capítulo III: Engloba al Marco Metodológico, donde se procede a exponer y a explicar las herramientas y metodologías involucradas para el diseño de la investigación, definiendo a las personas que podrían facilitar información relevante para la realización del prototipo, así como también las técnicas de recolección de datos más adecuadas para cada estrato. Capítulo IV: Se presentará el Análisis de los resultados obtenidos mediante los mecanismos de recolección de datos aplicados, permitiendo dar un análisis de los sistemas de control existentes en los aires acondicionados de vehículos, y de los requerimientos necesarios para el diseño del prototipo. Seguidamente se presentaran los diagramas en bloques donde se especificará las etapas del prototipo a desarrollar, así como también la construcción, sus resultados obtenidos y la puesta en operación del prototipo, con sus costos de producción. Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones de la investigación. CAPÍTULO I EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La contextualización deductiva, utilizada como referencia para focalizar el problema objeto de estudio, en un contexto general, sus manifestaciones completas, significado, relaciones e implicaciones, se enmarca dentro de las perspectivas teóricas de los siguientes constructos teóricos: (1) Sistema de monitoreo, (2) Prototipo, (3) Sistema de Control, (4) Aire Acondicionado automotriz, y (5) Presión de gas. Un sistema de monitoreo según el Centro Internacional de Investigaciones para el Desarrollo (2000) consiste en “un proceso permanente para verificar sistemáticamente que las actividades o procesos planificados se llevan a cabo según lo esperado o que se está progresando en el logro de los resultados planificados”. Partiendo de lo señalado por este autor se puede decir que un sistema de monitoreo consiste en la observación continua de un fenómeno, natural o artificial, buscando la obtención de datos cuantitativos o cualitativos para un mayor conocimiento del comportamiento de un proceso, con la intención de controlarlo o regularlo. Segovia (1999), sostiene que “Un prototipo es un modelo (representación, demostración o simulación) fácilmente ampliable y modificable de un sistema planificado, probablemente incluyendo su interfaz y su funcionalidad de entradas y salidas”. Este autor, afirma que en el proceso de desarrollo técnico de un prototipo, se debe considerar los siguientes aspectos, para garantizar su confiabilidad y operatividad: (1) su ejecutabilidad: trabaja lo suficientemente bien con la entrada activa que le procura el usuario para permitir un test de usabilidad, (2) maduración: puede evolucionar, con el suficiente refinamiento, hasta el producto final, (3) Representación: tiene el aspecto y las características de actuación del sistema en planificación, y (4) perspectiva: como mínimo simula un 20% de las funciones que los usuarios utilizarán el 80% del tiempo. Así mismo, plantea este autor que en el proceso de desarrollo de un prototipo, el técnico o especialista puede confrontar las siguientes situaciones: (1) la realización de las necesidades del usuario precisa de análisis en una sesión de trabajo técnico, en el cual están involucrados los siguientes actores: clientes y desarrolladores; con el propósito de identificar los requerimientos, a partir de los cuales se definirá las funciones que ejecutará el prototipo, (2) construcción de un prototipo de baja fidelidad para clarificar, si éste cumple los requerimientos iníciales del cliente, (3) rediseñar el diagrama en bloque y circuito eléctrico del prototipo, en caso de que el cliente no esté conforme con el diseño inicial; este proceso implica (volver a especificar, rediseñar, volver a evaluar) hasta que el equipo, tanto usuarios como desarrolladores, estén de acuerdo con la fidelidad y el nivel de acabado del prototipo en evolución; por considerar que este diseño o prototipo es lo suficientemente alto, desde el punto de vista técnico y operativo, (4) se definen las especificaciones finales del prototipo (diseño del diagrama en bloque y circuitos eléctricos, y (5) se finaliza la construcción del producto o prototipo de acuerdo a los parámetros definidos en su diseño. Con respecto al sistema de control, Gamiz J. A. (2000), plantea que un sistema de control “Es un conjunto de elementos ensamblados con la finalidad de mantener, en torno al valor deseado, la magnitud de una cierta variable física de interés”. (p.13). Por consiguiente un sistema de control es una serie de elementos enlazados de manera que se pueda regular el sistema. Su funcionamiento dependerá de las características e interacciones que posean sus elementos y están formados por un conjunto de dispositivos de diversas naturalezas, como mecánicos, electrónicos, eléctricos, mecánicos y/o hidráulicos, tiene como finalidad controlar el funcionamiento de una máquina o de un proceso. El acondicionamiento de aire, según artículo publicado en la Web, por el Ing. García Guillermo (2009): “es el proceso que se considera más completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales”. La presión de un gas, según Vaquero (2008) “se origina por el choque de sus moléculas con las paredes del recipiente que lo contiene. Cuanto más moléculas choquen mayor será la presión y cuanto más rápido se muevan (que es lo mismo que estar a mayor temperatura), mayor será la presión”. Con respecto a las unidades para medir la presión, la Junta de Andalucía (2011), plantea que “desde el punto de vista de la física, la presión, representa la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica”: P = F/S En esta fórmula, destaca la junta antes referenciada, que “Dado que en el Sistema Internacional, la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa)” (Junta de Andalucía, 2011). En este sentido, relación de 1 Pa = 1 N/m2. Existen otras unidades de presión, estas poseen la siguiente relación: 1 PA = 1 N/m2 = 1,450 X 10-4 PSI = 10 -5 bar Desde el punto de vista inductivo, la problemática tratada en esta investigación; se circunscribe dentro del campo de estudio del desarrollo de prototipo, la presión de gas, acondicionamiento del aire y los sistemas de control y monitoreo. En el análisis preliminar del marco teórico antes referenciado; tiene el propósito de focalizar desde el punto de vista metodológico inductivo, la temática objeto de estudio. Se precisó que uno de los métodos de refrigeración más utilizado es el de compresión mecánica, que consiste en la ejecución de un proceso cíclico de transferencia de calor interior de un edificio al exterior, mediante la evaporación de sustancias denominadas refrigerantes como el freón. Esta sustancia se encuentra en estado líquido a baja presión y temperatura, evaporándose en el evaporador mediante la extracción de aire del interior del local más caliente. En la actualidad, los sistemas de aire acondicionado de los vehículos se componen, principalmente de un sistema de tuberías, evaporador, compresor y un depósito para almacenar el gas al encender el sistema, el compresor se encarga de comprimir el gas, para que luego se expande al pasar por las tuberías y la válvula de expansión, gracias a las propiedades de estos gases al expandirse cae la temperatura, pasando así a estado liquido, posteriormente pasa al evaporador y vuelve a ser gas, al cumplirse este proceso se repite el ciclo. Actualmente, las personas que poseen sistemas de aire acondicionado en sus vehículos, disfrutan de éste durante un período de vida útil, con el pasar de los años, el deterioro, las condiciones ambientales, las altas temperaturas del motor y los daños originados por mecánicos que intentan arreglar otras partes del vehículo, causan averías en el sistema de aire acondicionado por completo, este deterioro puede evidenciarse a través de pequeñas fugas en él, ya sea por fisuras en las tuberías, falta de presión en las uniones de los componentes y el vencimiento de las propiedades de los orrines. Las consecuencias, que traen estos daños en el sistema de aire acondicionado instalado en los vehículos, a través de los años, se materializa en la avería del aire acondicionado en general, ya que un sensor denominado Presostato, detecta la caída de presión a causa de las fugas y apaga el comprensor para evitar así su daño, esto ocasiona la inhabilitación del aire acondicionado por completo, dejando como única opción para el usuario, repararlo de inmediato para poder seguir disfrutándolo. Esta avería de aire acondicionado, causa ciertos efectos secundarios, entre los que se destacan: (1) la incomodidad del calor los días de verano, (2) el empañamiento de los vidrios del vehículo en caso de que este lloviendo, (3) la exposición a la contaminación del exterior y (4) riesgo de sufrir actos vandálicos, producto de la delincuencia. Estas condiciones, se agudizan actualmente por los niveles de inflación, lo que hace necesario que el usuario necesite disponer de los medios económicos inmediatos para poder resolver esta situación. Es importante resaltar, que en la investigación preliminar realizada, se determinó que ni en Venezuela ni en Latinoamérica, existe un sistema alternativo para surtir de gas al sistema de aire acondicionado de vehículos, en tiempo real, con el propósito de lograr que este sistema mantenga el nivel de presión de gas deseado para que pueda continuar su funcionamiento. Destacándose, que solamente en el área industrial existe un sistema capaz de monitorear la presión de gas del aire acondicionado, presentando como limitación la imposibilidad de recargar el gas para mantener la presión del mismo y por ende la operatividad del sistema. La situación antes descrita, representó una oportunidad para desarrollar la presente investigación, la cual se enmarca en el campo de estudio de la electrónica, representando una innovación tecnológica de gran significación, dada la importancia del aire acondicionado en el país por sus condiciones tropicales, permanencia de los vehículos en largas colas y altos costos en la reparación del sistema de aires acondicionados de vehículos. Siendo este prototipo aplicable en todo tipo de vehículos, en especial en los de tipo blindados, de lujo y ambulancias, brindándoles a los usuarios un mayor rango de seguridad, en cuanto, a que si su sistema de aire acondicionado falla, este podría continuar en funcionamiento, cabe destacar la importancia que tienen los sistemas de aire acondicionados en este tipo de vehículos. El prototipo construido en esta investigación, se circunscribe desde el punto metodológico y técnico dentro del enfoque positivista cuantitativo, sustentado en el desarrollo de la modalidad de investigación denominada Desarrollo Tecnológico, aplicando la rigurosidad del método científico, para diagnosticar una necesidad insatisfecha y presentar una solución tecnológica orientada dentro de las perspectiva de estudio de la ingeniería electrónica, que prueba la funcionalidad del prototipo y factibilidad de su desarrollo definitivo. El prototipo desarrollado en esta investigación, muestra una confiabilidad técnica operativa; por cuanto se trata de un sistema de control a lazo cerrado que este en constante monitoreo de la presión de gas para reparar los daños automáticamente y encender un indicador visual, que muestre al usuario la presencia de una fuga en el sistema, brindándole como beneficio la comodidad del tener el tiempo de repararlo, la idea de este proceso es proveer al usuario de un periodo de tiempo para que éste pueda repararlo cuando tenga el tiempo y recursos necesarios. Interrogantes de la Investigación Las interrogantes de la investigación, desde el punto de vista metodológico tienen por finalidad favorecer la formulación de los objetivos de la investigación. A los efectos de lograr este objetivo, se presentan a continuación las incertidumbres de los investigadores para alcanzar la meta definida en el titulo de la investigación. Interrogante Principal ¿Qué requerimientos, principios, y tecnología se debe considerar en el diseño y construcción de un sistema prototipo de monitoreo y control de la presión de gas para aires acondicionados de vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga? Interrogantes secundarias ¿Qué aspectos técnicos definen el funcionamiento y los procesos de control de gas existentes en los aires acondicionados de vehículos automotrices? ¿Qué requerimientos se deben de manejar para el diseño de un sistema prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga? ¿Qué principios, procedimientos y tecnologías se debe considerar en el diseño y construcción de un sistema prototipo de monitoreo y control de la presión de gas para aires acondicionados de vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga? ¿Qué pruebas se deben efectuar al sistema prototipo para validar su funcionamiento y eficiencia? Objetivos de la Investigación Objetivo General Desarrollar un prototipo de sistema para el monitoreo y control de presión de gas en aires acondicionado para vehículos que permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Objetivos Específicos - Precisar los aspectos técnicos que definen el funcionamiento y los procesos de control existentes en los aires acondicionados de vehículos. - Definir los requerimientos para el diseño de un sistema prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. - Diseñar un sistema prototipo de aire acondicionado automotriz. - Diseñar el circuito que permita ejecutar la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos. - Construir el sistema prototipo siguiendo rigurosamente los parámetros definidos en el diseño. - Probar el sistema prototipo para validar su funcionamiento y eficiencia. Justificación de la Investigación Los sistemas de aire acondicionado a finales del siglo XX y principios del siglo XXI, constituyen un servicio importante que se incorpora en la construcción de vehículos automotrices. Esta situación, ha generado el surgimiento y desarrollo de industrias de aires acondicionados, que han experimentado un importante crecimiento y productividad dada la demanda de reparaciones de este sistema. Venezuela, y en particular las grandes urbes, no han desarrollado una infraestructura vial suficiente para dar respuesta a la magnitud de vehículos automotores que se desplazan por las vías existentes; las cuales reflejan un deterioro importante, que genera una problemática relacionada con largas colas, que aunado al problema de inseguridad, hacen necesario que se disponga de un sistema de aire acondicionado operativo. Los altos costos que reflejan la reparación de este sistema y la inexistencia en el mercado interno de un sistema capaz de monitorear y controlar la presión de gas de los aires acondicionados de vehículos que permita mantener un flujo de gas al sistema, mientras se repara la fuga de este gas; justifican el desarrollo de esta investigación. Este prototipo puede ser aplicado a cualquier tipo de vehículos, sin embargo, es importante destacar, que se tiene un mercado potencial en: (1) vehículos blindados, ya que actualmente existe una creciente demanda de vehículos blindados a nivel nacional, estos deben tener en optimo estado el sistema de aire acondicionado, debido a que al bajar la ventanilla, se pierde el blindaje de los mismos y (2) ambulancias, el mantener constante las bajas temperaturas, por el aire acondicionado, mejora las condiciones del paciente durante su traslado al centro asistencial, permitiendo así mantener el metabolismo basal de los individuos, es decir lo mínimo que deben funcionar los órganos vitales para preservar la vida del paciente, respondiendo mejor al tratamiento y presentando menos complicaciones, mientras llega a su destino, que es el centro asistencial, contribuyendo así a ser un factor importante que ayuda a resguardar la vida del paciente. En ambos casos el aire acondicionado automotriz es de vital importancia. El prototipo construido en este estudio, representa en el contexto venezolano un desarrollo tecnológico significativo; por cuanto este sistema es capaz de brindarle al usuario un sistema alternativo para surtir gas al aire acondicionado de su vehículo. Esta investigación propone un sistema de control a lazo cerrado que este monitoreando constantemente la presión de gas, para que así al producirse una fuga, poder repararla automáticamente suministrando el gas necesario al sistema y poder seguir disfrutando del aire acondicionado, el mismo contará con una bombona de gas refrigerante de tipo freón alternativa a la carga habitual de gas del aire acondicionado del vehículo, a demás de sensores de presión, colocados en puntos estratégicos del sistema, de esta manera el sistema de monitoreo de la presión de gas, es capaz de detectar cualquier caída de presión abrupta en el sistema, y en ese momento activar el mecanismo alternativo que suministre el gas necesario solo hasta llegar al nivel de presión deseado, brindándole como beneficio la comodidad, el confort y el poder de decidir cuándo repararlo sin tener que quedarse sin aire acondicionado. Entre las fortalezas de este prototipo, se destaca el hecho de que el usuario tendrá un indicador visual, el cual le avisará que la fuga está presente, lo que le permitirá contar con un tiempo adicional para la reparación del aire acondicionado. Entre las fortalezas de este prototipo se evidencian las siguientes: (1) el aire continuará en funcionamiento, uno de estos beneficios es que el conductor puede protegerse de la contaminación ambiental, gracias a que puede viajar en un ambiente cerrado y un clima óptimo, y (2) el usuario tendrá la posibilidad de poder usar el aire acondicionado con una fuga mientras esté lloviendo para evitar el empañamiento del vidrio o los días calurosos y por ende la incomodidad que trae consigo el calor y las situaciones o problemas que se pueden confrontar al no tener operativo este sistema. Es importante resaltar, que esta investigación servirá de antecedente a futuros estudios relacionados con el área del control de presión en sistemas cerrados, a demás de proporcionar una base y un futuros proyectos en todo lo que es la parte punto de inicio para de refrigeración en aires acondicionados y sistemas de control, así como también deja abierto el camino para el estudio más especializado con respectos a este tema, trayendo como consecuencia que en un futuro los principios teóricos y prácticos en este estudio pueden ser aplicados, no solo en sistema de refrigeración para vehículos sino también en sistemas de refrigeración industrial y doméstica. Delimitación de la Investigación El área de estudio de la propuesta desarrollada en esta investigación, está definida dentro del campo de estudio de ingeniería electrónica, ingeniería mecánica e ingeniería automotriz. Según Tamayo y Tamayo. (1992), delimitar el tema significa: Indicar las características que llevan al investigador a escoger el tema Es ver la vialidad para su desarrollo. …Unida a esta delimitación es necesaria la justificación del mismo; es decir, para desarrollarlo, las cuales deben ser de orden externo u objetivo, y de orden interno o subjetivo. (p.50) En atención a esta consideración teórica y a los efectos de focalizar el estudio de campo y documental, la delimitación de esta investigación; se efectuó a partir de las siguientes consideraciones de orden técnico y metodológico: 1. Delimitación Temática La problemática tratada en esta investigación; se enmarca dentro del campo de estudio de la ingeniería electrónica, específicamente en la línea de investigación de las áreas del conocimiento de la electrónica de potencia y los sistemas de control; por cuanto en la definición de la estructura y funcionamiento del prototipo para definir su configuración y funcionamiento; se consideró de los aires acondicionados; a partir de estas consideraciones se desarrolló el prototipo. 2. Delimitación Geográfica La investigación documental de este estudio y las prácticas de laboratorio, para desarrollar este prototipo, se realizaron en la Universidad Nueva Esparta, ubicada en la avenida Sur 7, Los Naranjos, Urbanización El Cafetal, Estado Miranda; específicamente en la Escuela de Electrónica; debido a que en sus instalaciones se encuentran los equipos y recursos necesarios que permitieron desarrollar y validar el funcionamiento del prototipo. Las pruebas de este prototipo se realizaran en el taller de la Distribuidora Ice-Car’s 2005 C.A. Ubicado en la Av. Principal de Campo Claro, Quinta 402-109, Local Distribuidora Ice-Car’s 2005 C.A. 3. Delimitación Temporal El tiempo estimado para desarrollar el trabajo documental, de campo y construcción del prototipo, abarcó cinco (5) meses partiendo el día 1 de diciembre del 2010, al 31 de abril de 2011. 