S3-ING06

SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO DE TEMPERATURA DE 30ºC HASTA 250ºC PARA
NIDO DE LABORATORIO DE ANÁLISIS DE QUÍMICO-FARMACÉUTICA.
1
M. E. Rosas Baltazar , M. F. Hernández Flores, J. M. Carrión Delgado, J. I. Lara Villegas, V.
Lagunes Barradas, M. A. Cerdán
1
Departamento de Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico Superior de Xalapa, Sección 5° de
la Reserva Territorial S/N, 91096, Xalapa, Veracruz, México, [email protected]
RESUMEN
Es un sistema de control especializado para ser utilizado en laboratorios de análisis de químicofarmacéutico para poder realizar reacciones experimentales, el cual debe resistir y mantener una
temperatura constante de funcionamiento que se encuentre entre los 30ºC y 250 °C; los equipos
comerciales que existen para este propósito resultan ser poco eficientes en su funcionamiento, ya
que el aislante y la resistencia en ocasiones se quema o se troza debido a la poca confiabilidad
del control de temperatura. La parte central de este prototipo, es la generación de calor por medio
de un arreglo de resistencias las cuales son controladas por medio de un microcontrolador
ATMEGA16, el cual procesará las órdenes del usuario para desplegar la temperatura en un LCD,
descargar la información por medio de puerto USB a una computadora y generar una gráfica de
comportamiento del calor generado en el nido. El diseño de la estructura del nido debe ser a
prueba de golpes.
1. INTRODUCCIÓN
Los avances tecnológicos de los equipos que se emplean en los laboratorios de análisis es muy
notorio actualmente ya que casi todos los sistemas son automatizados. Surge entonces la
demanda de mejorar los equipos que no han sido desarrollados tecnológicamente un ejemplo es el
nido.
Por lo tanto, se ha planteado una forma de actualizar este equipo, ya que por no tener un control
automático de temperatura las resistencias del nido se quemaban o en algunas ocasiones los
aisladores de calor no podían contener la emisión de calor y llegaban a quemar a los usuarios.
Esta situación nos lleva a identificar problemas sin solución satisfactoria. El objetivo fundamental
de este trabajo es poder obtener un diseño que contenga el calor y sea controlado sin quemar a las
personas. La propuesta del presente trabajo es diseñar el sistema de sensado de temperatura para
generar los pulsos de control de un microcontrolador ATMEGA16 para que controle la temperatura
del nido a un nivel deseado, que el usuario pueda tomar el nido sin temor a quemarse, que la
estructura que sostiene al nido sea lo suficientemente resistente al uso rudo,
2. TEORÍA
Generación de calor
La generación de calor a la energía eléctrica se realiza en base a resistencias. La resistencia
eléctrica es definida como la dificultad u oposición que una corriente eléctrica tiene para circular
por un conductor eléctrico, por ello paga un cierto precio en forma de energía disipada por calor, la
que es producida por esta circulación.
Los electrones ganan energía cinética durante las trayectorias libres entre choques, y ceden a las
partículas fijas, en cada choque, la misma cantidad de energía que habían ganado. La energía
adquirida por las partículas fijas (que son fijas solo en el sentido de que su posición media no
cambia) aumenta la amplitud de su vibración o sea, se convierte en calor.
Para deducir la cantidad de calor desarrollada en un conductor por unidad de tiempo, hallaremos
primero la expresión general de la potencia suministrada a una parte cualquiera de un circuito
eléctrico. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, éste experimenta un aumento de
temperatura. Este efecto se denomina efecto Joule. Es posible calcular la cantidad de calor que
puede producir una corriente eléctrica en cierto tiempo, por medio de la ley de Joule.
Aislante térmico
Un aislante térmico es un material usado en la construcción y caracterizado por su alta resistencia
térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a
igualarse en temperatura.
El mejor aislante térmico es el vacío, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener
condiciones de vacío, éste se emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza aire, que
gracias a su baja conductividad térmica y un bajo coeficiente de absorción de la radiación,
constituye un elemento muy resistente al paso de calor. Sin embargo, el fenómeno de convección
que se origina en las cámaras de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia
térmica. Además el aire debe de estar seco, sin humedad, lo que es difícil de conseguir en las
cámaras de aire. Por estas razones se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o
fibrosos.
Sensor de temperatura tipo K (termopar)
Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y
cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes. Los termopares son ampliamente
usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores
estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la
exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.
3. PARTE EXPERIMENTAL
El diagrama a bloques que se presenta en la figura 1 ilustra la idea general del presente trabajo.
Los componentes básicos son el oscilador, el circuito del sensor de temperatura, el
Microcontrolador, el LCD del menú a seleccionar, el módulo de mando (teclado, para controlar la
temperatura, desplegar datos en PC por medio de USB), la alarma, reset del sistema, circuito
actuador para control de las resistencias.
Microcontrolador
El microcontrolador que se encuentra en la parte de transmisión es un ATMEGA16, el cual controla
tanto la temperatura, despliegue en un LCD, alarma. Cuando el operario ya decidió la orden, el
microcontrolador manda los pulsos necesarios al circuito de control de las resistencias, y después
que terminó de enviar los pulsos despliega en el LCD la temperatura deseada y la actual.