4. Delimitación Técnica El funcionamiento de este prototipo, desde el punto de vista técnico, permitirá: (1) que solo funcionará para pequeñas fugas de gas como orrines y fisuras en mangueras o algún otro componente del sistema, (2) el prototipo fue diseñado para monitorear constantemente la tubería de alta presión y la tubería de bajo presión, el punto entre el tanque de gas refrigerante y la válvula de expansión, (3) se utilizó el gas refrigerante de tipo freón R134-A para el surtido de gas auxiliar, (4) se consideró en su diseño y desarrollo, piezas por separado, es decir, no se implementará en un vehículo como tal, en su lugar se creó un prototipo recreando el funcionamiento básico de los aires acondicionados automotriz, para poder hacer los experimentos y las pruebas necesarias de la investigación, (5) el prototipo tiene un tiempo de funcionamiento estimado dependiendo de la cantidad de gas que se pierda por la fuga, la carga se realizará de una bombona de gas refrigerante freón R134-A de 1 Kg, la cual suministrará al sistema el gas faltante para su funcionamiento óptimo, (6) la carga máxima que se realizara en el sistema es de 35 PSI. Limitaciones de la investigación Los obstáculos que se confrontaron durante el proceso de desarrollo del prototipo, se relacionaron con la dificultad para adquirir en el país los siguientes componentes electrónicos; memoria, PIC; motivado a los inconvenientes que experimentaron las distribuidoras de dichos componentes por las restricciones establecidas por el estado para la importación de los mismos. Esta situación se superó, utilizando las bondades del comercio electrónico a través del cual se logró adquirir los componentes requeridos para el desarrollo. Una de las principales limitaciones que presenta este proyecto es que solo funciona en pequeñas fugas, ya que con grandes fugas el sistema no podrá llegar al nivel de presión indicado, debido a que se está perdiendo el gas suministrado. CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO Gómez M. Marcelo (2006) define de una manera clara y sencilla lo que es el marco teórico de la siguiente forma: “Siempre es importante ver el pasado para construir el presente y mirar hacia el futuro. Si la ciencia es un cuerpo de conocimientos sistemático y estructurado, resulta conveniente localizar, obtener y consultar estudios antecedentes, libros, revistas científicas, paginas de interne y toda aquella fuente que se relacione directamente con nuestro problema o tema de investigación”. (p.49) El marco teórico, que orientó el desarrollo de esta investigación, se describe a continuación: Antecedentes de la Investigación Golindano Hamana, Indira (2001), realizó un trabajo de grado titulado: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL PARA UNIDADES MANEJADORAS DE AIRE ACONDICIONADO (UMA), CON INTERFAZ GRÁFICA”. Este trabajo de grado fue presentado en la Universidad Nueva Esparta, para optar al título de Ingeniero Electrónico. El proyecto controla y supervisa unidades manejadoras de aire acondicionado (UMA) en aplicaciones industriales y comerciales. Este desarrollo estará conectado a una computadora (PC) vía RS-232, mediante el cual un operador supervisará el estado del sistema y podrá tomar decisiones sobre el funcionamiento del mismo. Este sistema realiza mediciones de temperatura ambiental, la cual es monitoreada por un sistema basado en un Microcontrolador conectado a su vez a un PC, vía RS-232 donde se encuentra localizada una interfaz con el usuario (gráfica). El control de la temperatura se realiza por medio de electroválvulas en sustitución de las válvulas manuales, las cuales tienen como objetivo regular el flujo de agua helada (medio de enfriamiento). El sistema posee dispositivos de supervisión del funcionamiento de las válvulas, ventilador de las unidades manejadoras de aire acondicionado (UMA) y la detección de fallas en el sistema de alimentación. Este estudio fue tomado como antecedente, ya que en el mismo se utilizó un Microcontrolador PIC, que permite la monitorización de las variables de objeto de medición y debe tomar las decisiones con respecto a la señal que se está recibiendo. Capote Emilio y Zapata Maximiliano (2006), efectuaron un trabajo de grado titulado “SISTEMA DE MONITOREO PARA MOTORES NAVALES”. El mismo fue presentado en la Universidad Nacional de Mar de Plata, ubicada en Argentina, para optar al título de Ingenieros Electrónicos. En este proyecto se presenta un sistema de monitoreo para motores navales. Su objeto será actualizar el sistema de supervisión de motores que posee un buque de la Armada Argentina. Este sistema censa presión, temperatura y r.p.m. de los motores diesel que forman parte de los sistemas de propulsión e iluminación-fuerza del buque. El usuario puede visualizar la magnitud y la condición de las variables citadas en un display, y además recibir un aviso en caso de fallas. Las funciones del equipo se controlan por medio de microcontroladores, lo que permite una gran flexibilidad de diseño y la posibilidad de cambios de configuración sin alterar el hardware. Como resultado se obtuvo un equipo confiable que concentra la información en un display remoto sin necesidad de ser verificada localmente por el usuario. El estudio antes identificado, representa un antecedente importante en esta investigación; ya que los autores proponen un sistema de monitoreo de múltiples variables para motores navales, temperatura, r.p.m., presión, estas variables son la estos datos son transmitidos a un Microcontrolador que se encarga de procesar los datos y enviarlos a unos display, para que el encargado de la supervisión pueda ver los valores actuales de las variables físicas, que se están midiendo en tiempo real. Del mismo modo la investigación que se está llevando a cabo tiene como base el monitoreo de una variable que es la presión. Se extrajo el cómo trabajar los sensores de presión, presostatos y la mejor manera de comprender los datos que se reciban desde los sensores para indicar el estado constante de la presión en tiempo real. Monte Martin y Sturla Martin (2009), presentaron un trabajo de grado titulado “SISTEMA DE SENSADO DE MULTIPLES VARIABLES PARA EL MOTOR DE LOCOMOTORA”. El mismo fue presentado en la Universidad Nacional de Mar de Plata, ubicada en Argentina, para optar al título de Ingenieros Electrónicos. Mediante este Proyecto se ofrece una solución práctica al problema que conlleva el registro de variables en procesos de gran complejidad. El objetivo de este trabajo es implementar un sistema de sensado que permita monitorear, mediante un display o una PC, los valores actuales de una cierta cantidad de variables a elección del operador. Además permite almacenar los datos adquiridos, en una memoria SD (Secure Digital), para un análisis de la evolución de dichas variables en una PC, a través de un programa con un entorno gráfico amigable. El sistema desarrollado consta de dos unidades independientes: Placa Principal y Data Logger, que permiten la adquisición de señales desde varios canales y el almacenamiento con reloj de tiempo real, respectivamente. Además, se provee el software de interfase gráfica con el usuario, con las opciones de monitoreo en tiempo real o su posterior análisis. La investigación antes referenciada, fue tomada como antecedente, ya que los autores proponen un sistema de monitoreo de distintas variables y su censado en tiempo real. Aspecto, que fue considerado en el diseño del prototipo desarrollado en esta investigación, específicamente el uso de los sensores indicados para cada variable y su compresión de funcionamiento. Colombo Martin y Pereyra Claudio (2009) realizaron un trabajo de grado titulado “SISTEMA INTELIGENTE DE MEDICIÓN Y CONTROL PARA CARGAS DE ASCENSORES”. El mismo fue presentado en la Universidad Nacional de Mar de Plata, ubicada en Argentina, para optar al título de Ingenieros Electrónicos. Se presenta un medidor y controlador de carga para ascensores que permite aumentar el nivel de seguridad en los mismos. Permite medir y controlar la cantidad máxima de carga que es capaz de soportar un ascensor, disminuyendo el desgaste de sus frenos, reduciendo exigencias sobre sus materiales constitutivos, evitando posibles descalibraciones, etc. La medición de carga es realizada por medio de sensores denominados celdas strain gauge, que convierten las microdeformaciones que presenta el bastidor del ascensor (viga de hierro que soporta la estructura del ascensor) en tensiones eléctricas. Las mismas son amplificadas y filtradas, posteriormente convertidas a formato digital para ser interpretadas por un Microcontrolador de alta gama PIC18f4550, que permite monitorear continuamente el peso que registran las celdas y en función de éste realizar las acciones necesarias para evitar que el ascensor arranque en caso de superarse el limite preestablecido e informar al usuario. El sistema desarrollado presenta las siguientes ventajas con respecto a los existentes: (1) modo de programación o configuración sumamente sencillo mediante un software de programación manual sencillo PC muy intuitivo, (2) menú de (mediante 3 teclas), (3) totalmente personalizable. Permite modificar todos los niveles de alarma y todos los mensajes de audio, (4) posibilidad de instalación sin necesidad de configuración inicial. Se instala, se enciende, se presiona un botón y comienza a funcionar, (5) posibilidad de reproducción de publicidad durante el viaje, y (6) incluye software de PC para grabación de mensajes personalizados y mensajes de publicidad. El equipo cumple además con las disposiciones exigidas por la Ley, consistentes en la incorporación de indicadores de cabina que ante la detención por exceso de carga nominal, den aviso en forma visual y auditiva, etc. Este estudio fue tomado como antecedente; por cuanto los investigadores proponen un sistema de control de carga para ascensores, que permita el control del peso indicado que pueda soportar el mismo para evitar el desgaste de sus frenos y evitar el encendido de una alarma si el peso sobrepasa, esta investigación aporta la comprensión de la señal de los sensores, la manera correcta de usar los actuadores y componentes usados para el control de elementos de potencia, así como también el uso de Microcontrolador, el cual debe tomar decisiones con respecto a las señales que esté recibiendo y cambiar sus respuestas constantemente dependiendo del valor del estado físico de la variable lo que se conoce como un sistema de control a lazo cerrado. Bases Teóricas. Sistema de Monitoreo. Un sistema de monitoreo según Otto Valles (2010) “es el ejercicio destinado a identificar de manera sistemática la calidad del desempeño de un sistema, subsistema o proceso a efecto de introducir los ajustes o cambios pertinentes y oportunos para el logro de sus resultados y efectos en el entorno”. Permitiendo así analizar el avance y proponer acciones a tomar para lograr los objetivos trazados, e identificar los éxitos o fracasos reales o potenciales lo antes posible y hacer ajustes oportunos a la ejecución. Sistema Prototipo. Montemayor María (2000) plantea que: “Un prototipo es una visión preliminar del modelo futuro, es un modelo operable, fácilmente ampliable y modificable, que tiene todas las características propuestas, pero realmente es un modelo básico que tiene que ser mejorado”. En otras palabras, el prototipo es la primera versión, o iteración de un sistema. Debido a la originalidad del modelo, los usuarios evalúan el diseño y la información que genera el sistema con la finalidad de realizar los ajustes necesarios. Básicamente, los prototipos permiten la evaluación de sustituciones extraordinarias en donde los diseñadores no tienen información ni experiencia, o también donde existen situaciones de riesgo y costos elevados. El prototipo es, un modelo piloto o de prueba diseñado para ser modificado con facilidad. La información obtenida mediante su uso se aplica en un nuevo diseño que se emplea, otra vez, como prototipo y que revela más información valiosa sobre el diseño. Este autor, afirma que los pasos a seguir para el desarrollo de un prototipo son los siguientes: (1) la identificación de los requerimientos o necesidades del usuario de una manera precisa, para poder definir las funciones que ejecutará el prototipo, (2) desarrollar un prototipo funcional, (3) utilizar el prototipo anotando las necesidades de cambios y mejoras. Esto expande la lista de los requerimientos de sistemas conocidos, (4) revisar el prototipo con base en la información obtenida a través de la experiencia del usuario, y (5) repetir los pasos anteriores las veces que sean necesarias, hasta obtener un sistema satisfactorio. Así mismo, plantea que las ventajas principales de la elaboración de prototipos son: (1) ser fácilmente modificable, (2) Evitar sorpresas desagradables al destacar los requerimientos incompletos o inconsistentes y la falta de funcionalidad, y (3) Reducir los costos de rediseño si los problemas se detectan pronto y cuando son fáciles de localizar. Sin embargo también se debe tener en cuenta los riesgos que se pueden presentar, los cuales son: (1) llevar a un número de cambios excesivo, (2) hacer pensar a los usuarios que el producto final está prácticamente terminado, (3) ignorar importantes características del modelo durante el desarrollo del prototipo, o alargarse el proceso de desarrollo en exceso si no se han establecido criterios para la terminación pertinente. Un prototipo en electrónica significa la construcción de un circuito real para verificar que un diseño teórico realmente funciona y proveer una plataforma física para depuración. El prototipo con frecuencia se construye usando técnicas como la placa de pruebas que crean un circuito electrónicamente correcto; pero que no será físicamente idéntico a un producto final. Sistemas de Control. Gamiz J. A. (2000) define que un sistema de control “Es un conjunto de elementos ensamblados con la finalidad de mantener, en torno al valor deseado, la magnitud de una cierta variable física de interés”. (p.13). Partiendo de lo señalado por este autor se puede decir que un sistema de control es una serie de elementos enlazados de manera que se pueda regular el sistema. Su funcionamiento dependerá de las características e interacciones que posean sus elementos. Están formados por un conjunto de dispositivos de diversas naturalezas, como mecánicos, electrónicos, eléctricos, mecánicos y/o hidráulicos, tiene como finalidad el controlar el funcionamiento de una maquina o de un proceso. Un sistema de control ideal debe ser capaz de ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos: Garantizar la estabilidad. Ser tan eficiente como sea posible. Ser fácilmente implementado y cómodo en operar en tiempo real. Elementos de un sistema de control. Aracil R, García N, Ñeco R., Reinoso O. (2003) dicen que una variable a controlar es “generalmente se conoce como señal de salida. Constituye la señal que deseamos que adquiera unos valores determinados…” (p.5). Lo que indica que una variable a controlar es la parte cambiante del sistema, el elemento que se desea controlar. El sistema constituye el conjunto de elementos que realizan una determinada función. El sensor es el elemento que permite captar el valor de la variable a controlar en determinados intervalos de tiempo. La señal de referencia es aquella que consigna el valor que se desea obtener en la señal de salida. El actuador es el elemento que actúa sobre el sistema modificando la señal de salida. El controlador es el elemento que comanda al actuador en función al objetivo de control. Tipos de sistemas de control Sistemas De Control A Lazo Abierto. Es aquel donde la variable no influye en la acción de control. De este modo el controlador no tiene en cuenta el valor de la señal de salida, ni se compara esta señal de referencia para decidir la actuación en todo instante del sistema. A continuación se ilustra este proceso: Figura N° 1: Sistema de control a Lazo abierto Fuente: Aracil R, García N, Ñeco R. y Reinoso O (2003), (p.5). En la figura N° 1 se ilustra un sistema de control a lazo abierto, poniendo como ejemplo para entender mejor un proceso que se hace diariamente como lo es meter la ropa a la secadora eléctrica, en la cual el sistema de control va modificando el tiempo, la temperatura, entre otros, en la función de indicación del usuario constituye el objetivo de control, de esta forma el usuario decide en qué modo desea realizar el secado de su ropa, esta sería la señal de referencia, el controlador actuaría sobre los diferentes mecanismos de sistema que en este caso sería la secadora, de manera que realiza una serie de actuaciones sin tener en cuenta la señal de salida. Un sistema de control a lazo abierto es aquel donde la salida no afecta a la acción de control. En este tipo de sistemas no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada, es bastante sencillo de hacer, de fácil concepto, su precisión depende de la calibración previa al sistema y puede ser afectado por perturbaciones. Sistemas de control a lazo cerrado. Aracil R, García N, Ñeco R., Reinoso O, (2003) señalan que los sistemas de control en bucle cerrado: Existe una realimentación de la señal de salida o variable a controlar. En este caso se compara la variable a controlar con la señal de referencia de forma que la función de esta diferencia entre una y otra, el controlador modifica la acción de control sobre los actuadores del sistema (p.6.). Un sistema de control a lazo cerrado partiendo de la apreciación del autor se dice que son aquellos sistemas en donde el control está en función a la señal de salida, utilizan una retroalimentación desde el resultado final para así poder ajustar la acción de control en consecuencia. Estos sistemas son bastante complejos, poseen amplia cantidad de parámetros, son bastante estables al presentarse perturbaciones, la salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Figura N° 2: Sistema de control a lazo cerrado Fuente: Regulación Automática (2009) online. En la figura N° 2 se puede evidenciar un sistema de control a lazo cerrado. Donde se tiene el elemento de comparación, el cual es el encargado de comparar el valor de referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida y esta produce una señal de error la cual es la indicación de la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido. Otro elemento de este sistema es el elemento de control, que es el que decide que acción tomar cuando se recibe una señal de error. El elemento de corrección es aquel que se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error. El elemento de proceso es el sistema donde se va a controlar la variable. El elemento de medición es el que produce una señal relacionada a la condición de la variable controlada, y proporciona la retroalimentación para que se pueda determinar si hay error o no. Transductores. Escalona Iván (2006) señala lo siguiente: “Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro”. Tipos de transductores. Escalona Iván (2006) afirma que los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Mientras que los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. Otra clasificación de los traductores es la siguiente: Transductor electroacústico es el que convierte ondas sonoras en energía eléctrica o viceversa. Transductor electromecánico como su nombre lo indica transforma la energía eléctrica en energía mecánica o viceversa. Transductor electromagnético cambia de electricidad a energía magnética. Transductores fotovoltaicos convierte un cambio de iluminación incidente sobre una unión semiconductora en un cambio de tensión generada. Transductores piezoeléctricos transforman un cambio de magnitud a medir en un cambio de carga electroestática o lo que es igual la tensión generada por algunos materiales. Transductores fotoeléctricos convierte la radiación de luz de algunos metales en corriente eléctrica. Sensor. Molina José (2005) indica que un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. En otras palabras un sensor es un dispositivo que cuenta con la capacidad de detectar magnitudes y transformarlas en variables eléctricas. Características de los sensores. Debe tener la mayor exactitud posible, es decir que o de errores en la medición de la variables. No deben existir variaciones en las mediciones. Debe poseer un amplio rango de funcionamiento, debe ser exacto y preciso en todo el rango. Debe ser fácil de calibrar. Su funcionamiento no debe estar sujeto a fallos frecuentes. Algunos tipos de sensores. - Los sensores inductivos detectan materiales ferrosos. Escalona Iván (2006) afirma que un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. - Los sensores capacitivos existen muchas aplicaciones que requieren el sensar a distancia materiales no metálicos y, para ello se emplea este tipo de sensor que usa el efecto capacitivo a tierra de los objetos a sensar. Escalona Iván (2006) - Los sensores de contacto, Escalona Iván (2006) afirma que “nos indican simplemente si ha habido contacto o no con algún objeto, sin considerar la magnitud de la fuerza de contacto”. Son simples interruptores que dependiendo de la presencia o no de algún objeto, se activan a desactivan. -Los sensores de fuerza. Escalona Iván (2006) indica que “determinan, además de si ha habido contacto con un objeto como los anteriores, la magnitud de la fuerza con la que se ha producido dicho contacto“. - Los sensores de posición miden o detectan la posición de un objeto. - Los sensores de nivel censan la posición de un flotador o de un interruptor. - Los sensores de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente o de lo que se desee medir. Los sensores de presión se clasifican en tres grupos: - Los que se basan en la medición de la altura de una columna de líquido. El más común es el tubo en forma de U. - Los que miden la distorsión de una cámara elástica. Su funcionamiento se basa en la utilización de la deformación o el momento de flexión de elementos elásticos sensibles que perciben la presión de un medio y la transforman en desplazamiento o esfuerzo. - Sensores de tipo eléctrico, se basa en la aparición de cargas electroestáticas cuando se deforman los cristales en una dirección determinada (Manómetro piezoeléctrico), así como también en el cambio de la resistencia eléctrica de los conductores bajo la acción de la presión (Manómetro de resistencia) y las Variaciones en la inductancia y capacitancia de conductores, de uso muy limitado debido a su baja sensibilidad. Historia del Aire Acondicionado. En la antigüedad, en Egipto ya se utilizaban sistemas y métodos para reducir la temperatura. Este método era utilizado en el palacio del faraón, donde sus paredes estaban formadas por grandes bloques de piedra, con un peso muy elevado, se dice que superaba las mil toneladas. El clima en el desierto es extremo en horas de la noche la temperatura disminuyen a niveles muy bajos, esto obligaba a 3000 esclavos a desarmar las paredes y llevar las piedras hasta el desierto de Sahara, para que las piedras se enfriaran. Antes del amanecer los esclavos llevaban las piedras de regreso al palacio y volvían a colocarlas en su lugar. Se decía que el faraón disfrutaba de unos 26° C., mientras a las afueras del palacio la temperatura subía casi al doble. González Conti (2003) dice que “En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante”. Willis Haviland Carrier de nacionalidad Norteamericana, fue el encargado de fundar las bases de la refrigeración moderna, desarrollo el concepto de climatización de verano, gracias a que se le presentaron una cantidad de dificultades en cuanto a la excesiva humidificación del aire enfriado. Esto fue en el año de 1902. González Conti (2003) señala que: En 1921, Willis Haviland Carrier patentó la máquina de refrigeración centrífuga. También conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire en grandes espacios. Es en 1921 cuando Willis Haviland Carrier patenta la Máquina de Refrigeración Centrífuga, también conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire en grandes espacios. Aire Acondicionado. El aire acondicionado es el encargado del proceso más complejo que es considerado el acondicionamiento del aire Mendoza Adán (2000) lo define como el proceso que enfría, limpia y circula el aire, controlando, además, su contenido de humedad. En condiciones ideales logra todo esto de manera simultánea. Principios de funcionamiento del aire acondicionado. El funcionamiento del aire acondicionado a tres leyes naturales según lo que dice el artículo Web publicado por Mecánica Virtual (2010): 1ª Ley: el calor se mueve siempre desde el objeto más caliente hacia el objeto más frío. El calor es una forma de energía; la temperatura es una medida de su intensidad. 2ª Ley: Para convertir en vapor es necesario calor. Si por ejemplo, el agua hierve sobre un quemador, absorbe una gran cantidad de calor sin que varíe su temperatura al evaporarse. Si, por el contrario, se extrae calor del vapor, entonces el vapor se condensa y se convierte en líquido. La temperatura a la cual el agua hierve, o el vapor de agua se condensa, depende de la presión. Al aumentar la presión aumenta la temperatura de ebullición. sobre un quemador, absorbe una gran cantidad de calor sin que varíe su temperatura al evaporarse. 3ª Ley: Al comprimir un gas, aumenta la temperatura y la presión. Partiendo de las leyes mencionadas anteriormente se dice que el ciclo fundamental de refrigeración es de la siguiente manera: El agente frigorífico liquido absorbe calor del medio ambiente al evaporarse (1ª y 2ª Ley). El vapor caliente es comprimido y alcanza una temperatura superior a la del aire del medio ambiente (3ª Ley). El aire del medio ambiente (que ya esta frío) absorbe calor y condensa el vapor convirtiéndolo en liquido (1ª y 3ª leyes). El líquido fluye hacia el punto de partida del ciclo y se vuelve a utilizar. Aire acondicionado de vehículos. Haciendo un poco de historia se puede decir que los primeros automóviles existentes no eran cómodos, tenían cauchos muy pequeños e interiores alfombrados que proporcionaban un viaje un tanto incomodo. En verano los pasajeros poseían como aire acondicionado la brisa que soplaba al viajar a una velocidad sumamente baja, mientras que en invierno la gente se abrigaba. En esa época no había nada más caliente que el interior de un vehículo, así que sus creadores intentaron hacer algunas modificaciones para evitar el calor, una de ellas fue el crear aberturas en el piso del mismo, pero trajo como consecuencia exceso de polvo y sucio que aire acondicionado. En la figura N° 3 se puede apreciar la incomodidad de un usuario estando dentro del vehículo sin aire acondicionado, ya que en un día caluroso el interior del mismo no resulta muy confortable. Figura N° 3: Un día caloroso en el interior de un vehículo sin aire acondicionado. Fuente: Rendle Steve (2005) (p.55). Willian Whiteley en 1884 tuvo la idea de colocar cubos de hielo en un contenedor debajo de la cabina de los carruajes y soplar aire adentro por medio de un ventilador conectado al eje. Una cubeta cerca de las aberturas del piso fue el equivalente en el automóvil; luego vino un sistema de enfriamiento por evaporación llamado Wheater Eye (Ojo climático), en el cual producía un efecto de disminución de la temperatura en el aire haciéndolo pasar sobre agua. Dicho sistema todavía se encuentra disponible en las VAN y los RV. Este sistema fue inventado por una compañía llamada Nash. El primer auto con un sistema de refrigeración como los actuales fue el Packard 1939. Luego vino Cadillac, que lanzó al mercado 300 autos con aire acondicionado en 1941. Estos primeros sistemas de aire acondicionado poseían una gran desventaja, la cual era que no existía un embrague en el compresor, por lo que éste siempre estaba encendido, mientras en auto estaba en funcionamiento, y para apagar el sistema, se tenía que parar el auto, salir de éste, abrir el capó y quitar la correa del compresor. Después de la Segunda Guerra Mundial que Cadillac promocionó una nueva modalidad que eran controles para el aire acondicionado. Estos controles estaban situados en el asiento trasero, cosa que era bastante peligrosa, ya que el conductor tenía que estirarse hasta la parte de atrás del vehículo para poder apagar su aire acondicionado, y con todo y este control era mejor opción alzar el capó y quitar la correa del compresor. El aumento de unidades de aire acondicionado instaladas en los autos en los 70s y los 80s se debió a que a finales de los 70s, en los Estados Unidos las personas comenzaron a mudarse hacía estados más calurosos. Luego las personas que compraban autos deseaban que éstos estuviesen equipados con todas las opciones disponibles. Con el tiempo las unidades de aire acondicionado fueron mejorando, por lo que los conductores no tuvieron que preocuparse por el calor que pasaban debido a que sus unidades de aire acondicionado no funcionaban bien. Hoy día, la mayoría de los automóviles y camiones cuentan con aire acondicionado. Según Mayz A. Edgar (1999) “El sistema de aire acondicionado en un automóvil combina un enfriador y un calentador para ajustar la temperatura y la humedad del aire interior del vehículo y mantenerlo cómodo todo el tiempo”. Funcionamiento del aire acondicionado. La mayoría de los sistemas de aire acondicionado automotriz se componen de cuatro partes básicas: un compresor que utiliza la potencia del motor del vehículo; una válvula de expansión, la cual es una restricción hacia donde bombea el compresor; y dos intercambiadores de calor, que son el evaporador y el condensador. Además, se requiere del refrigerante que fluye a través del sistema y está en constante cambio de estado cuando se inicia el ciclo. El compresor utiliza la potencia del motor para comprimir y circular el gas refrigerante a través del sistema. El refrigerante pasa a través del condensador en su camino de la salida del compresor hacia la válvula de expansión. El condensador se encuentra fuera del compartimiento de pasajeros, comúnmente enfrente del radiador del vehículo. El refrigerante pasa de la válvula de expansión al evaporador y, después de pasar por la tubería del evaporador, es regresado al compresor. El evaporador está localizado dentro del compartimiento de pasajeros del vehículo. Cuando el compresor entra en funcionamiento, succiona refrigerante de la tubería del evaporador y lo lleva hacia la tubería del condensador disminuyendo la presión del evaporador e aumentando la del condensador. En el momento que las condiciones de presión son las necesarias para mantener el sistema estable, la válvula de expansión se abrirá y permitirá al refrigerante regresar al evaporador a la misma velocidad que el compresor lo está retirando. Bajo estas condiciones, la presión en cada punto del sistema alcanza un nivel constante, pero la presión del condensador será mucho mayor que la presión del evaporador. Luego el gas refrigerante regresa al compresor y se inicia el proceso otra vez, se dice que este sistema es de tipo cíclico. La presión dentro del evaporador es lo suficientemente baja para que el punto de ebullición del refrigerante, sea bastante inferior a la temperatura interior del vehículo. Por lo tanto, el líquido se evapora, remueve calor del interior y sale del evaporador como gas. El efecto calorífico producido al pasar el refrigerante a través del compresor le impide al gas mezclarse y ocasiona que sea descargado del compresor a muy altas temperaturas. Este gas caliente pasa al condensador. La presión en este lado del sistema es lo suficientemente alta para que el punto de ebullición del refrigerante esté muy por encima de la temperatura exterior. El gas se enfriará hasta llegar a su punto de ebullición y se condensará al ser absorbido el calor por el aire exterior. El refrigerante líquido se vuelve a forzar a través de la válvula de expansión por la presión del condensador. Componentes de los sistemas de aire acondicionado. En la figura N° 4, se pueden apreciar todos los componentes que integran un sistema de aire acondicionado. Donde el compresor está incorporado al motor del vehículo, el condensador, el mismo está instalado delante del radiador, el evaporador, este es colocado delante del cuerpo de calefacción, el acumulador, se encuentra en la tubería de aspiración, la válvula de expansión, ella está instalada en el líquido, delante del evaporador entre otros componentes, como lo son las tuberías, órganos de regulación. Figura N° 4: Componentes del aire acondicionado Fuente: Mecánica Virtual (2010) Compresor. Valeo Distribución (1999) dice que el compresor: Es la máquina que transforma la energía mecánica suministrada por el motor del vehículo, de forma que aspira el fluido refrigerante, procedente del evaporador y bajo la forma de vapor a baja presión y temperatura, para después impulsarlo hacia el condensador, en forma de alta presión y temperatura. Posee las funciones de bombear el refrigerante por el sistema y de aumentar su presión y temperatura. Se encuentra fijado directamente sobre el bloque del motor y es accionado por la correa que mueve la bomba de líquido de refrigeración y el alternador. Tipos de Compresor. Los compresores utilizados para la climatización de vehículos se conocen como volumétricos y estos se clasifican en: 1. Alternativos. Posee un comportamiento que es subdivido en 4 etapas, aspiración, compresión, impulsión y expansión. En la primera fase la válvula de aspiración se encuentra abierta, para que así el fluido frigorífico gaseoso pueda entrar de una manera constante al compresor. En la segunda fase la válvula de aspiración y descarga se encuentran cerradas y el gas se comprime desde la presión de aspiración hasta la de impulsión. En la tercera fase, la presión de impulsión corresponde con la presión medida en el condensador. Cuando se alcance este valor, la válvula de descarga se abre y se produce la expulsión del gas a presión constante. En la cuarta y última fase se expanden el gas hasta que alcanza la presión de aspiración. Los compresores alternativos se dividen en: 1.1. Compresor alternativo de pistones con sistema biela manivela. Está compuesta por un cilindro con un pistón interior, su respectiva biela, manivela y las toberas de aspiración y descarga. Como se puede apreciar en la figura N° 5. Figura N° 5: Compresor alternativo de pistones con sistema biela anivela. Fuente: Valeo Distribución (1999). online 1.2. Compresor alternativo de pistones tipo revolver. Su funcionamiento consiste en transformar un movimiento rotativo del eje en un movimiento alternativo de pistones por medio de un plato oscilante inclinado. 2. Rotativos. Su funcionamiento se basa en la disminución progresiva del espacio ocupado entre las paletas y la rotación de un rotor. 2.1. Pseudo Rotativos. Son usados normalmente en vehículos de propulsión eléctrica y en instalaciones industriales. Se basa en rotar una espiral móvil respecto a otra fija. Condensador. Es donde ocurre la disipación de calor. Cumple la misma función que el radiador, se encuentra localizado delante del radiador, en algunos casos debido a un diseño aerodinámico de la carrocería del vehículo, se coloca en otro lugar. Debe tener un buen flujo de aire siempre que esté en funcionamiento. Dentro del condensador el gas refrigerante que viene del compresor se encuentra caliente, es enfriado, durante este proceso de enfriamiento, el gas se condensa para convertirse en liquido a alta presión. Tipos de condensador. 1. Condensador de tipo serpentín. Está constituido por un tubo plano, que posee ovoide divida en 3 o 4 partes, para crear el mismo número de canales paralelos. Tiene aletas intercaladas en forma de acordeón. Como se puede observar en la figura N° 6. Figura N° 6: Condensador de tipo serpentín. Fuente: Valeo Distribución (1999) online 2. Condensador de tipo tubo/aletas. Está conformado por tubos cilíndricos en forma de aletas, expandidas mecánicamente para asegurara buen contacto térmico con estás. 3. Condensador de flujo paralelo. Está constituido por tubos planos, tiene tubos más finos y numerosos que el caso del serpentín, tiene forma de acordeón. Evaporador. Absorbe el calor y el exceso de humedad localizado dentro del vehículo. Tipos de evaporador. 1. Evapores de tipo serpentín. Está conformado por un tubo plano que contiene múltiples canales internos para que circule mejor el fluido, este tubo tiene forma de serpentín, y tiene forma de acordeón. Esta tecnología es muy utilizada por los constructores japoneses. 2. Evaporadores de tubos y aletas. Están constituidos por tubos cilíndricos en forma de horquilla, insertados paralelamente entre unas aletas, y expandidos mecánicamente para favorecer los intercambios térmicos entre los tubos y las aletas. Los tubos se unen entre ellos en cada extremo mediante unos codos, de manera que se subdivide el intercambiador en varias secciones paralelas, de longitud e intercambio térmico idénticos. Está tecnología es sumamente utilizada por constructores europeos. 3. Evaporador de placas. Está constituido por placas colocadas una sobre otra, entre estos tubos se intercalan aletas, tomando así la forma de un acordeón. Esta tecnología es altamente utilizada en los constructores americanos. En la figura N° 7 se puede apreciar este evaporador. Figura N° 7: Evaporador de placas. Fuente: Valeo Distribución (1999). Online. Válvula de expansión. Es la que asegura el suministro regular de refrigerante al evaporador manteniendo una temperatura específica al salir del mismo. Tipos de Válvulas de expansión. 1. Válvulas de expansión Manual. Es regulada por un tornillo. 2. Válvulas de expansión termostáticas. Se utilizan como reguladores de máquinas de compresión de vapor para aplicaciones de refrigeración o congelación. 3. Válvulas de expansión Electrónica o eléctrica. Trabaja con control eléctrico. Permiten el funcionamiento ideal del evaporador, manteniéndolo lleno de gas refrigerante y permite que solo salga del mismo gas sobrecalentado para no dañar el compresor. Filtro deshidratante Valeo Distribución (1999) sostiene que el filtro deshidratante “es un depósito de fluido frigorífico en estado líquido. Contiene un desecante, que sirve para retener el agua susceptible de circular en el circuito de climatización, y unos filtros para retener las impurezas”. También señala que el acumulador “es un depósito de fluido frigorífico en estado gaseoso. Contiene igualmente un desecante y unos filtros que aseguran las mismas funciones que en el filtro deshidratante”. Valeo Distribución (1999). Este filtro tiene la función de deshidratar el circuito reteniendo la humedad del fluido por medio de un desecante, también constituye una reserva de líquido y filtra las impurezas. Agente frigorífico o gas refrigerante. La Dirección de Transporte de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía Mexicana (2008) señala que anteriormente los sistemas de aire acondicionado automotores: utilizaban como fluido de trabajo un refrigerante denominado clorofluorocarbono-12 (CFC–12 o como es conocido comercialmente, Freón); pero estudios han determinado que el CFC–12 daña la capa de ozono, por lo que se dejó de fabricar en 1995. La capa de ozono es muy importante para todos los habitantes del planeta Tierra, ya que impide el paso de los rayos ultravioleta provenientes del Sol, éstos son bastante dañinos pueden provocar cáncer de piel, cataratas y dañar el sistema inmunológico del individuo. En los últimos años se ha descubierto que la capa de ozono se está haciendo mucho más delgada. La Dirección de Transporte de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía Mexicana (2008) indica que: Para sustituir al CFC–12 se utiliza el R–134a, el cual es el único refrigerante alternativo que ha sido probado y recomendado por los fabricantes de automóviles, y además aceptado por la EPA (Agencia estadounidense para la protección ambiental, por sus siglas en inglés); por lo que es utilizado en todos los automóviles fabricados a partir de 1995. Obsérvese en la Tabla N°1 refrigerante R-134A. algunos datos técnicos del gas Tabla N° 1: Datos Técnicos del Gas Refrigerante R-134A, Fuente: Gas-Servei, S.A. (2000) Presión de Gas. La presión de un gas, según Vaquero (2008): Se origina por el choque de sus moléculas con las paredes del recipiente que lo contiene. Cuanto más moléculas choquen mayor será la presión y cuanto más rápido se muevan (que es lo mismo que estar a mayor temperatura), mayor será la presión. Con respecto a las unidades para medir la presión, la Junta de Andalucía (2011), plantea que desde el punto de vista de la física, la presión, representa la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica: P = F/S Fórmula N° 1: cálculo de la presión, Junta de Andalucía (2011) En esta fórmula, destaca la junta antes referenciada, que “Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa)” (Junta de Andalucía, 2011). En este sentido, relación de: 1 Pa = 1 N/m2 = 1,450 X 10-4 PSI = 10 -5 bar En la tabla N° 2 se puede apreciar la presión de vapor del gas R-134A dependiendo de su temperatura en °C tendrá una presión en bar. Tabla N° 2: Presión de Vapor del gas R-134A Fuente: Salvador Escoda S.A. (2001) Aceite para el agente frigorífico. Según el artículo publicado en la Web por Mecánica Virtual (2010), el aceite para el agente frigorífico posee la función de: “Lubricación de las juntas, las piezas intermedias de las juntas y las piezas móviles del compresor”. El aceite para el agente frigorífico utilizado para los aires acondicionados está altamente deshidratado y refinado, al objeto que sea compatible con el agente frigorífico. Este debe ser vertido directamente al agente frigorífico por el lado donde aspira el compresor. El agente frigorífico lo llevará consigo Humedad en un aire acondicionado. Según Mecánica Virtual (2010): “La humedad en los acondicionadores de aire origina en su totalidad más problemas y verías que todas las demás causas juntas”. Existen dos tipos de humedad que son la humedad visible, la cual es aquella que se puede apreciar a simple vista, como por ejemplo, empañamiento, pequeñas gotas, evaporación, entre otras, y la humedad invisible al vapor de agua que no puede verse, esta última es la que ocasiona la mayor cantidad de problemas en los aires acondicionados. Una de las consecuencias de la humedad es el fenómeno llamado congelación de minúsculas partículas de agua. La humedad se introduce en el agente frigorífico, es arrastrado en forma de niebla y como pequeños cristales de hielo en la válvula de expansión. La refrigeración puede dejar de funcionar de manera total o parcial, gracias a los cristales de hielo que pueden entorpecer e incluso impedir el paso del agente frigorífico. La válvula de expansión tiende a calentarse cuando es escaso el flujo del agente frigorífico, los cristales de hielo se funden y pasan por la válvula. Este ciclo se repite hasta que la humedad regresa a la válvula y se vuelven a formar los cristales de hielo, trayendo como consecuencia que la refrigeración sea irregular. Dependiendo de la cantidad de humedad y de cristales de hielo que se hayan formado se producirá o no, el efecto de bloqueo en el sistema. En el articulo Web publicado