El código usado fue realizado en C++ para el microcontrolador. Se muestra el diagrama de flujo
empleado para este proyecto en la figura 2.
Figura 1. Esquema general de la aplicación
La construcción del sistema de monitoreo y control de temperatura, se divide en subconjuntos, los
cuales se mencionan a continuación:



Etapa de sensado
Sistema de control
o Programación del convertidor analógico a digital
o Conversión a temperatura
o Normalización del sensor
o Desplegado de datos en una pantalla LCD
o Envío de los datos del microcontrolador al ordenador vía RS232
Desarrollo de la aplicación visual para la adquisición de los datos transmitidos del
sistema de control.
Figura 2. Diagramas de flujo del programa de control (izq.) y de interfase gráfica (der.)
Diseño del prototipo
El diseño del prototipo está cubierto de dos capas de aislante de fibra de vidrio ,el molde es una
mezcla de fibra de vidrio con resina ,la parrilla eléctrica se buscó la indicada para este tipo de
trabajo y las especificaciones necesarias para el fin que se va a utilizar y por supuesto con la
certeza de encontrar refacciones para su mantenimiento de esta, consta de cableado de altas
temperaturas con doble forro para altas temperatura ya que es el indicado cumple con normas de
calidad sobre todo resistencia al calor .
Figura 3. Prototipo de nido
Comunicación entre el microcontrolador y la computadora
Una vez que el dato de la temperatura ha sido procesado, se debe transmitir hacia la computadora
para que pueda ser reprocesado y desplegado en pantalla de forma gráfica. Para ello se utiliza el
protocolo de comunicación USART, de sus siglas en ingles “UNIVERSAL SINCRONOS
ASINCRONOUS RECEIVE AND TRANSMIT”, “BUS DE SERIE UNIVERSAL SINCRONO Y
ASINCRONO DE LECTURA Y ESCRITURA”. Se configura en modo de transmisión a 2400
baudios de velocidad, el tamaño la palabra es de 8 bits, con paridad impar y 1 bit de paro
(2400,8,n,1). Para estandarizar los niveles de señal TTL provenientes del microcontrolador a la
interfaz RS232 que soporta la computadora, se hace mediante hardware, utilizando el MAX232, el
cual se muestra en la figura 4
Figura 4. Diagrama de conexiones del MAX232
Controlador de temperatura
En la figura 5 se muestra el diagrama eléctrico del controlador de temperatura, éste consta de
varios componentes electrónicos los cuales son: Microcontrolador, Pantalla de cristal líquido LCD,
Fuente de alimentación, 1Sensor Termopar tipo K y fuente de alimentación.
Figura 5: Diagrama eléctrico del controlador de temperatura
La interfase gráfica ha sido desarrollada para que envíe un mensaje de error en caso de que algún
sensor se encuentre desconectado. En la figura 6 se puede ver la ventana de la interfase gráfica:
Figura 6. Interfase gráfica de temperatura en PC
Los resultados obtenidos por el instrumento desarrollado para el monitoreo y control de
temperatura en el horno de pruebas farmacéuticas tuvo el comportamiento esperado en las
pruebas realizadas (la tabla representa el comportamiento en 3 días diferentes).
Tiempo
Medición termopar
Medición patrón
10 min
15 min
20 min
25 min
30 min
35 min
40 min
45 min
250ºC
250ºC
250ºC
250ºC
250ºC
250ºC
250ºC
250ºC
250.1ºC
250.5ºC
250.2ºC
250.9ºC
250.6ºC
250.3ºC
250.9ºC
250ºC
Tabla 1: Comportamiento del nido en el día 2 de operación
4. CONCLUSIONES
El proyecto desarrollado en el presente trabajo es de gran ayuda para la gente que labora en
laboratorios de análisis ya que evitaran accidentes de quemaduras así como que sus experimentos
y procesos serán más fiables al controlar al temperatura de manera automática. En el estado actual
del sistema, es posible realizar acciones básicas utilizando el canal de comunicación del sensor de
temperatura con cables hacia otro microcontrolador transmisor; y lo que se planea es que más de
un operario de nido pueda utilizar el sistema en red y tener percepción remota del sistema.
Como se comentó al inicio de este artículo, la buena selección de los materiales apropiados, el
diseño y las diversas pruebas aplicadas a los aislantes y a los recubrimientos fueron cruciales para
el desarrollo de un equipo de calidad, confiable y seguro en su operación.
El mejoramiento de un nido de calentamiento convencional aplicando todo lo descrito en este
artículo, aumenta la prontitud de los experimentos en los laboratorios químico-farmacéuticos,
facilitando la producción de nuevos fármacos.
BIBLIOGRAFÍA
1. R. F. Coughlin & F. F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados
Lineales”, Prentice Hall., 5ª Edición, Capítulo 5, 6 y 7..
2. A. P. Malvino, “Principios de Electrónica”, Mc. Graw Hill, 6 ª Edición Chapter 8 y 9.
3. Hojas de Datos de: ICM7242
4. Hojas de Datos de: MAX232
5. Hojas de Datos de: ATMEGA16
6. Hojas de Datos de: LM358
7. Hojas de Datos de: 74LS39
8. R. Boylestad, “Electrónica: Teoría de Circuitos”, Prentice Hall, 4ª Edición
9. Hojas de Datos de: CD4093