por Mecánica Virtual (2010) indica que una de las consecuencias que produce la humedad es que: “….puede dar lugar asimismo a que se oxiden las piezas metálicas, lo que es tanto más desagradable cuanto que el daño sólo puede constatarse cuando ya está muy avanzado el proceso desoxidación”. Condiciones que deben cumplir los refrigerantes. El autor Villanueva Rafael (2003) señala en su libro algunas de las condiciones que deben de cumplir los refrigerantes alguno de ellos son: Debe tener el mayor calor latente de evaporación, es decir, que en el cambio de estado de líquido a vapor, (evaporación), absorba la mayor cantidad de calor posible. La presión de condensación será la más baja posible. Deberá poseer una alta conductividad y gran poder de cesión de calor para su fácil condensación. Deberá tener un calor específico más bajo posible en estado sólido. (p.25). Otras de las condiciones a cumplir serian: Volumen específico en estado gaseoso, (tanto aspirado como comprimido), deberá ser lo más bajo posible para obtener así el mínimo dimensionamiento en el evaporador, condensador y tuberías. La temperatura de evaporación deberá ser inferior a la temperatura de régimen del espacio a acondicionar. Se puede decir que estas condiciones que deben cumplir los refrigerantes deben ser tomadas en cuenta, para así obtener un buen funcionamiento del sistema y evitar la generación de problemas por no tomar las medidas del caso. Carga de gas Refrigerante. En el momento de realizar una carga de gas se deben precisar varios aparatos de medida y algunas herramientas. Existen gran cantidad de métodos para el ajuste de la carga frigorífica así como el mecanismo a la hora de cargar el sistema. Lezcano Lorenzo (2003) indica en su publicación lo siguiente: En primer lugar y como elemento principal precisaremos de un analizador de presión, normalmente se utiliza el analizador de dos válvulas, pero hemos de señalar que en el mercado existen también de cuatro y cinco válvulas. El analizador consta de dos válvulas una para baja presión (low presión) y otra para alta presión (high presión). Dos manómetros de presión uno de color azul que indicara la presión en baja, su rango suele ser de 0 a 10 bar e incorpora varias escalas en relación presión-temperatura de los gases más característicos (R 22, R 134a, R 407C), el otro manómetro será de color rojo, este indicará la presión en alta, su rango suele ser de 0 a 30 bar, y como en el caso del manómetro de baja también incorpora varias escalas de temperatura para los gases antes citados. Es recomendado antes de hacer la carga revisar que en todos los acoples no hayan hilos de roscas dañados, suciedad, polvo, aceite o grasas. Verificar que en los cristales de los manómetros no haya polvo, de haber polvo limpiar con un paño limpio, no utilizar detergente ni desinfectantes. También debe realizarse el purgado de mangueras, se debe conectar la manguera amarilla a la botella de refrigerante la cual estará cerrada. Se debe conectar la manguera azul que es la de baja presión al sistema de refrigeración. Se abre la botella, cuando las mangueras están llenas de gas se purga el aire de las mismas. Se realiza la misma operación en la manguera roja que es la de alta presión. Tipos de cargas. Por baja presión. Lezcano Lorenzo (2003) afirma que para realizar una carga de presión: Se conecta la manguera amarilla a la botella de gas refrigerante, se purga y se satura de gas el sistema, una vez se equilibran las presiones se arranca el equipo frigorífico y se abre la válvula del analizador de baja presión de manera que el propio sistema va introduciendo el gas en el equipo. Se podrá calentar la botella para que aumente la temperatura y a su vez la presión y así conseguiremos introducir gas más rápidamente. Este método es uno de los más utilizados, ya que se puede ir midiendo tanto el recalentamiento como subenfriamiento que ofrece el circuito frigorífico pudiendo así ajustarlo, otro indicador que ayudara a saber si la carga es la adecuada será la intensidad de consumo del compresor así como los saltos térmicos que se podrán medir en los intercambiadores de calor. Los datos aproximados para equipos de refrigeración se muestran en la tabla N° 3: Tabla N° 3: Datos aproximados para equipos de refrigeración Proceso Indicador Recalentamiento Entre 5 ºC y 12 ºC Subenfriamiento Entre 5 ºC y 12 ºC Salto térmico en intercambiadores de Aproximadamente 10 ºC aire Salto térmico en intercambiadores de Aproximadamente 5 ºC agua Consumo eléctrico Por debajo la intensidad nominal Fuente: Lezcano Lorenzo (2003) En la figura N° 8 se puede apreciar la conexión de las mangueras para cargar el equipo por el lado de baja presión. Figura N° 8: Esquema de conexión de mangueras para cargar por baja presión. Fuente: Lezcano Lorenzo (2003) online Carga por alta presión. Lezcano Lorenzo (2003) afirma que para realizar una carga de presión: Se conecta la manguera amarilla a la botella de gas refrigerante, en caso de que no lleve toma de líquido colocaremos boca abajo la botella para asegurarnos que el refrigerante entrará en forma de líquido, esta operación se realizara con el equipo parado ya que si no fuera así la presión que abría en el circuito impediría la carga. Este sistema se utiliza en escasas ocasiones y solo si tenemos una bascula y calculamos el peso introducido cotejándolo con el peso de carga de refrigerante que aparece en la placa de características de los equipos. Basándose en la separación de este autor se puede decir que de inyectarle refrigerante líquido por la toma de baja presión se debe tener sumo cuidado para así evitar golpes de líquido al compresor. Se debe abrir la llave suavemente, para que el sistema se estabilice. Inicialmente con el sistema detenido se podrá introducir refrigerante líquido por la línea de líquidos, si se dispone de una toma entre la válvula de expansión y el condensador. Al poner en marcha el compresor la presión en la línea de líquidos aumenta y dificulta el paso de refrigerante desde la botella al circuito. En la Figura N °9 se puede evidenciar la conexión de las mangueras para cargar el equipo por el lado de alta presión. Figura N° 9: Esquema de conexión de las mangueras para cargar el equipo por el lado de alta presión. Fuente: Lezcano Lorenzo (2003). online Mantenimiento preventivo o de rutina de los aires acondicionados. Limpieza del evaporador. Cambio del filtro secador (botella deshidratada que procura absorber la humedad interna del producto líquido refrigerante). Reemplazo de la válvula de expansión. Cambio de sellos. Hacer un vacío al sistema que debe durar por lo menos 40 minutos. Agregar aceite al compresor. Cargarlo con su respectivo refrigerante. La Dirección de Transporte de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía Mexicana (2008) señala la importancia de hacer el mantenimiento preventivo a los aires acondicionados de los vehículos en su artículo Web, del cual se tomó el siguiente párrafo: La revisión de estos sistemas, estrictamente requiere tanto de entrenamiento especializado, como herramientas diseñadas para uno u otro sistema. Sin un mantenimiento regular, el aire acondicionado pierde aproximadamente 5% de su eficiencia original por cada año de operación, si se le da un mantenimiento adecuado se podrá mantener el 95% de la eficiencia original. Averías del sistema. El aire acondicionado de los vehículos como se explicó anteriormente está compuesto por el compresor, el evaporador, el condensador y los elementos controladores de presión, las conexiones entre estos elementos son comúnmente tuberías y mangueras especiales para evitar fugas, estos componentes se encuentran en un ambiente muy hostil, ya que se encuentran situados alrededor del motor del vehículo, donde hay altas temperaturas, piezas metálicas en movimiento y constantemente las personas manipulando herramientas pueden golpear los componentes del aire acondicionado sin percatarse. Es por estas razones que las partes y componentes empiezan a desgastarse y deteriorase. Otro de los factores influyentes en el desgaste y deterioro es el paso del tiempo, el mismo trae como consecuencia la aparición de pequeñas fisuras entre las tuberías de las conexiones, en ellas pueden originarse pérdidas de gas. También puede presentarse que en los orrines conectores de las uniones del evaporador y condensador, con las tuberías del sistema tienden a romperse por el paso del tiempo, refrigerante al exterior, permitiendo el escape del liquido de la misma forma pueden haber fugas causadas por desgastes en las mangueras del sistema, estas son ocasionadas por el roce con otras piezas y altas temperaturas. La conexión de la válvula de expansión al sistema puede presentar fugas al vencerse la unión, estas son las fugas en los aires acondicionados más comunes, sin embargo puede haber otras fugas alternativas en otras partes del sistema de aire acondicionado. Tipos de fugas. Puebla Jorge (2003) afirma en que existen cuatro tipos de fugas de refrigerante, las cuales son: (a) fuga accidental catastrófica, (b) fuga accidental gradual, (c) descarga de refrigerante en ocasión de un servicio, y (d) descarga de refrigerante en sistemas con dispositivos de purga de aire, todas estas fugas se explicaran más detalladamente a continuación. Fuga accidental catastrófica. Es cuando una falla mecánica (por ejemplo la ruptura accidental de una tubería) causa la pérdida total, o una cantidad significativa, de la carga de refrigerante de un sistema. Esta ruptura trae como consecuencia que el sistema de aire acondicionado deje de funcionar. Este tipo de fugas normalmente son producidas por golpes o colisiones provenientes de objetos externos, es por esta razón que son bastante difíciles de eliminar. Fuga accidental gradual. Es producida cuando una fuga lenta se produce, por ejemplo como consecuencia de un sello mecánico defectuoso. Puebla Jorge (2003) afirma que este tipo de fuga: Puede pasar desapercibida por largo tiempo pues el equipo seguirá funcionando hasta que la pérdida de carga sea detectada debido al accionamiento de algún dispositivo de protección o a la disminución de rendimiento del equipo. Su prevención dependerá de un buen programa de mantenimiento preventivo. Descarga de refrigerante en ocasión de un servicio. Es cuando una cantidad de refrigerante es liberado a la atmósfera por un técnico de servicio para desarrollar algún procedimiento en el equipo. Este tipo de fuga es evitable e inaceptable. Descarga de refrigerante en sistemas con dispositivos de purga de aire. Ocurre cuando un dispositivo automáticamente descarga una mezcla de aire/refrigerante a la atmósfera. Para prevenir este tipo de fuga se recomienda una revisión periódica del aire acondicionado. Microcontrolador. Para Angulo y Angulo (1999) un Microcontrolador: es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador (…) sus líneas de entrada-salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar (…). Una vez programado y configurado se destina a gobernar una sola tarea asignada. (p.1) Se puede resumir como un dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos, con limitadas prestaciones y que está contenido en un circuito integrado. El Microcontrolador tiene una memoria interior donde reside el programa que ejecuta una función específica, junto con unidades de entrada y salida que van conectadas a periféricos tales como sensores o cualquier otro dispositivo. Estructura de un Microcontrolador. Un Microcontrolador básicamente está compuesto por: - Un procesador o CPU (Unidad Central de Procesos): es el elemento más importante del Microcontrolador, determina sus principales características, tanto a nivel de hardware como software. Un procesador o CPU es el encargado de la decodificación y ejecución del programa. - Memoria ROM: es una memoria no volátil, así que al desconectar el equipo no se pierde los datos y tiene la función de contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. - Memoria RAM: es una memoria volátil, los datos se pierden al desconectarlo y se destina a guardar las variables y los datos. - Líneas de E/S: estas líneas son los pines del Microcontrolador, que tienen la función de entrada y salida de datos o señales digitales, los cuales son llamados puertos, dependiendo del modelo de Microcontrolador es la cantidad de puertos que posee, cada uno de estos se le identifica con una letra. Para la utilización de estos puertos de entrada y salida debe tener una previa configuración. - Diversos módulos para el control periférico, por ejemplo temporizadores, puertas en serie, puertas en paralelo, conversores analógico/digital (CAD), conversores digital/analógico, (CDA), entre otros. En la Figura N° 10 se puede apreciar gráficamente las partes del Microcontrolador. Figura N °10: Partes de un Microcontrolador Gualoto Diego y Peralta Edwin (2007) online. Algunos Tipos de Microcontroladores. Microcontrolador DSPIC. Billbao Electronics (2010) indica que: Un DSPIC es un procesador de señales digitales muy rápido y poderoso, capaz de procesar audio y algunos hasta video en tiempo real. Por sus capacidades son perfectos para aplicaciones en las que no vamos a tolerar retrasos. Existe una gran variedad de ellos para pequeños y grandes requerimientos. Un DSP es un tipo de Microprocesador bastante rápido y eficiente, ya que trabaja a tiempo real, es una excelente opción para aplicaciones donde no puede haber retrasos. El dsPIC es uno de los últimos lanzamientos de Microchips fue lanzado al mercado a finales del 2004, son PICs con bus de datos de 16 bits al cual se le añaden operaciones del DSP implementadas en el hardware. Microcontrolador AVR. Vallejo Horacio (2006) en su publicación web indica que AVR: Esta familia está basada en una nueva arquitectura RISC que incorpora memoria Flash para el programa y memoria EEPROM para los datos. Además esta arquitectura fue diseñada para ser totalmente compatible con lenguaje C, permitiendo trabajar en alto nivel. Los microcontroladores AVR poseen un alto desempeño a una baja potencia, así como también poseen una arquitectura de RISC avanzada. Según Vallejo Horacio en su publicación web indica que el set de instrucciones de los AVR es bastante “regular”, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: - Los registros punteros X, Y y Z tienen capacidades de diferentes capacidades de direccionamiento diferentes entre sí. - Los registros 0 al 15 tienen direccionamiento que los registros 16 al 31. - Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas características que las posiciones 32 al 63. - La instrucción CLR afecta los 'flag', mientras que la instrucción SER no lo hace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias (dejar todos los bits en 1, y dejar todos los bits en 0 respectivamente). - Los códigos de operación 0x95C8 y 0x9004 hacen exactamente lo mismo (LPM). Microcontrolador Basic Stamp. Pulgar Diego (2009) indica en su manual publicado en la web que: El BASIC Stamp II es un pequeño computador que ejecuta programas en lenguaje PBASIC. El BS2-IC tiene 16 pines de (entrada / salida) I/O que pueden ser conectados directamente a dispositivos digitales o de niveles lógicos, tales como botones, diodos LEDs, altavoces, potenciómetros, y registros de desplazamiento. Algunas ventajas que tiene este Microcontrolador con respectos a otros es la incorporación de un Chip interprete de PBASIC, brindando esto como beneficio el ahorro del tiempo en el desarrollo de aplicaciones, gracias a su sencillez. El PBASIC es un lenguaje de programación basado en un BASIC estructurado orientado a entrada y salida de señales. La utilización de sencillas instrucciones de alto nivel, permite programar los Basic Stamps para controlar cualquier aplicación llevada a cabo por un Microcontrolador. Microcontrolador Intel 8051. Pérez Sergio (2009) señala: “Con el nombre de MCS-51 se define a una familia de microcontroladores de 8 bits desarrollados originalmente por la INTEL, de la cual el Microcontrolador 8051 es su principal representante.. Este Microcontrolador de 8 bits, presenta un software orientado a facilitar el desarrollo de aplicaciones para la instrumentación y el control”. El Microcontrolador Intel 8051 posee una unidad central de procesos de 8 bits, un procesador booleano integrado a operaciones de control, es sumamente utilizado en las aplicaciones de control de industrias. Microcontrolador PIC. Los 'PIC' son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva UCP de 16 bits CP16000. Siendo en general una buena UCP, ésta tenía malas prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la UCP. El PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del oscilador. En 1985, dicha división de microelectrónica de General Instruments se convirtió en una filial y el nuevo propietario canceló casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban obsoletos. El PIC, sin embargo, se mejoró con EPROM para conseguir un controlador de canal programable. Hoy en día multitud de PICs vienen con varios periféricos incluidos (módulos de comunicación serie, UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa desde 512 a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una instrucción en ensamblador, y puede ser 12, 14, 16 o 32bits, dependiendo de la familia específica de PICmicro). Microcontrolador PIC 16F873. Los microcontroladores de la familia 16F87X, así como el resto de los microcontroladores en la actualidad están diseñados con la arquitectura Harvard, la misma dispone dos memorias independientes, una contiene solamente instrucciones y la otra almacena los datos, como se puede apreciar en la Figura N° 11. Figura N° 11: Arquitectura de Harvad. Fuente: Gualoto Diego y Peralta Edwin (2007). Online Estas dos memorias cuentan con sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura), de manera simultánea en ambas memorias. Para que el CPU funcione, debe tener un generador de impulsos de reloj externo que sincronice su funcionamiento, para que este proceso se dé de manera exitosa se utiliza un cristal de cuarzo. Características. Las características principales que definen la estructura de este Microcontrolador, según Costales Alcívar (2007), son las siguientes: - Memoria de programa de 2 K de 14 bits, EEPROM. - Memoria de Datos RAM de 128 bytes. - Memoria de Datos EEPROM de 64 bytes. - Dispone una pila de 8 niveles para permitir llamadas a subrutinas anidadas. - Tiene 11 tipos diferentes de interrupciones. - Posee 35 instrucciones. - El encapsulado es de plástico DIP con 28 pines. - Permite un rango de frecuencia de trabajo de hasta 20 MHz. - Dispone de 3 timers (TMR0, TMR1, TMR2), y el perro guardián (WDT). - Tiene 22 líneas de E/S digitales, divididas en 3 puertos (puerto A 6 líneas, puerto B 8 líneas, puerto C 8 líneas). - Corriente máxima absorbida por línea: 25 mA. - Corriente máxima suministrada por línea: 25 mA. - Voltaje de alimentación (VDD) está entre 2 y 5.5 V. - Módulo A/D de 5 canales. Distribución de terminales. A continuación, se ilustran los distintos encapsulados de los diferentes modelos pertenecientes a esta familia. Es de señalar, que cada uno de esos pines o terminales, poseen más de un uso dependiendo de cómo se los configure excepto los terminales VDD y VSS que son los encargados de alimentar a estos µC. (Figura N° 12). Figura N° 12: Distribución de terminales, PIC16F87X Fuente: Microchip (2001). Online. Puertos del Microcontrolador PIC 16F873. Este Microcontrolador posee 3 puertos: - Puerto A = 6 pines. - Puerto B = 8 pines. - Puerto C = 8 pines. Circuitería externa del Microcontrolador PIC16F873. Angulo (2006), afirma que el circuito externo necesario para que el μC sea capaz de leer el programa grabado en él solo necesita dos aspectos fundamentales: el reloj y la alimentación, lo demás es a medida que necesitemos entradas y/o salidas adecuando cada una de ellas con circuitería externa. El autor antes identificado sostiene que el reloj se usa para darle una base de tiempo al µC, se puede usar una resistencia y un condensador o algo más confiable como un cristal de cuarzo piezoeléctrico (Algunos modelos de µC tienen relojes internos incorporados, pero son de otras familias). Usando cristales podemos estar seguros de la frecuencia de oscilación del µC, lo cual es útil para calcular tiempos de ejecuciones de las instrucciones, temporizaciones precisas, etc. Todos los PIC de la familia 16F87X tienen dos terminales llamados OSC1 y OSC2, en ellos van conectados los terminales del cristal; a su vez, se conectan dos capacitores entre masa y estos terminales, para completar el circuito de oscilación. En cuanto a la alimentación, esta no debe superar los 5 V ± 5% y se debe tener en cuenta que existe un terminal llamado MCLR (masterclear o reset), que debe estar con valor lógico 1 para que el µC pueda leer el programa. Con estas consideraciones de la circuitería externa indispensable estamos en condiciones de ya, por lo menos, asegurarnos que el μC ejecutará el programa que grabamos en él. (Angulo, 2006). (pag.198). El Reloj. Según Angulo. (2006), la familia de los PIC 16F87X disponen de un ciclo de instrucción igual a cuatro ciclos del reloj principal, es decir que se tiene un programa de 1000 instrucciones y un cristal de 10 MHz El tiempo que le demandará al μC leer y ejecutar todo el programa (asumiendo que todas las instrucciones tardan un ciclo de instrucción) es de 400 μS aplicando la fórmula N° 2: Fórmula N° 2: Cálculo del tiempo de ejecución y lectura de ciclo. Angulo (2006) (p.200). Dependiendo del modelo específico del μC se tiene una frecuencia máxima de trabajo. En la familia 16F87X la máxima frecuencia del reloj externo es de 20 MHz. es decir que el tiempo mínimo necesario para leer y ejecutar cada instrucción es de 400 ns. Un ciclo de instrucción según Angulo, equivale a 4 ciclos de reloj. Esto es porque con el primer ciclo de reloj el μC busca en su memoria a la instrucción a leer, en el segundo ciclo se carga en la memoria principal, el tercer ciclo es el encargado de ejecutarla propiamente dicho y el ultimo y cuarto ciclo limpia la memoria para volver a buscar la siguiente instrucción y así sucesivamente. Alimentación. Angulo. (2006), afirma que los μC de la familia 16F87X se alimentan con 5 VCC pero con 3,5 V también funcionan consumiendo un poco más de corriente. La corriente máxima que puede circular por el terminal VDD (donde se conecta el positivo de la fuente de 5 V) es de 250 mA y por cada salida no se debe hacer circular más de 25 mA. Estos datos son los de la hoja de datos de Microchip®. Este autor, sostiene que dado que la capacidad de entregar corriente del μC es bastante reducida, se suelen usar transistores o relés para comandar circuitos o artefactos de potencia. La potencia que puede disipar como máximo el μC es de 1 Watt y se calcula mediante la fórmula N° 3: Fórmula N° 3: Potencia disipada por un Microcontrolador, Fuente: Angulo (2006) (p.202). Donde: VDD es la tensión suministrada por la fuente de alimentación. IOH es la corriente suministrada por las salidas del PIC en estado alto. VOL es la corriente absorbida por las salidas del PIC en estado bajo. VOH es la tensión entregada por los terminales en estado alto. VOH es la tensión presente en los terminales en estado bajo. Circuito de reset externo del PIC 16F873. Angulo. (1999), señala que los: μC tienen un terminal llamado MCLR o master-clear el cual debe estar en “1” lógico para que se lean y ejecuten las instrucciones. En esta parte describiremos como resetear a los μC, es decir hacerlos que empiece a leer el programa grabado en ellos desde el principio. Una de las técnicas más sencillas es implementar el reset con el circuito. (p.207). Figura N° 13: Circuito de Reset externo Fuente: Angulo (1999). (p.207) En la figura N° 13 se observa que el terminal MCLR: Está siempre con valor lógico “1” lo cual habilita al μC a leer y ejecutar las instrucciones. El pulsador es el pulsador de Reset, es decir al presionarlo se conecta la resistencia (generalmente de 10 KΩ) entre VDD y VSS, con lo cual la caída de tensión sobre el terminal MCLR es 0 v y así fijamos el “0” lógico necesario para frenar las ejecuciones de las instrucciones. Cuando se suelta el pulsador, el terminal MCLR vuelve a estar en “1” y así arranca nuevamente a leer el programa desde el principio, es decir desde la primera instrucción grabada en él. (Angulo, 2006). (p.208) Registros internos de la familia 16F87X. En el manual del PIC 16F873 de Microchip, se indica que para cada Microcontrolador existen tres bloques bien diferenciados de memoria; los cuales se indican a continuación: Memoria de Programa: Lugar físico donde se guarda el programa. Memoria de Datos: Lugar físico donde se guardan datos, EEPROM. Memoria de Registros: Lugar físico de los registros que controlan cada módulo. En la tabla N° 4 se puede observar los mapas de registro del PIC 16F873. Tabla N° 4 Mapas de Registros de Archivos PIC Fuente: Microchip (2003), PIC16F87XDatasheet El Registro W. El registro auxiliar de trabajo W (working register) es un registro de 8 bits con un espacio físico en la memoria principal del μC. Este registro es totalmente escribible “desde el exterior” y se puede leer en cualquier momento ya que se puede acceder a él desde cualquier banco de memoria. Por medio de este registro cargamos valores a los distintos registros del μC, es decir, primero se pone un valor en el registro W y luego se copia el valor del registro W al registro que queramos. No se puede cargar un valor directamente a otro registro que no sea W. (Microchip 2003). El Registro STATUS. Como existen registros de control en los 4 bancos disponibles para los 16F87X y 2 bancos para los 16F8X, hay que tener bien en claro que para modificarlos o asignarles algún valor hay que seleccionar el banco correspondiente. Generalmente se trabaja en el banco 0, pero no por eso podemos decir que los otros no se utilizan. Además el banco 0 es el predeterminado cuando se enciende el μC. Cuando el μC se enciende, cada registro tiene asignado un valor, en general es el valor 0, pero no todos. Para profundizar en esto se puede consultar la tabla de valores iníciales de registros publicada por Microchip® en la hoja de datos de cada μC. La descripción específica de cada registro se hará cuando sea necesario utilizarlo. El registro de estado (STATUS) nos proporciona continuamente información mediante los bits del 0 al 2 de los resultados de operaciones matemáticas, desbordes de contadores, etc. El bit 3 está asociado con el WDT que se comentará más adelante. Seteando los bits 5 y 6 podemos seleccionar el banco de memoria correspondiente para trabajar con los registros necesarios y el bit 7 se usa para establecer que parte de cada banco está seleccionado. (Microchip, 2003). Tabla N° 5: Tabla de registro STATUS. Fuente: Microchip Technology Inc (2003). En la tabla N° 5 se puede evidenciar los registros de STATUS. Donde: C: acarreo se pone en 1 si hay carry en el octavo bit . DC: acarreo, igual que C, pero para el bit 4. Z: cero, se pone en 1 si el resultado de la instrucción anterior es cero. PD: (power down) se pone automáticamente en 1L al conectar el PIC a la alimentación, se pone en 0L al utilizar la instrucción SLEEP. TO: (time out) está en 1L al conectar el PIC a la alimentación, se pone en 0L cuando el perro guardián se desborda. RP1 y RP2: se usan para seleccionar el banco de la memoria. IRP: Selecciona el banco de direccionamiento indirecto. Set de Instrucciones del PIC 16F873. Microchip Technology Inc (2003) indica que: “Los 16F87x cuentan con 35 instrucciones, las cuales están divididas entre instrucciones orientadas a registros, orientadas a bits y orientadas a control. Por medio de estas, se crea el programa en lenguaje assembler respetando la sintaxis necesaria para cada una”. Instrucciones Orientadas a bits. Según Microchip Technology Inc. (2003), Este grupo de instrucciones actúa directamente sobre un bit específico de cualquier registro. Con ellas es posible escribir o leer un bit para luego tomar decisiones de acuerdo al resultado. En la tabla N° 6 se describen las instrucciones orientadas a bits: Tabla N° 6. Instrucciones orientadas a bits. Sintaxis Descripción Ciclos de instrucción BCF f,b Pone en “0” el bit b del registro f 1 BSF f,b Pone en “1” el bit b del registro f 1 BTFSC Lee el bit b del registro f y salta la instrucción siguiente si 1 (2 si salta) f,b está en “1” BTFSS Lee el bit b del registro f y salta la instrucción siguiente f,b si está en “0” 1 (2 si salta) Fuente: Microchip Technology Inc (2003). Instrucciones Orientadas a Registros. Según el manual Microchip. (2008), este tipo de instrucciones maneja registros directamente, es decir, con estas instrucciones se asignan valores a cada registro, operar matemáticamente con estos valores y operar con lógica booleana entre ellos, etc. En la tabla N° 7 se ilustran las Instrucciones Orientadas a Registros: Tabla N° 7. Instrucciones Orientadas a Registros Sintaxis Descripción Ciclos de instrucción ADDWF f,d Suma el contenido del registro W con el de f 1 ANDWF f,d Realiza la operación lógica AND entre el contenido del 1 registro W con el de f CLRF f Borra el contenido del registro f 1 CLRW Borra el contenido del registro W 1 COMF f,d Niega el valor del registro f 1 DECF f,d Decrementa en una unidad el contenido del registro f 1 DECFSZ f,d Decrementa en una unidad el contenido del registro f y salta 1 (2 si salta) la instrucción siguiente si es cero. INCF f,d Incrementa en una unidad el contenido del registro f 1 INCFSZ f,d Incrementa en una unidad el contenido del registro f y salta 1 (2 si salta) la instrucción siguiente si es cero. IORWF f,d Realiza la operación lógica OR entre el contenido del registro 1 W con el de f MOVF f,d MOVWF f NOP RLF f,d Mueve el contenido del registro f 1 Mueve el contenido del registro W al registro f 1 No realiza ninguna operación 1 Rota el contenido del registro f hacia la izquierda a través del 1 carry bit RRF f,d Rota el contenido del registro f hacia la derecha a través del 1 carry bit SUBWF f,d Resta el contenido del registro W al registro f 1 SWAPF f,d Intercambia los cuatro primeros bits con los cuatro últimos del registro f 1 XORWF f,d Realiza la operación lógica XOR entre el contenido del 1 registro W con el de f Fuente: Microchip Technology Inc (2003). Instrucciones Orientadas a Control. En el manual Microchip. (2003), se especifica que: Este juego de instrucciones nos permite controlar algunos registros y funciones específicas. También estas instrucciones se utilizan para guardar algún valor determinado en un registro o hacer operaciones matemáticas y lógicas entre un registro y un valor cualquiera que no necesariamente esté guardado en un registro, es decir un valor literal. Tabla N°8. Instrucciones Orientadas a Control Sintaxis Descripción Ciclos de Instrucción ADDLW k Suma el valor k al registro W 1 ANDLW k Realiza la operación lógica AND entre el valor k y el registro W 1 CALL k Llamada a la subrutina k 2 CLRWDT Limpia el WD-Timer 1 GOTO k Salto incondicional a la etiqueta k 2 IORLOW k Realiza la operación lógica OR entre el valor k y el registro W 1 MOVLW k Guarda en el registro W el valor k 1 RETFIE Retorno de una interrupción 2 RETLW Retorno de una subrutina con el valor k en el registro W 2 RETURN Retorno de una subrutina 2 SLEEP Se pone el PIC en estado de reposo (dormido) 1 SUBLW k Resta el valor k al registro W 1 XORLW Realiza la operación lógica XOR entre el valor k y el registro W 1 Fuente: Microchip Technology Inc (2003). Aplicaciones de los microcontroladores. En la informática como controlador periféricos. Por ejemplo, para controlar impresoras, plotters, terminales, unidades de disco, comunicaciones (modem), entre otros. En la industria de los electrodomésticos se utiliza para el control de calefacciones, lavadoras, lavavajillas, cocinas eléctricas, etc. En la industria automotriz se usa en el control de motores, ordenador de ruta, alarmas, regulador de servofreno, dosificador, entre otras aplicaciones. En la industria en general se utiliza en: - Regulación: todas las familias incorporan algún miembro con conversores A/D y D/A para la regulación de la velocidad de las máquinas, de niveles, de temperatura, etc. - Automatismo: la enorme cantidad de entradas y salidas, el procesador booleano que incorpora y su inmunidad al ruido, le hacen muy valioso para el control secuencial de procesos. - Robótica: para el control de motores y captura de las señales de los diferentes sensores. TÉRMINOS BÁSICOS. Aire: Es una mezcla de varios gases, puede expandirse o contraerse, está compuesto de pequeñas partículas denominadas moléculas que son combinaciones de átomos. (Carnicer E, 2006, p.22). Aire Acondicionado: Equipo que acondiciona el aire limpiándolo, enfriándolo, calentándolo, humidificándolo o deshumidificándolo. (Rota Clima, 2005). Aire de extracción: Aire, normalmente viciado, que se expulsa al exterior. (Rota Clima, 2005). Aire de impulsión: Aire que se introduce en los espacios acondicionados. (Rota Clima, 2005). Aire exterior: Aire del ambiente exterior que se introduce en el circuito de climatización. (Rota Clima, 2005). Amperio: Es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. (Racing, 2009). Bit: Unidad mínima de información de la memoria, equivalente a un “sí” (0) o un “no” (1) binarios. La unión de 8 bits da lugar a un byte. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Bulón: tornillos de acero o acero cincado, de tamaño relativamente grande, con rosca solo en la parte extrema de su cuerpo. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Byte: Unidad de información, compuesta de 8 bits consecutivos. Cada byte puede representar, por ejemplo, una letra. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Calefacción: Proceso de tratamiento del aire que controla, al menos, la temperatura mínima de un local. (Rota Clima, 2005). Calor: Es la causa que atribuye variaciones en la temperatura. (Carnicer E, 2006, p.32). Climatización: Proceso de tratamiento de aire que se efectúa a lo largo de todo el año, controlando, en los espacios interiores, temperatura, humedad, pureza y velocidad del aire. (Rota Clima, 2005). Compresión: Término utilizado para describir un vapor cuando se aplica presión y se compactan las moléculas. (Rota Clima, 2005). Condensación: También conocida como temperatura de saturación o punto en que la temperatura alcanza su punto de ebullición de un líquido o de un vapor aumenta a medida que aumenta la presión a la que se somete. (Rendle Steve, 2005, p.6). Deshumificación: Proceso de tratamiento del aire por el que se disminuye la humedad. (Rota Clima, 2005). Evaporación: Condición que ocurre cuando un líquido absorbe calor y se convierte en vapor. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Frío: Término utilizado para describir el calor a niveles de intensidad más bajos. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Gas: Un estado de la materia ni sólido ni líquido, que no tiene forma ni volumen definido. El aire es una mezcla de varios gases. (Racing, 2009) Humedad: es la condición del aire con respecto a la cantidad de vapor contenida en el agua. (Carnicer E, 2006, p.40). Monitoreo: Supervisión para verificar el estado de las zonas. (Enciclopedia Wikipedia, 2010). Orrín: Pequeña goma de seguridad, que tiene la función de servir de barrera y evitar el escape de fluidos en las uniones de los componentes. (Racing, 2009) Pistón: Es el elemento que situado en el interior del cilindro y unido a la viela mediante un bulón, recibe la fuerza de expansión de los gases provenientes de la combustión, desplazándose a lo largo de las paredes del cilindro, con un movimiento lineal alternativo. Tiene forma cilíndrica y está formado por una Cabeza (en donde hay practicadas unas ranuras que alojan los segmentos que aseguran la estanqueidad de la cámara) y una Falda (con un taladro donde se aloja el bulón). (Racing, 2009). Presostato: Se le llama al instrumento de control de presión, también llamado interruptor de presión. (SEP, 2010). Radiador: Dispositivo de varios elementos huecos que sirve para enfriar el agua de refrigeración de un motor. (Racing, 2009). Refrigeración: Proceso de tratamiento del aire que controla, al menos, la temperatura máxima de un local. (Rota Clima, 2005). Refrigerante: Sustancia que se emplea en los sistemas de aire acondicionado para absorber, conducir y desprender calor. (Rendle Steve, 2005, p.6). Sistema de refrigeración: Los sistemas de refrigeración quitan el calor de un espacio cerrado o de una sustancia, mandándolo a otro lugar con el objetivo principal de bajar y mantener la temperatura de dicho espacio o sustancia. (Tu Impacto, 2010). Temperatura: Es la magnitud que indica la sensación de calor de un cuerpo, la temperatura de un cuerpo varía con la sustracción o adicción de calor. (Carnicer E. 2006, p.32). Termostato: Se dice del instrumento de control de temperatura, también llamado interruptor de temperatura. (SEP, 2010). Válvulas: Las válvulas son unos órganos interiores que intervienen en la admisión y en el escape de los gases. (Racing, 2009). Ventilación: Renovación del aire de una estancia o local. Suele denominarse ventilación natural cuando se produce sin accionamiento motor. (Rota Clima, 2005). SISTEMA DE VARIABLES. Según Balestrini (1999), el sistema de variables es un importante aspecto del marco teórico, porque plantea la existencia de algún tipo de relaciones entre ellos y los conceptos, como aspecto o dimensión de un objeto adquiere distintos valores y por lo tanto varía. También se definen como las propiedades, características y manifestaciones de los objetos o sujetos a estudiar en una investigación. En la tabla N° 9 se puede evidenciar la operacionalización del sistema de variables de esta investigación. Tabla N° 9. Operacionalización del Sistema de Variables Objetivos Variable Dimensión Indicador Fuente específicos Precisar aspectos que los técnicos definen funcionamiento los procesos Funcionamiento existentes y aires de y Potencia. procesos de control el control de presión en los acondicionados de vehículos. WATTS. Temperatura. Grados °C. Tipo de gas. FREÓN. Niveles de presión. PSI. de gas de los aires Fallas comunes en el acondicionados de funcionamiento del vehículos aire acondicionado. automotrices. Técnica de instrumentación Tiempo de funcionamiento del aire Tipo de falla. Días. acondicionado después de presentarse una fuga de gas. Proceso de control de presión de gas existente en aires Seguridad. Documental. Campo. Fichas técnicas. Entrevistas. Definir Requerimientos Funciones del Monitorear requerimientos los para el monitoreo y prototipo. controlar la presión para el diseño de control de prototipo. un de sistema prototipo que monitorear en acondicionados aires de Encuestas. Campo. Laboratorio. Campo. Laboratorio. Detectar las fugas. y controlar la presión Permitir de gas en aires establecimiento acondicionados un flujo de gas al para vehículos que sistema hasta que permita establecer esta sea reparada. el flujo de gas al sistema Campo. vehículos. ejecute la función de gas y Indicar mientras el al de usuario que la fuga está se repara la fuga. presente activando una luz. Diseñar un sistema Parámetros prototipo diseño del sistema de aire acondicionado de prototipo. automotriz. Diseñar el circuito Parámetros que diseño del circuito. permita de ejecutar la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados Tipo de Voltaje. alimentación. Nivel de presión. Libras. Tipo de gas. Freón. Tipo de Voltaje. alimentación. Nivel de Presión. PSI. Tipo de sensor. Presostato. Tipo de gas. Freón. Guión de observación. para vehículos. Construir sistema el prototipo siguiendo los parámetros diseño. de Ubicación de los Posición construcción del sensores y sensores componentes. componentes. Dimensión de los Cm. prototipo. rigurosamente definidos Etapas en el circuitos. Programación del Microcontrolador. Software. de los y Campo Observación Probar el sistema prototipo Funcionamiento del sistema de aire su acondicionado. validar funcionamiento eficiencia. Tipos de prueba. para y Funcionamiento del sensor. Funcionamiento del sistema detector de fuga. Bueno Regular Malo. Campo. ON/OFF. Bueno, Regular, Malo. Funcionamiento del indicador visual de ON/OFF fuga. Funcionamiento del Bueno, Regular, surtidor de gas. Malo. Funcionamiento del Bueno, Regular, sistema completo. Malo. Fuente: Los Autores (2011) Observación y Lista de cotejo. CAPITULO III MARCO METODOLÓGICO Balestrini Acuña. (2006), sostiene que: El Marco Metodológico, está referido al momento que alude al conjunto de procedimientos lógicos, tecno-operacionales implícitos en todo proceso de investigación, con el objeto de ponerlos de manifiesto y sistematizarlos; a propósito de permitir descubrir y analizar los supuestos del estudio y de reconstruir los datos, a partir de los conceptos teóricos convencionalmente operacionalizados. (p.125) El enfoque metodológico, que orientó el desarrollo de esta investigación, se centró en los siguientes aspectos: TIPOS DE INVESTIGACIÓN Palella Stracuzzi y Martins Pestana. (2006), afirman que “El tipo de investigación se refiere a la clase de estudio que se va a realizar. Orienta sobre la finalidad general del estudio y sobre la manera de recoger las informaciones o datos necesarios” (p.97). Partiendo de esta consideración teórica y de los objetivos trazados en esta investigación; la modalidad de la investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico, se utilizó para orientar el abordaje del problema objeto de estudio. Este tipo de investigación, se seleccionó por cuanto responde al paradigma de investigación científica, que parte del principio teórico de que la Innovación y Desarrollo Tecnológico, propuesto por la Organización de Cooperación y Desarrollo Económico, de la Organización de Estados Americanos, en el Manual Frascati. (1993), en el cual se señala taxativamente que la Innovación y Desarrollo Tecnológico: Es el trabajo sistemático que se vale del conocimiento existente obtenido de la investigación y la experiencia práctica con el propósito de producir nuevos materiales, productos o dispositivos; instalar nuevos procesos, sistemas o servicios, o de mejorar de forma sustancial aquellos ya instalados o producidos.(p.232) Este tipo de investigación, se ubica dentro de la modalidad antes identificada; por cuanto permite desde el punto de vista metodológico: 1.- Realizar un diagnóstico de un problema concreto, focalizado en este caso en particular, en la inexistencia en el mercado venezolano, de un sistema automatizado, capaz de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados de vehículos que permitan establecer un flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. 2.- Presentar una solución de carácter tecnológico que ejecute la función antes señalada. 3.- Ser presentada en una infraestructura tecnológica que permita el funcionamiento de este sistema. Diseño de la Investigación. Los autores Palella Stracuzzi y Martins Pestana. (2006), resaltan la importancia del diseño en la validez de la obtención del conocimiento científico, en el siguiente planteamiento: “El diseño de investigación se refiere a la estrategia que adopta el investigador para responder al problema, dificultad o inconveniente planteado en el estudio.”(p.95). El diseño empleado en este estudio, responde a los objetivos establecidos en el mismo. En este sentido, el diseño aplicado se denomina diseño mixto. Grajales Tevni (2000) señala que la investigación mixta es aquella que participa la naturaleza de la investigación documental y de la investigación de campo. El Manual de Trabajo de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador (2005) señala lo siguiente: Se entiende por Investigación Documental, el estudio de problemas con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza, con apoyo, principalmente en los trabajos previos, información y datos divulgados por medios impresos, audiovisuales o electrónicos…. (p.15). La investigación de tipo documental es realizada a través de consultas en libros, revistas especializadas, internet, manuales técnicos, entre otros medios. El Manual de Trabajo de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales de La Universidad Pedagógica Experimental Libertador (2005) señala lo siguiente: “Se entiende por investigación de campo, el análisis sistemático de problemas en la realidad, con el propósito bien sea de describirlos, interpretarlos, entender su naturaleza y factores constituyentes, explicar sus causas y efectos, o predecir su ocurrencia, haciendo uso de métodos característicos de cualquiera de los paradigmas o enfoques de investigación conocidos o desarrollados....” (p.14). La investigación de campo se realiza en el lugar y tiempo en que ocurren los fenómenos objeto de estudio. La información recopilada en la investigación documental, se focalizó en los indicadores definidos en el cuadro de operacionalización de variables; en los cuales, se determina la siguiente información: Precisar la comprensión detallada del funcionamiento y los procesos de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados, para así poder orientar las características del prototipo. La información recopilada en la investigación de campo, se focalizó en los indicadores definidos en el cuadro de operacionalización de variables; en los cuales, se determina la siguiente información: Precisar la comprensión detallada del funcionamiento y los procesos de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados, para así poder orientar las características del prototipo. Requerimientos para el diseño de un sistema prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Los parámetros requeridos para el diseño de un sistema prototipo de aire acondicionado. Los parámetros requeridos para el diseño del circuito que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Definición de la estructura del sistema prototipo, para lograr que este dispositivo ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos, el cual permita establecer un flujo de gas al sistema mientras se repare la fuga. Pruebas al sistema prototipo para validar su funcionamiento. Es importante destacar, que las etapas antes señaladas, representan las fases de la metodología de desarrollo de prototipo, que se cumplieron para alcanzar los objetivos trazados en esta investigación. Una parte de esta información se recogió en el trabajo de tipo documental, siendo realizada a través de consultas en libros, revistas, manuales, Internet, entre otros medios. Mientras que la otra parte de la investigación fue en el trabajo de campo, realizado dentro y fuera del laboratorio. Población y Muestra. Palella Stracuzzi y Martins Pestana. (2006), afirman que: La población de una investigación es el conjunto de unidades de las que se desea obtener información y sobre las que se van a generar conclusiones. La población puede ser definida como el conjunto finito o infinito de elementos, personas o cosas pertinentes a una investigación y que generalmente suele ser inaccesible. (p.115) Tomando como referencia lo expuesto anteriormente, en la presente investigación se trabajo con la siguiente unidad de estudio, setenta y ocho (78) talleres especializados en el mantenimiento, reparación e instalación de aires acondicionados ubicados en el Distrito Capital. La información de estos centros especializados fue tomada de Las Páginas Amarillas CAVEGUÍAS de CANTV (2010), de donde se pudo extraer en la sección automotriz páginas 84 y 85, la cual es toda la sección de aire acondicionado para vehículos en la Gran Caracas. Estos 78 talleres que aparecen en esta prestigiosa guía cuentan con los mejores técnicos y especialista en el área de aires acondicionados del país por ende dominan la mayoría de los clientes en el área metropolitana. Con respecto a la muestra, Grajanes Tevni (2000) señala en el artículo publicado en la web que la muestra se estima cuando: “no es posible tener contacto y observar a todas las unidades de análisis posibles, por lo que es necesario seleccionar un subconjunto de la misma que en efecto represente de manera apropiada a toda la población” De acuerdo a la población conformada por los setenta y ocho (78) talleres especializados en aires acondicionados la muestra estuvo constituida por los expertos y técnicos de estos 78 talleres, que tienen los conocimientos eléctricos, y dimensionales que sean de interés para la investigación; representa un población finita. En este sentido, la muestra representativa de la misma se estimó, utilizando, la fórmula de población finita porque la población o universo no sobrepasa el número de (78) setenta y ocho talleres. Para la disminución de esta muestra se utilizó la fórmula de proporción poblacional de población finita, con el fin de que el muestreo sea más exacto. Como lo muestra la fórmula N° 4, la cual se presenta a continuación. Fórmula N° 4: Proporción poblacional de población finita Fuente: Larios Víctor (1999) n es el tamaño de la muestra; Z es el nivel de confianza; p es la variabilidad positiva; q es la variabilidad negativa; N es el tamaño de la población; E es la precisión o el error. Los datos que se tienen de esta muestra son: N=78 talleres Z= 1,96 => 2 (95% de confiablidad) e= 5% =0,05 p= 50% = 0,5 q= 50% = 0,5 n= ? n= (N * Z2 * p * q)/ (N – 1) * e + Z2 * p * q n= (78 – (1,96)2 * (0,5 * 0,5)/ (78 -1) * 0,05 + 1,922 * 0,5 * 0,5 n= 15,57 => 16 La muestra está constituida por dieciséis (16) talleres relacionados por el área de estudio. Técnicas e instrumentación de recolección de datos. La autora Balestrini Acuña. (2006), resalta la relevancia de las técnicas e instrumentos de recolección de datos en el proceso de investigación, cuando señala que: Otro importante aspecto a desarrollar en el Marco Metodológico del proyecto de investigación, toda vez que se ha delimitado, el tipo de investigación, su diseño, la población o universo de estudio así como su muestra; está relacionado con la definición de los métodos, instrumentos y técnicas de recolección de la información que se incorporan a lo largo de todo el proceso de investigación, en función del problema y de las interrogantes planteadas; así como, de los objetivos que han sido definidos. Por cierto, conjunto de técnicas que permitirán cumplir con los requisitos establecidos en el paradigma científico, vinculados al carácter específicos de las diferentes etapas de este proceso investigativo y especialmente referidos al momento teórico y al momento metodológico de la investigación. …Estás técnicas son diversas según el objeto a que se apliquen y no se excluyen entre sí. Todavía es preciso, por una parte, saber elegir la más adecuada y, por otra utilizarla convenientemente… (p.145) Con respecto a los instrumentos de recolección de datos, se emplearon durante el estudio de campo, el guía de entrevista, observación, la lista de cotejo y las fichas técnicas. Así mismo en el trabajo de laboratorio se sometió el desarrollo del prototipo a ciertos estímulos como por ejemplo, la aplicación de diferentes rangos de temperatura que sirvió para dar una conclusión de lo investigado de acuerdo al comportamiento del sistema observado, mediante instrumentos de laboratorio. A tal efecto, la recolección de datos se obtuvo mediante el uso de instrumentos de medición (el voltímetro para medir niveles de diferencia de potencial o voltaje directo o alterno, el amperímetro para medir la corriente, el osciloscopio para visualizar las diferentes señales y el barómetro para medir la presión). La Revista WOH (2009) señala que la entrevista “es un acto fundamental de dirección y de gestión y es aconsejable fijarla mediante cita previa y prever la duración”. La observación permite captar datos directamente de la realidad, es por ellos que esta técnica (observación) es del tipo simple y participante según Sabino (1992) debido a que: Puede actuarse con suma flexibilidad recogiendo solo aquellos datos que van a aparecer anotando las impresiones generales que causan estos sucesos de una manera espontánea y poco organizada, cuando así procedemos hablamos de una observación no estructurada o no formalizada, que ofrece ventajas por su gran capacidad de adaptación frente a sucesos inesperados y en no pasar por alto ningún aspecto importante que pueda producirse. (p. 60). Luna María (2007) afirma que la lista de cotejo consiste: en un listado de aspectos a evaluar (contenidos, capacidades, habilidades, conductas, etc.), al lado de los cuales se puede calificar (“O” visto bueno, o por ejemplo, una "X" si la conducta no es lograda) un puntaje, una nota o un concepto. Es entendido básicamente como un instrumento de verificación. Es decir, actúa como un mecanismo de revisión durante el proceso de enseñanza-aprendizaje de ciertos indicadores prefijados y la revisión de su logro o de la ausencia del mismo. Soluciones Prácticas (2009) señale que: Una ficha técnica es un documento a forma de sumario que contiene características técnicas de un producto, proceso, maquina, componente, material, subsistema, animal o software de manera detallada, para ser usado o interpretado por alguien. La ficha se utiliza generalmente para la comunicación técnica, su función es describir las características de un artículo, proceso o producto. Puede ser publicada por el fabricante para ayudar a la gente elegir los productos o para ayudar a utilizarlos. Por el contrario, una especificación técnica es un conjunto explícito de requisitos que debe cumplir un material, producto o servicio. Es importante resaltar que los instrumentos de recolección de datos fueron sometidos a un proceso de validación, utilizando el método denominado juicio de expertos, quienes revisaron los ítems definidos en función a los indicadores de estudio; cuyas apreciaciones coincidieron en señalar que los mismos alcanzaron la validez de constructo y lógica necesaria para obtener información significativa de los indicadores definidos en el cuadro de operalización de variables. (Ver Anexos). Procesamiento y Análisis de Datos Balestrini Acuña. (2006), con respecto al procesamiento y análisis de la información, sostiene que: En el Marco Metodológico del Proyecto de Investigación, también se deberá plantear como otro aspecto constitutivo del mismo, todo lo referido al análisis e interpretación de los resultados. Al culminar la fase de recolección de la información, los datos, han de ser sometidos a un proceso de elaboración técnica, que permite recontarlos y resumirlos; antes de introducir el análisis diferenciado a partir de procedimientos estadísticos; y posibilitar la interpretación y el logro de conclusiones a través de los resultados obtenidos. Esta etapa, de carácter técnico, pero al mismo tiempo, de mucha reflexión, involucra, la introducción de cierto tipo de operaciones ordenadas, estrechamente relacionada entre ellas, que facilitaran realizar interpretaciones significativas de los datos que se recogerán, en función de las bases teóricas que orientaran al sentido del estudio y del problema investigado.(p.169) Al finalizarse las tareas de recolección se acumularan cierto número de datos a partir de las cuales será posible sacar conclusiones generales de la investigación, sobre la conglomeración de información se ejercerá usa serie de actividades. En primer lugar la información será separada y clasificada, mediante palabras, los datos numéricos se procesarán y tabularan, es decir se realizaran tablas, listados de datos que se muestren agrupados y contabilizados de donde se construirán cuadros estadísticos. El procesamiento de los datos permitirá poder precisar los aspectos técnicos que definen el funcionamiento y los procesos de control de presión de gas de los aires acondicionados de vehículos automotrices, para así poder formular una propuesta que dé una respuesta factible en cuanto a la rentabilidad y eficiencia del mismo. El análisis de la información se efectuará agrupando y evaluando los datos referentes a un mismo aspecto. Lo primero que se analizará y estudiará son los parámetros que se necesiten para el diseño y la construcción de un sistema prototipo que permita ejecutar la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga, para posteriormente se procederá al programado del Microntrolador como herramienta para el desarrollo del control para el activado y desactivado intencional del sistema surtidor de gas. CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL PROTOTIPO FASE I: INVESTIGACIÓN PRELIMINAR. Precisión de los aspectos técnicos que definen el funcionamiento de los aires acondicionados La investigación documental, fue realizada con el propósito de precisar los aspectos técnicos que definen el funcionamiento de los aires acondicionados automotrices. Se precisó que en la mayoría de los sistemas de aires acondicionados automotrices están compuestos por cuatro partes básicas, que son, un compresor, el cual utiliza la potencia del motor del vehículo, una válvula de expansión que es la restricción hacia donde bombea el compresor y dos intercambiadores de calor, que son el evaporador y el condensador. A su vez se requiere de refrigerante que fluye a través del sistema y está en constante cambio de estado cuando se inicia el ciclo. El compresor utiliza la potencia del motor para comprimir y circular el gas refrigerante a través del sistema. El fluido en estado gaseoso es aspirado por el compresor a baja presión y temperatura (3 bar, 5 °C), este sale comprimido a alta presión y temperatura (20 bar, 110 °C). Al cumplirse este proceso, el fluido en estado gaseoso entra al condensador, donde es enfriado, con el propósito de transformarlo en líquido, al convertirse en liquido posee una presión alta y una temperatura media, (19 bar, 60 °C), para así pasar al filtro secador (deshidratador), él se encarga de eliminar la humedad para evitar la corrosión de las partes funcionales y el congelamiento de la válvula de expansión, por donde pasa el fluido en estado liquido para producir una violenta caída tanto de presión como de temperatura, el fluido sale en estado difásico (gas-líquido), con una presión de 3 bar y una temperatura de 0 °C, es conducido al evaporador donde se transfiere calor, para así producir el aire frío que se hace circular por el interior del vehículo mediante el motor ventilador. Cuando el interior del vehículo alcanza una temperatura determinada, el compresor deja de funcionar, hasta que esta aumente. Cuando esto ocurre, el termostato se acciona nuevamente, es decir el gas refrigerante regresa al compresor y se inicia el proceso de nuevo, este proceso es de tipo cíclico. La potencia requerida para que entre en funcionamiento un aire acondicionado automotriz puede ser dividido en dos partes específicas, la primera de ellas es la potencia requerida para impulsar al compresor del equipo de aire acondicionado y la segunda es la potencia eléctrica requerida para el ventilador que fuerza aire a través del evaporador y del condensador. La temperatura de un aire acondicionado en funcionamiento oscila entre los 25° y los 10° C. Es de vital importancia el conocimiento de este funcionamiento, para así poder conocer si el sistema a construir tiene un comportamiento eficiente. Análisis de las encuestas. Se realizaron un total de 16 encuestas, en talleres especializados en el mantenimiento, reparación e instalación de aires acondicionados automotrices. Las empresas tomadas de las Páginas Amarillas CAVEGUÍAS de CANTV (2010), para el Área Metropolitana fueron 16. Así mismo esta muestra representa el 20 % (72 talleres) del total de los talleres de la Gran Caracas que se especializan en el mantenimiento, reparación e instalación de aires acondicionados automotrices. Pregunta 1: ¿Cuál es el tipo de gas refrigerante utilizado en su taller para los aires acondicionados automotrices? Seleccione la alternativa que se corresponda con el tipo de gas utilizado. Tabla N° 10: Tipo de gas refrigerante utilizado en los talleres encuestados. Alternativa fi Porcentaje R-134A 14 87 % R-12 2 13 % Total 16 100% Fuente: Los Autores (2011) fi = frecuencia absoluta, la cual se obtiene por la suma de la cantidad de respuestas dadas en cada alternativa, está suma siempre dará 16, ya que el tamaño de la muestra utilizada es de 16. Figura 14: Tipo de gas refrigerante utilizado en los talleres encuestados. 13% R-134A R-12 87% Fuente: Los Autores (2011) Análisis Como se puede observar un 87 % de los talleres encuestados utilizan como gas refrigerante el R-134A para la carga de los aires acondicionados, por otra parte un total de 13 % utilizan el R-12 como gas refrigerante. Pregunta 2: ¿Cuáles son los niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado baja presión? Tabla N° 11: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado baja presión Alternativa fi Porcentaje De 20 a 30 PSI 2 14% De 30 a 40 PSI 8 57% De 40 a 50 PSI 4 29% Total 16 100% Fuente: Propia (2011) Figura N° 15: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado baja presión 14% 29% De 20 a 30 PSI De 30 a 40 PSI De 40 a 50 PSI 57% Fuente: Los Autores (2011) Análisis. Como se puede apreciar un 57% de los técnicos encuestados en los talleres consideran que la presión de gas para un funcionamiento optimo de un sistema de aire acondicionado automotriz en el lado de baja presión está comprendido en un rango entre 30 y 40 PSI, por su parte 29 % afirma que la presión de gas para un funcionamiento optimo de un sistema de aire acondicionado automotriz en el lado de baja presión está comprendido en un rango entre 40 y 50 PSI, mientras que un 14 % indica que los niveles de presión están en un rango entre 20 y 30 PSI. Pregunta 3: ¿Cuáles son los niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado alta presión? Tabla N° 12: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado alta presión. Alternativa fi Porcentaje De 100 a 150 PSI 0 0% De 150 a 200 PSI 1 6% De 200 a 250 PSI 15 94% Total 16 100% Fuente: Los Autores (2011) Figura N° 16: Niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices, en el lado alta presión. 0% 6% De 100 a 150 PSI De 150 a 200 PSI De 200 a 250 PSI 94% Fuente: Los Autores (2011). Análisis. Como se puede observar un 94% de los técnicos y expertos encuestados en los talleres consideran que la presión de gas para un funcionamiento optimo de un sistema de aire acondicionado automotriz en el lado de alta presión está comprendido en un rango entre 200 y 250 PSI, por su parte un total de 6 % afirma que la presión de gas para un funcionamiento optimo de un sistema de aire acondicionado automotriz en el lado de alta presión está comprendido en un rango entre 150 y 200 PSI. Pregunta 4: Según su experiencia ¿Cuáles son las fallas más comunes en aires acondicionados automotrices? Tabla N° 13: Fallas más comunes en aires acondicionados automotrices Alternativa fi Porcentaje Daño del compresor 2 12% Daño de los intercambiadores de calor 3 19% Daño de válvulas y filtros 3 19% Fugas de gas refrigerante 8 50% Total 16 100% Fuente: Los Autores (2011) Figura N° 17: Fallas más comunes en aires acondicionados automotrices. Daño del compresor 12% 19% 50% 19% Daño de los intercambiadores de calor Daño de válvulas y filtros Fuente: Los Autores (2011). Análisis. Como se puede evidenciar un 50 % de los especialistas encuestadas en los talleres de especializados en el mantenimiento, reparación e instalación de aires acondicionados automotrices encuestados afirmaron que una de las fallas más comunes presentes en esos sistemas son las fugas de gas refrigerante, por su parte un 19 % indicó que una de las fallas más frecuentes es el daño de los intercambiadores de calor (evaporador y/o condensador),, no obstante otro 19 % de la población señaló que la falla más recurrente es el daño de las válvulas y filtros, sin embargo un 12% aseveró que la falla más usuales es el daño del compresor. Pregunta 5 ¿Qué tiempo cree usted que duraría un sistema de aire acondicionado en funcionamiento después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable? Tabla N° 14: Tiempo cree usted que duraría un sistema de aire acondicionado en funcionamiento después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable Alternativa fi Porcentaje Una semana 0 0% Un mes 2 12,5% Tres meses 12 75% Cinco meses 2 12,5% Total 16 Fuente: Los Autores (2011) 100% Figura N° 18: Tiempo duraría un sistema de aire acondicionado en funcionamiento después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable 0% 13% 12% Una semana Un mes Tres meses Cinco meses 75% Fuente: Los Autores (2011) Análisis. Como se puede observar en la Figura N° 16, el 12 % afirmó que un aire acondicionado automotriz que presente una fuga de tamaño no considerable puede durar un mes, mientras que el 75 % de la población encuestada indicó que podía durar hasta tres meses, por su parte el 13 % señaló que seguiría en funcionamiento durante aproximadamente 5 meses. Pregunta 6: ¿Existe algún proceso de control de presión gas en los aires acondicionados automotrices? En caso de responder afirmativamente, señale que tipos de procesos de control de gas existen. Tabla N° 15: Proceso de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados automotrices Alternativas fi Porcentaje Si 16 100 % No 0 0% Total 16 100% Fuente: Los Autores (2011) Figura N° 19: Procesos de control de presión de gas existentes en los aires acondicionados automotrices 0% 100% Si No Fuente: Los Autores (2011) Análisis. Como se puede apreciar en la figura N° 19, el 100 % de la población encuestada en los talleres de aires acondicionados automotrices indicaron que si existen procesos de control de presión en aires acondicionados automotrices, entre estos están que al bajar la presión el sistema deja de enfriar como habitualmente lo hacía y de perder una cantidad mayor de gas refrigerante, una válvula indica que la presión bajo y automáticamente apaga el compresor para así evitar su daño. Por su parte al encontrarse el aire acondicionado con más presión de gas de la que se necesita, explotan las mangueras. Pregunta 7: ¿Qué requerimientos se deben considerar de acuerdo a su experiencia en el área para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos, que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga? Requerimiento 1: Conocer los tipos de compresores existentes en el mercado, para determinar el que más se adapte a sus necesidades. Objetivo e importancia del requerimiento: Al conocer el tipo de compresor que se está utilizando, se determina el tipo de gas refrigerante que se adapte más al modelo, así como también se garantiza que el tipo de aceite para el compresor sea compatible con el mismo. Requerimiento 2: Que el motor utilizado para la construcción del prototipo de aire acondicionado sea lo suficientemente potente. Objetivo e importancia del requerimiento: El compresor utiliza la potencia del motor para poder comprimir y poner a circular el gas refrigerante por todo el sistema, en este caso como no se utilizará un motor a combustión interna, sino un motor eléctrico se debe tomar en cuenta que se necesitan mínimo 1000 rpm en el compresor para un funcionamiento optimo del sistema. Requerimiento 3: Colocar los componentes y las conexiones en los lugares indicados. Objetivo e importancia del requerimiento: Para que al iniciarse el sistema posea unos valores de presión indicados. Requerimiento 4: Poseer un electro ventilador que cubra la mayor cantidad de espacio posible en el condensador. Objetivo e importancia del requerimiento: Para poder, por medio del intercambiador de calor, extraer mayor cantidad de calor del sistema. Requerimiento 5: La utilización de las mangueras indicadas. Objetivo e importancia del requerimiento: Deben ser resistentes y soportar altas presiones. Requerimiento 6: Buena conexión eléctrica para que cada parte pueda iniciar en el momento indicado. Objetivo e importancia del requerimiento: Se debe tener un aislamiento entre el sistema de control, que es el tablero y el sistema de potencia que se compone por todas las demás piezas del sistema del aire acondicionado. Requerimiento 7: Se debe tener un tablero que controle de encendido y apagado del sistema y la velocidad de los motores sopladores. Objetivo e importancia del requerimiento: Poder apagar o encender el sistema en el momento deseado, y controlar la velocidad de enfriamiento. Requerimiento 8: Utilizar filtro secante y un sensor de presión que cense el nivel de presión en ese punto. Objetivo e importancia del requerimiento: El filtro secante tiene la función de retener la humedad del fluido por medio de un desecante, también constituye una reserva de líquido y filtra las impurezas. Requerimiento 9: Es necesario dejar un puerto para cargar el sistema y otro para simular la fuga. Objetivo e importancia del requerimiento: Esto se debe a que el prototipo a desarrollar es cuando las fugas estén presentes. Requerimiento 10: Diseñar un circuito electrónico que este monitoreando el sensor de presión. Objetivo e importancia del requerimiento: Para que reaccione dependiendo de las señales emitidas por el sensor. Requerimiento 11: Utilizar una electroválvula que soporte las presiones de carga del sistema. Objetivo e importancia del requerimiento: Para establecer un flujo de gas al sistema prototipo cuando sea necesario. Tabla N° 16: Requerimientos que se deben considerar para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos Alternativas Requerimiento 1 fi 1 Porcentaje 6% Requerimiento 2 2 13 % Requerimiento 3 1 7% Requerimiento 4 1 7% Requerimiento 5 2 13 % Requerimiento 6 2 13% Requerimiento 7 1 7% Requerimiento 8 1 7% Requerimiento 9 1 7% Requerimiento 2 13% 1 7% 10 Requerimiento 11 Total 16 100% Fuente: Los Autores (2011) Figura N° 20: Requerimientos se deben considerar de acuerdo a su experiencia en el área para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos, que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga. Requerimiento 1 7% 13% Requerimiento 2 6% Requerimiento 3 13% Requerimiento 4 7% 7% Requerimiento 5 Requerimiento 6 7% 7% 7% 13% 13% Requerimiento 7 Requerimiento 8 Requerimiento 9 Requerimiento 10 Requerimiento 11 Fuente: Propia (2011) Análisis. Como se puede apreciar en la figura N° 20, un 6 % de la población encuestada afirmó que es importante tener en cuenta el requerimiento 1, un 13 % afirmó que se debe tomar en cuenta el requerimiento 2, un 7% dijo que el requerimiento 3 era necesario, de igual manera un 7 % señalo es importante el requerimiento 4, así mismo un 13 % confirmó que el requerimiento 5 era de vital importancia, al igual que el requerimiento 6, un 7% indico el requerimiento 7, un 7% resaltó el requerimiento 8, un 7% señaló necesario el requerimiento 8, un 7 % afirmó el requerimiento 9, un 13 % indicó el requerimiento 10, y por ultimo un 7 % señalo como importante el requerimiento 11. FASE II: REQUERIMIENTOS DEL PROTOTIPO. De acuerdo con los resultados obtenidos de las encuestas, se determinaron los requerimientos del prototipo, así como también permitió establecer los parámetros del diseño del prototipo, los cuales se le presentarán a continuación: - Contar con un motor que tenga la suficiente potencia para que el compresor pueda trabajar de una manera correcta, ya que este toma la potencia del motor para poder comprimir y hacer circular el gas por todo el sistema. - Poseer los componentes básicos para la construcción de un aire acondicionado automotriz como lo son: el compresor, el condensador, un evaporador, motores ventiladores, un filtro secante, una válvula de expansión, un electro ventilador y un sistema de tuberías, estas deben ser de goma, ya que deben ser resistentes y soportar altas presiones. - El buen posicionamiento de los componentes y conexiones en los lugares indicados, así como también una buena conexión eléctrica para un buen funcionamiento del sistema. - Utilizar un sensor de presión para que se monitoree el nivel de presión del sistema. - Diseñar un circuito que reaccione dependiendo de las señales emitidas por el sensor. - Usar una electroválvula que soporte altas presiones para poder establecer un flujo de gas al sistema cuando sea necesario. - Indicarle al usuario con una luz, el estado en el cual se encuentra su sistema, es decir si está funcionando de una manera correcta, si presenta fuga e indicar cuando el sistema este siendo cargado. En atención a estos requerimientos, las funciones que ejecuta este prototipo para lograr su objetivo, desde el punto de vista técnico son las siguientes: - Construir un prototipo de aire acondicionado automotriz. - Monitorear la presión de gas en aires acondicionados de vehículos. - Detectar las fugas. - Permitir el establecimiento de un flujo de gas al sistema hasta que esta sea reparada - Indicar al usuario que la fuga está presente activando una luz. FASE III: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO. En la Figura N° 21 se presenta el diagrama general de este proyecto, el mismo se divide en tres bloques, el bloque 1, corresponde a la parte de sistema del aire acondicionado, el bloque 2 a la etapa del control o la detección de la fuga y el bloque 3, es la parte de potencia o surtidora de gas refrigerante del sistema, cada bloque posee una fuente de alimentación diferente. Figura N° 21: Diagrama en bloque general. Fuente: Los Autores (2011). Figura N° 22: Diagrama en bloque Fuente: Los Autores (2011). Especificaciones Técnicas. En la figura N° 22 se puede evidenciar de una manera más específica la función del sistema prototipo en un diagrama en bloque, donde se pueden aparecen las distintas etapas para el control y monitoreo del sistema, en el bloque 1 se localiza el sistema de aire acondicionado, que se estará monitoreando el cual como se mencionó en el Capítulo I, en las delimitaciones técnicas, será construido por los autores del proyecto, por su parte en el bloque 2 se tiene lo que es la etapa de control, o lo que es igual en este caso al sistema de detección de caída de presión y fuga, su funcionamiento se basa en que el sensor de presión, estará en todo momento monitoreando el nivel de presión que existe entre el compresor y el evaporador, la señal que arrojada por este sensor es enviado al Microcontrolador, dependiendo de esa señal será la acción tomada por el mismo, por ejemplo si la presión está en un nivel normal, seguirá monitoreando, sin tomar ninguna acción, por su parte si el nivel de presión está más bajo del nivel normal, este enviará una señal al bloque 3, para activarlo, en él se encuentra la parte de potencia, este tiene la tarea de suplir el gas refrigerante hasta llegar al nivel requerido para el buen funcionamiento del sistema, está comprendido por un aislador, que protege al Microcontrolador de los voltajes y corrientes devueltas de este circuito de potencia, a su vez está conectado a un relé, que dependiendo de la señal emitida por el Microcontrolador dejará pasar tensión o no, a la electroválvula para que pueda enviar el gas del tanque alternativo de gas refrigerante al sistema para continuar en funcionamiento. A continuación se le presentará de una manera más detallada el diseño y la construcción de bloque por bloque. Bloque 1: Sistema de Aire Acondicionado. Para diseñar un sistema prototipo de aire acondicionado se necesita un compresor, que es el corazón del sistema, en la vida real el compresor es accionado por energía cinética que es producida por un motor a combustión interna que impulsa al vehículo. En este prototipo se necesita simular la fuerza del motor del vehículo, para esto se debe tener en cuenta, que este motor debe tener la potencia necesaria para mover el compresor, ya que al realizar el llenado de gas refrigerante pone más resistencia al motor, exigiéndole así una potencia mayor, en este proyecto fue sustituido el motor de combustión interna del vehículo por un motor eléctrico de 2 HP, 3625 rpm. Cálculos preliminares. En la figura # 23 se presenta la polea entre el compresor y el motor. La misma tiene la finalidad de que al activarse el motor y encenderse el compresor este utilice la potencia necesaria para su eficaz funcionamiento. Para el funcionamiento eficiente del aire acondicionado en el compresor debe tener unos valores aproximados de revoluciones por minuto y de caballos de fuerza, estos valores varían dependiendo del tamaño de las poleas, es necesario realizar una relación de poleas adecuada entre el motor y el compresor para así acercarse lo más posible a estos valores necesarios, se realizaron una serie de cálculos que se presentaran a continuación, para poder calcular el tamaño de estas poleas. Figura N° 23 Polea entre el compresor y el motor Fuente: Los Autores (2011). Para el cálculo del tamaño de esta polea se parte desde la Fórmula N° 5 que es de la relación entre la rapidez lineal y angular. Fórmula N° 5 Relación entre la rapidez lineal y angular. v = rω Fuente: Freedman, Sears, Young y Zelamansky (2004) (p.336) Partiendo de la ecuación anterior y basándose en la Figura N° 23 se dice que la correa ni se resbala ni se estira, así que debería tener la misma velocidad tangencial v en ambos lados, es decir que: Fórmula N° 6 Cálculo de tamaño de polea del motor. ω v = r1ω1 = r2 ω2 así que ω2 = 1 r1 𝑟2 => 𝑟1 = 𝜔2 𝜔1 ∗ 𝑟2 Fuente: Freedman, Sears, Young y Zelamansky (2004) (p.338). Donde: ω1 son las rpm del motor en rad/s ω2 son las rpm deseadas en el compresor en rad/s r1 es el radio de la polea del motor en cm. r2 es el radio de la polea del compresor en cm. Fórmula N° 7 Conversión de la velocidad angular a rad/s. 𝜔= 𝑟𝑒𝑣 𝑛 𝑟𝑒𝑣 = 𝑚𝑖𝑛 1𝑚𝑖𝑛 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 1𝑚𝑖𝑛 ( ) 1𝑟𝑒𝑣 60𝑠 Fuente: Freedman, Sears, Young y Zelamansky (2004) (p.378). n= cantidad de revoluciones. Se aplica esta fórmula para la obtención de los valores de ω 1 y ω2 . 3600 𝑟𝑒𝑣 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 1𝑚𝑖𝑛 𝜔1 = 3600 𝑟𝑒𝑣/ min = ( )( )( ) 1 𝑚𝑖𝑛 1 𝑟𝑒𝑣 60 𝑠 𝜔1 = 376,9911184 𝑟𝑎𝑑/𝑠 1800 𝑟𝑒𝑣 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 1𝑚𝑖𝑛 𝜔2 = 1800 𝑟𝑒𝑣/ min = ( )( )( ) 1 𝑚𝑖𝑛 1 𝑟𝑒𝑣 60 𝑠 𝜔2 = 188, 4955592 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Tomando en cuenta los resultados obtenidos de ω 1 y ω2, se dispondrá a la aplicación de la fórmula N° 6 para así obtener el tamaño del radio de la polea del motor. Los datos que se tienen son: ω1 = 376,9911184 rad/s ω2 = 188,4955592 rad/s r1 = ? r2 = 6,5 cm 𝑟1 = 𝜔2 188,4955592 𝑟𝑎𝑑/𝑠 ∗ 𝑟2 = ∗ 6,5 𝑐𝑚 = 3,25 𝑐𝑚 𝜔1 376,9911184 𝑟𝑎𝑑/𝑠 El radio de la polea del motor debe tener un radio de 3,25 cm para poder tener la cantidad de revoluciones por minuto deseadas en el compresor, para que este pueda tener un funcionamiento eficiente. Diseño y Construcción del aire acondicionado automotriz. Este sistema consta de una base de metal, donde se encuentran de manera fija el compresor y el motor eléctrico, separados por un tensor hidráulico y uno fijo, ya que la correa debe tener la tensión necesaria para el optimo funcionamiento del arreglo de poleas realizados, debido a que, el motor y el compresor tienen un peso considerable, estos deben poseer un lugar fijo que no está expuesto a cambios, la base de metal, brinda una rigidez y seguridad necesaria para estos dos dispositivos. La base de metal antes mencionada, está colocada en la parte central de una mesa de madera de 3 niveles, junto con el filtro secante y el presostato, dicha mesa posee 4 ruedas para poder ser trasladado más cómodamente. Esta mesa fue diseñada con 3 niveles, debido a que, el prototipo posee varias partes, que es de vital importancia mantener aisladas, en la parte inferior de la mesa se encuentra ubicado la alimentación del sistema (batería automotriz), el condensador de arranque del motor, el condensador del sistema junto con el electro ventilador, este es el encargado de extraer el calor del sistema. En la parte superior se tiene el evaporador, la válvula de expansión y los motores sopladores contenidos en una caja de control. En la parte trasera de la mesa y a un costado, se encuentran las conexiones realizadas con mangueras, la conexión que va desde la entrada del compresor al evaporador se conoce como lado de baja presión, mientras que la conexión de mangueras localizadas entre el compresor y el condensador se conoce como lado de alta presión, los puertos de carga. En el interior de la mesa se tienen los relés y las conexiones eléctricas necesarias para el buen funcionamiento de las piezas. Como se indicó en la fase de diseño, se realizó un acople de poleas entre el compresor y el motor, para así poder tener un funcionamiento optimo del comprensor, ya que el toma la potencia necesaria del motor para así poder comprimir el gas y hacerlo circular por el sistema. Para una mejor apreciación de este arreglo de poleas véase la Figura N° 24. Figura N° 24: Arreglo de poleas del motor y comprensor Fuente: Los Autores (2011). La ubicación de los componentes del sistema prototipo de aire acondicionado fue evaluada con especialistas en el área, para así utilizar el menor espacio posible entre los componentes, para así abaratar costos en cuanto a las mangueras y ser lo más pequeño posible, para poder ser trasladado de una manera más fácil. Quedando de la siguiente manera, viéndose desde la parte inferior a la parte superior de la mesa, se tiene la batería del carro, que es la fuente de alimentación de este prototipo 12 V 600 A, a su lado derecho se encuentra el condensador junto con el electro ventilador de 10’’ 80 W, estos dos se localizaron allí, ya que ellos desprenden altas temperaturas, al extremo izquierdo se encuentra, el condensador de arranque del motor 1000uF, en la parte media de la mesa, se localiza el arreglo de poleas entre el motor marca Weg Monofásico, 2 HP, 3625 rpm y el compresor 508 B, el filtro secante conectado al presostato y en la parte superior de la mesa se encuentra el evaporador, este fue ubicado en esa posición, ya que se quiere mantener lo más alejado posible de las altas temperaturas que producen tanto el electro ventilador, el condensador, como el motor y el compresor. En la figura N° 25 se puede apreciar el posicionamiento de los componentes del aire acondicionado con una vista frontal. Mientras que en la Figura N° 26 se puede apreciar la parte trasera del mismo. Figura N° 25: Vista frontal del aire acondicionado automotriz Fuente: Los Autores (2011). Figura N° 26: Vista trasera del aire acondicionado automotriz Fuente: Los Autores (2011). BLOQUE 2 Y 3: Diseño del detector de caída de presión y sistema surtidor de gas. A un costado de la mesa donde se encuentra el puerto de carga, se fijó la bombona de gas del sistema alterno, conectada con una electroválvula selenoide para controlar el flujo de gas y a su vez un medidor de presión, este sistema va conectado al puerto de carga del sistema de aire acondicionado para así poder tener un flujo de gas cuando este lo amerite. En la parte superior de la mesa a un lado de la caja de control, se encuentra el circuito electrónico, que controla el activado y desactivado de la electroválvula, dependiendo de las señales emitidas por el sensor utilizado el cual es un presostato. En la figura N° 27 se encuentra el diseño circuital del sistema de control de presión de gas, que tiene por función activar la electroválvula, cuando el presostato emita la señal de baja presión, para ello el Microcontrolador se encuentra monitoreando constantemente las señales emitidas por el presostato, que a su vez se encuentra conectado a una alimentación de 5 V, que están llegando constantemente al Microcontrolador, al caer la presión en el sistema este corta el flujo de corriente hacia el Microcontrolador, este a su vez detecta la caída de tensión y envía una señal de 5 V a un aislador óptico 4N35, que internamente enciende un led infrarrojo, que satura un fototransistor, y permite el paso de 5V hacia una resistencia de 100 Ω, conectada en serie la base de un transistor 2N2222, este permite el paso de 5 V, entre el colector y el emisor, solo cuando llega el voltaje a la base, ya que es un transistor BJT y satura por corriente, este voltaje activa la bobina de un relé de 5V y 10 A, encargado de conmutar la fase de 110 VAC, hacia uno de los terminales de la electroválvula cuando llegue la señal. Esta electroválvula posee su otro terminal conectado al neutro de la fuente AC, esto permite que al momento de recibir la señal del presostato, se active la electroválvula y reciba un flujo de gas al sistema, hasta que el presostato envié la señal de que el nivel de presión es el indicado. Figura N° 27: Diagrama Circuital completo del sistema. Fuente: Los Autores (2011) Este circuito fue construido en un protoboard con una medida de 16,5 X 5,4 X 0,85 cm. Y se puede observar en la figura N° 28. Figura N° 28: Circuito del sistema prototipo Fuente: Los Autores (2011). En la figura N° 29 se puede apreciar el sistema surtidor de carga alternativo de gas al sistema. Figura N° 29: Sistema de carga de gas. Fuente: Los Autores (2011). FASE IV: PRUEBAS AL SISTEMA PROTOTIPO. Para este objetivo se utilizó como técnicas de recolección de datos la lista de cotejo la misma puede observarse el Anexo A-2. Funcionamiento del prototipo sistema de aire acondicionado Las pruebas realizadas para validar el funcionamiento eficiente de sistema fueron las siguientes: 1. Después de realizar las conexiones del sistema se procedió a hacer un vacio a las tuberías y se encendió el motor y el compresor para hacer el llenado de gas con un manómetro. El resultado de esta prueba fue satisfactorio, ya que al encender el sistema empezó a enfriar correctamente. 2. Se procedió a la conexión del manómetro en los puertos de alta y baja presión para la verificación de los niveles de presión indicados. El resultado de esta prueba fue satisfactorio, ya que los niveles de presión son los indicados en alta presión es de 150 PSI, y en el lado de baja presión fue de 35 PSI. Partiendo por lo indicado en la lista de cotejo el resultado dio como resultado un buen funcionamiento del sistema. Funcionamiento del sensor. Las pruebas realizadas para validar el funcionamiento eficiente del sensor fueron las siguientes: 1. La primera prueba realizada al sensor, consistió en el vaciado de gas refrigerante del sistema prototipo de aire acondicionado automotriz, hasta que este indicará que la fuga estaba presente, es decir que existe un bajo nivel de presión, cabe destacar que el comportamiento de un presostato, que es el sensor empleado en este proyecto, consiste en que cuando el fluido ejerce presión sobre su pistón interno haciendo que se mueva hasta que los dos contactos se unan, al bajar la presión un resorte empuja el pistón en sentido contrario y los contactos se separan. Está prueba tuvo un resultado satisfactorio, ya que al caer la presión el sensor (presostato) envió la señal deseada. 2. Otra prueba ejecutada al sensor, se efectuó posteriormente al vaciado del sistema, la misma consistió en el llenado de gas refrigerante al mismo, para así poder demostrar que el sensor funcionaba de manera correcta, al llegar a un rango entre 35 PSI de presión este vuelve a su estado inicial. En la tabla N° 17 se puede evidenciar el comportamiento del sensor, explicado en las pruebas anteriores. Tabla N° 17: Comportamiento del sensor. Nivel de presión Comportamiento Lado de Baja del sensor 35 PSI Dos contactos unidos. Voltaje 5 V. Presión indicada. 10 PSI Se separan los contactos. 0 V. Baja presión. Menos de Se separan los contactos. 10 PSI No hay presión. 0 V. Fuente: Los Autores (2011). La misma también tuvo un resultado satisfactorio, lo que constató el buen funcionamiento del sensor tanto al perder la presión el sistema, como cuando la presión sube a un rango apreciable. Funcionamiento del sistema detector de fuga. La prueba realizada para conocer el funcionamiento del sistema detector de fugas fue la siguiente: Se le realizó un vaciado de gas refrigerante al aire acondicionado automotriz hasta que el sensor envié la señal de caída de presión, este le envió una señal al Microcontrolador para así poder indicar que el sistema poseía una fuga de manera visual y activo el sistema surtidor de gas. El resultado de esta prueba fue satisfactoria, ya que al retirar el gas del sistema, mediante una fuga simulada, se encendió el indicador visual de fuga. Funcionamiento de los indicadores visuales. En este prototipo se colocaron tres indicadores visuales, los cuales informaran al usuario, el estado en el que se encuentra su aire acondicionado automotriz, es decir si se encuentra encendido el led verde, quiere decir que el sistema no posee ningún tipo de fuga, si se enciende el led rojo indica que una fuga está presente, y si el led amarillo esta activado, muestra que el sistema está siendo cargado de gas refrigerante y al terminar de ser cargado el mismo es apagado. Cabe destacar que los únicos leds que pueden estar encendidos al mismo tiempo son el rojo y el amarillo, ya que uno indica la falla y el otro indica que está siendo cargado el sistema. Las pruebas realizadas para verificar que los indicadores visuales funcionaran de una manera eficiente fueron: 1.- Al ser encendido el aire acondicionado en perfecto estado, se tuvo como resultado el encendido el Led verde. 2.- Al simular la fuga vaciando del gas refrigerante del aire acondicionado, al detectar la caída de presión, automáticamente se apago el Led verde y se encendió el led rojo indicando que una fuga estaba presente, así mismo se encendió el led amarillo para así dar inicio a la carga de gas al sistema, al terminar este led amarillo se apaga. El Led rojo se mantiene encendido hasta que se repare la fuga. 3. Al encenderse el aire acondicionado y éste presente una presión baja se obtuvo como resultado el encendido automático del led rojo, así como también el encendido posterior del led amarillo, el cual indica que el sistema está siendo cargado, al terminar automáticamente este se apagará. Funcionamiento del surtidor de gas. La primera prueba realizada de este sistema surtidor de gas, consistió en el vaciado total del gas refrigerante del sistema prototipo de aire acondicionado automotriz y proceder a cargarlo utilizando el sistema alternativo que fue creado, para esto se alimento con 110 VAC, directamente a la válvula selenoide, y se abrió la llave de paso de gas de la bombona, todo esto con el sistema encendido. El resultado de esta prueba fue satisfactorio, ya que se realizó la carga del sistema completo mediante la activación del sistema selenoide. Funcionamiento del sistema prototipo general Después de tener el sistema entero construido, se procedió a la realización de las siguientes pruebas para constatar que su funcionamiento fuese eficiente: 1. Al encender el sistema se procedió a ver si el aire estuviese enfriando de una manera correcta. 2. Luego se procedió a la extracción del gas del sistema, esperando que se cargara automáticamente al detectar que una falla estuviese presente. El resultado de esta prueba fue satisfactorio, ya que al caer la presión, se activó automáticamente el sistema surtidor alterno, hasta llegar al nivel indicado 35 PSI, luego se cerró la electroválvula y se detuvo la carga, dejando totalmente operativo el sistema otra vez. Recursos Necesarios Para la realización de este trabajo de investigación se necesitaron tomar varios aspectos que conformaron los costos para el desarrollo del prototipo, estos se subdividen en Recursos Humanos, Recursos Materiales y Recursos Financieros. A. Recursos Humanos Para la realización de este Trabajo de Grado, se contó con el apoyo y orientación de profesionales en el área de electrónica, refrigeración, economía y metodología para el asesoramiento de esta investigación. Estos son expresados en la tabla N° 18. Tabla N° 18: Recursos Humanos. Área Nombre Horas empleadas Tutor Apoyo Técnico Apoyo Técnico Asesoría Metodológica Asesoría Honora rios Ing. Alejandro Sardí 12 horas 0 Bs. F. Edilberto Díaz 12 horas 0 Bs. F. Gian Manuel 9 horas 0 Bs. F. Licenciado José Luis 8 horas 400 Bs. Suárez F. Economista Alberto Pirela 9 horas 0 Bs. F. Licenciado José Mejías 5 horas 0 Bs. F. Diaz, Edy 750 horas 0 Bs. F. Salas, Carla 750 horas 0 Bs. F. Metodológica Asesoría Metodológica Tesista Tesista 400 Bs. F. Total Fuente: Los Autores (2011) Los honorarios de la mayoría de los especialistas no fueron cobrados, debido a que fue un aporte al desarrollo de la investigación. B. Recursos Materiales. Este trabajo de grado requirió para su elaboración diversos materiales, en donde se encuentran los componentes electrónicos empleados para la fabricación del prototipo y los artículos de oficina. Estos se pueden apreciar en la tabla N° 19. Tabla N° 19: Recursos Materiales. Cantidad Descripción del gasto Monto Unitario Monto Total 6 Encuadernación Tesis I y Tesis II 30 Bs. F. 180 Bs. F. 1 Gastos en Fotocopias 100 Bs. F. 100 Bs. F 1 Papelería 300 Bs. F. 300 Bs. F. 1 Computadora Core Dúo 2000 Bs. F 2000 Bs. F. 1 Conexión a Internet (Banda Ancha) 400 Bs. F. 400 Bs. F. 1 Software (MPLAP IDE, Kicad) 0 Bs. F. 0 Bs. F. 2 Transporte 50 Bs. F 100 Bs. F. 4 Libros de Electrónica 150 Bs. F. 600 Bs. F. 2 Libros de Metodología 98 Bs. F. 196 Bs. F. 3876 Bs. F. Total Fuente: Los Autores (2011) C. Recursos Técnicos. Para el desarrollo de este prototipo se emplearon los siguientes recursos: Tabla N° 20: Recursos Técnicos Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 Descripción del gasto Motor 2 HP Compresor 508 B con base Base del compresor y motor Mesa para la instalación del equipo Evaporador de 28 tubos con rejilla Condensador universal 14 x 18 Electro ventilador 10’’ Relé Bosch 5 p Filtro secante Presostato Monto Unitario Monto Total 1300 Bs. F. 1300 Bs. F. 1390 Bs. F. 600 Bs. F. 350 Bs. F. 626,73 Bs. F. 465,73 Bs. F. 195,086 Bs. F. 71,66 Bs. F. 71,87 Bs. F. 51,33 Bs. F. 1390 Bs. F. 600 Bs. F. 350 Bs. F. 626,73 Bs. F. 465,73 Bs. F. 195,08 Bs. F. 143,33 Bs. F. 71, 87 Bs. F. 51,33 Bs. F. 1 1 2 1 1 Polea tensora Manguera 13/32 Manguera 5/16 Manguera ½ Carga de Gas Refrigerante 1 Batería de carro 12 V. 600 A 2 Poleas para el motor 1 Correa para polea 1 Electroválvula 30 metros Cable automotriz 2 Breaker 30 A 50 Tornillos y Tuercas 1 Aceite para el compresor 3 Bombonas de gas refrigerante 134-A 10 metros Termoencogible 2 Relé 5V 10 A 4 Regulador de voltaje 7805 4 Cristales de cuarzo 5 Optoacopladores 1 Componentes electrónicos 143,75 Bs. F. 256,69 Bs. F. 241,29 256,69 Bs. F. 320 Bs. F. 320 Bs. F. 130 Bs. F. 50 Bs. F. 370 Bs. F. 4 Bs. F 60 Bs. F. 2 Bs. F. 60 Bs. F 130 Bs. F. 2 Bs. F. 12,33 Bs. F. 3,16 Bs. F. 5,22 3,5 Bs. F. 250 Bs. F. 143,75 Bs. F. 256,69 Bs. F. 482,59 256,69 Bs. F. 320 Bs. F. 320 Bs. F. 360 Bs. F. 50 Bs. F. 370 Bs. F. 120 Bs. F. 120 Bs. F. 100 60 Bs. F. 390 Bs. F. 20 Bs. F. 24,66 Bs. F. 12,33 Bs. F. 20,9 17,50 250 Bs. F. 10 Conectores 2 Microcontrolador PIC 16F873 1 Programador de PIC 1 Amortiguador hidráulico tensor 2 Tuberías de cobre 1 Medidor de presión 2 Bs. F. 191 Bs. F. 400 Bs. F. 80 Bs. F. 60 Bs. F. 120 Bs. F. Total 20 Bs. F. 191 Bs. F. 400 Bs. F. 80 Bs. F. 120 Bs. F. 120 Bs. F. 9802,68 Bs. F. Fuente: Los Autores (2011) Costos del Proyecto. El costo total de este proyecto se calculó como la sumatoria de los Recursos Técnicos, Recursos Materiales y Recursos Humanos. El costo total de la realización de este prototipo fue de 14.078,68 Bs. F. Cabe destacar que para la implementación de este sistema prototipo disminuirían los costos de la construcción de sistema de aire acondicionado, ya que se utilizaría el aire acondicionado del vehículo, el costo de la implementación sería de 1.522,89. CONCLUSIONES Las conclusiones formuladas en este estudio, se establecieron en función a los objetivos planteados en el mismo: Según la investigación documental y las encuestas realizadas a los talleres especializados en el mantenimiento, reparación e instalación de los aires acondicionados automotrices y cumpliendo con los objetivos trazados se logró conocer el funcionamiento, las debilidades y principales fallas presentadas por los aires acondicionados automotrices, para así poder brindarle al usuario un sistema que controle y monitoree constantemente el nivel de presión de gas de su aire acondicionado. Estas encuestas al ser analizadas sirvieron para determinar los parámetros o requerimientos de diseño y construcción del prototipo. Dejando así claras las funciones que este debe brindar: (a) Construir un prototipo de aire acondicionado automotriz, (b) Monitorear la presión de gas en aires acondicionados de vehículos, (c) detectar las fugas, (d) permitir el establecimiento de un flujo de gas al sistema hasta que esta sea reparada, (e) indicar al usuario que la fuga está presente activando una luz. Cabe destacar que una de las principales fallas de los aires acondicionados automotrices son las fugas de gas refrigerante, cosa que fue confirmada con el resultado de las encuestas, como solución a este problema, se diseño un sistema prototipo de aire acondicionado para poder realizar los experimentos correspondientes en él, de igual manera se diseñaros dos (2) diagramas circuitales de forma específica, acoplando tecnologías tanto digitales como analógicas y utilizando componentes existentes en el mercado venezolano. Este diseño está enmarcado en las especificaciones técnicas de cada uno de sus componentes, complementado con un programa elaborado específicamente para este diseño y para el componente PIC16F873 (ver anexo C), el mismo es el encargado de estar en constante monitoreo de las señales emitidas por el presostato, para así poder tomar la decisión de si se activa el sistema de carga alternativo o no. El diseño y construcción del prototipo estuvo compuesto por las siguientes etapas: (a) Prototipo de sistema de aire acondicionado, el cual fue diseñado para poder realizar los diversos experimentos y pruebas, (b) detector de fuga, este tiene la función de indicar el nivel de presión del sistema, de haber una caída de presión, el presostato emite una señal al Microcontrolador, para así poder encender el led indicador de fuga, (c) sistema surtidor de gas, su principio de funcionamiento es que al recibir la señal de que la presión bajo automáticamente el Microcontrolador activa una electroválvula conectada a una bombona de gas refrigerante, para así poder surtir del gas faltante al sistema. Este diseño cumplió con todas las exigencias dadas por los especialistas en el área de mantenimiento, reparación e instalación de aires acondicionados automotrices consultados para apoyo técnico y aprobación del sistema. Las pruebas realizadas al sistema prototipo, (verificación del funcionamiento del sistema prototipo de aire acondicionado, la simulación de las fugas, para que el sistema las detectará y el llenado de gas automáticamente, así como también el activado de los indicadores visuales), validaron el funcionamiento esperado del prototipo, de acuerdo a los parámetros establecidos para su construcción. Se puede concluir que uno de los principales logros obtenidos, en este trabajo de grado es la modernización del sistema existente, también se puede decir que soluciona las fugas de gas refrigerantes en los sistemas de aire acondicionados automotriz por un tiempo determinado, e indica al usuario que la fuga está presente. RECOMENDACIONES Se recomienda dar a conocer este prototipo, ya que es un novedoso sistema y cuenta con un gran potencial debido a su adaptación a cualquier tipo de equipos de aires acondicionados automotrices. Este prototipo sirve para la implementación en los equipos de aire acondicionado automotrices, ya que es algo novedoso que en el país no se tiene y sirve de gran ayuda a los usuarios de vehículos que presentan problemas de fuga de gas refrigerante en sus sistemas de aires acondicionados. Se recomienda la implementación en vehículos particulares, por sus ventajas y bajo costo. Así como también en vehículos que prestan servicio a la comunidad como lo son las ambulancias y los camiones blindados. Se recomienda incluir el uso de un medidor digital en el tablero del vehículo, para que así el usuario pueda monitorear de una manera más precisa el nivel de presión de su aire acondicionado, con los valores exactos. El uso de una electroválvula de 12 V, ya que la alimentación eléctrica de los vehículos es de este voltaje. Se debe desconectar el sistema de control presente en los vehículos, para una instalación segura de este sistema. La bombona de gas alternativa utilizada debe ser recargable y extraíble, para brindarle al usuario economía y comodidad. De igual manera se recomienda tomar este trabajo de grado para proporcionar una base y un punto de inicio para futuros proyectos en todo lo que es la parte de refrigeración en aires acondicionados y sistemas de control, así como también deja abierto el camino para el estudio más especializado con respectos a este tema, trayendo como consecuencia que en un futuro los principios teóricos y prácticos en este estudio pueden ser aplicados, no solo en sistema de refrigeración para vehículos sino también en sistemas de refrigeración industrial y doméstica. BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA Angulo (2006). Manual del PIC 16F887A en Español. México. Limusa. Angulo y Angulo. (1999). Manual del PIC 16F887A en Español. México. Limusa. Aracil Rafael, García Nicolás, Ñeco Ramón, Reinoso Oscar. (2003). Apuntes de Sistema de Control. España. Editorial Club Universitario. 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De 20 a 30 PSI De 30 a 40 PSI De 50 a 60 PSI 3. ¿Cuáles son los niveles de presión de gas refrigerante óptimos para el funcionamiento eficiente de los aires acondicionados automotrices en el lado de baja presión? De 100 a 150 PSI De 200 a 250 PSI De 250 a 300 PSI 4. Según su experiencia ¿Cuáles son las fallas más comunes en aires acondicionados automotrices? Daño del compresor Daño de los intercambiadores de calor Daños de las válvulas y filtros Fugas de gas refrigerante en el sistema 5. ¿Qué tiempo cree usted que duraría un sistema de aire acondicionado en funcionamiento después de presentarse una fuga de un tamaño no considerable? Una semana Un mes Tres meses Cinco meses 6. ¿Existe algún proceso de control de presión gas en los aires acondicionados automotrices? Si No En caso de responder afirmativamente, señale que tipos de procesos de control de gas existen: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ __________________________________________________________ 7. ¿Qué requerimientos se deben considerar de acuerdo a su experiencia en el área para el desarrollo de un prototipo que ejecute la función de monitorear y controlar la presión de gas en aires acondicionados para vehículos, que permita establecer el flujo de gas al sistema mientras se repara la fuga? Requerimiento 1: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 2: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 3: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 4: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 5: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 6: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 7: _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 8: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 9: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Requerimiento 10: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Objetivo e importancia del requerimiento: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ANEXO A-2. LISTA DE COTEJO Indicador Funcionamiento ON OFF del sensor. Funcionamiento del indicador visual. Indicadores Funcionamiento del sistema prototipo de aire acondicionado. Funcionamiento del sistema detector de fuga. Funcionamiento del sistema surtidor de fuga. Funcionamiento del completo sistema Bueno Regular Malo ANEXO B VALIDACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ANEXO B VALIDACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Quien suscribe: Alberto Pirela Saade, titular de la cedula de identidad N° V- 642.573. Certifica por medio de la presente, que formé parte de los integrantes del juicio de expertos, que evaluó los instrumentos de recolección de datos del Trabajo de Grado, titulado: DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL DE PRESIÓN DE GAS EN AIRES ACONDICIONADO PARA VEHÍCULOS QUE PERMITA ESTABLECER UN FLUJO DE GAS AL SISTEMA MIENTRAS SE REPARA LA FUGA. Realizado por los Bres: Díaz Lara, Edy Alberto y Salas Pirela, Carla Graciela, de la Escuela de Electrónica de la Universidad Nueva Esparta. Destacando que en dicho proceso se logró la validez de constructo y lógica de los instrumentos diseñados para recoger la información necesaria para definir el diseño del prototipo. Atentamente, Alberto Pirela Saade C.I. N° 642.573 ANEXO B VALIDACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Quien suscribe: Inmaculada Carpi, titular de la cedula de identidad N°4.770.754. Certifica por medio de la presente, que formé parte de los integrantes del juicio de expertos, que evaluó los instrumentos de recolección de datos del Trabajo de Grado, titulado: DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL DE PRESIÓN DE GAS EN AIRES ACONDICIONADO PARA VEHÍCULOS QUE PERMITA ESTABLECER UN FLUJO DE GAS AL SISTEMA MIENTRAS SE REPARA LA FUGA. Realizado por los Bres: Díaz Lara, Edy Alberto y Salas Pirela, Carla Graciela, de la Escuela de Electrónica de la Universidad Nueva Esparta. Destacando que en dicho proceso se logró la validez de constructo y lógica de los instrumentos diseñados para recoger la información necesaria para definir el diseño del prototipo. Atentamente, Inmaculada Carpi C.I. N° 4.770.754 ANEXO B VALIDACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Quien suscribe: Elio José Mejías Radoso, titular de la cedula de identidad N° V- 5.887.658. Certifica por medio de la presente, que formé parte de los integrantes del juicio de expertos, que evaluó los instrumentos de recolección de datos del Trabajo de Grado, titulado: DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL DE PRESIÓN DE GAS EN AIRES ACONDICIONADO PARA VEHÍCULOS QUE PERMITA ESTABLECER UN FLUJO DE GAS AL SISTEMA MIENTRAS SE REPARA LA FUGA. Realizado por los Bres: Díaz Lara, Edy Alberto y Salas Pirela, Carla Graciela, de la Escuela de Electrónica de la Universidad Nueva Esparta. Destacando que en dicho proceso se logró la validez de constructo y lógica de los instrumentos diseñados para recoger la información necesaria para definir el diseño del prototipo. Atentamente, Elio José Mejías Radoso C.I. N° 5.887.658 ANEXO C DATASHEET PIC 16F873 ANEXO C DATASHEET PIC 16F873 NEXO D DATASHEET 4N35 ANEXO D DATASHEET 4N35 Fuente: DataSheet Catalog (2002) ANEXO E DATASHEET 2N2222 ANEXO E DATASHEET DEL TRANSISTOR 2N2222
