UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MECÁNICA
REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN POR MICROCONTROLADOR
ASIGNATURA:
SENSORES E INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
PROFESOR:
ZARATE PEREZ ELISEO JUAN
ALUMNO:
- VALVERDE ÁVILA, HECTOR
- RODRIGUEZ GARCIA, RAFAEL
- CHUQUIJA VILCA, ISMAEL
BELLAVISTA - CALLAO
2020
1
ÍNDICE…………………………………………………………………..2
INTRODUCCIÓN……………………………………………………….3
RESUMEN……………………………………………………………....4
I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………..5
II.
MARCO TEÓRICO……………………………………………………..6
2.1 ANTECEDENTES……………………………………………………………...6
2.2 BASES TEÓRICAS……………………………………………………………..6
2.3 CONCEPTUAL…………………………………………………………...……..8
2.4 TÉRMINOS BÁSICOS………………………………………………………….8
III.
HIPÓTESIS Y VARIABLES……………………………………………9
IV.
DISEÑO METODOLÓGICO…………………………………..……..10
4.1 TIPO Y DISEÑO DE INVESTIGACIÓN…………………………..………...10
4.2 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN…………………………………….…….…10
4.3 POBLACIÓN Y MUESTRA……………………………………………..….…11
4.4 LUGAR DE ESTUDIO…………………………………………………..…….11
4.5 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE
INFORMACIÓN……………………………………………………………….……11
4.6 ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE DATOS……………………….……..11
V.
CONCLUSIONES…………………………………………………….19
VI.
RECOMENDACIONES………………………………………………19
VII.
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………..19
2
INTRODUCCIÓN
El crecimiento del parque automotor ha aumentado en forma alarmante, consumiendo
aproximadamente el 50% de los combustibles fósiles, los cuales generan 1/3 de la
contaminación mundial. La tendencia va en aumento en el Perú, a esto le agregamos
el mal diseño urbano, lo que ocasiona congestión vehicular, incrementándose la
contaminación ambiental. Estas condiciones negativas aumentan en las horas punta,
siendo también un peligro para la salud. Entonces es necesario desarrollar sistemas
de consumo de combustible en los vehículos más eficientes y menos contaminantes.
Esto se logra cuando se alcanza la relación estequiométrica del combustible y aire
que ingresa a la cámara de combustión. En países desarrollados existe una presión
a los fabricantes para que disminuya la contaminación. Se puede emplear
combustibles más amigables como el GLP y el GNV o combustibles de origen vegetal
como el alcohol, también es lo que nos concierne en este estudio, control por sensores
y actuadores para conseguir el punto estequiométrico. En el año 2011 se desarrolló
en la Universidad de Madrid un trabajo titulado “Desarrollo de placas de sensores para
monitorear gases tóxicos”. El objetivo fue desarrollar un sistema de sensores que
pueda detectar la contaminación y reducirla dentro de un vehículo y así hay trabajos
encontrados en la literatura y como objetivo es encontrar el punto estequiométrico
preciso. Presentamos en este informe, como controlamos el ingreso de los
componentes de la combustión (aire + combustible) y a manera de integración
utilizaremos el Arduino, para procesar señales analógicas provenientes de los
sensores y en base a estos datos, controlar a los agentes que gobiernan el ingreso
de los componentes de la combustión, buscando siempre el punto estequiométrico,
logrando el rendimiento y menos contaminación.
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RESUMEN
Inevitablemente la combustión produce 𝐶𝑂2 y otros gases contaminantes que en la
actualidad son los causantes del calentamiento global. Se han realizado grandes
esfuerzos para disminuir su producción como control estequiométrico de la relación
aire-combustible dentro de un vehículo. Se empezó con el estudio y monitoreo de la
calidad de aire en las ciudades, hay documentación al respecto pasando luego a
implementar en los vehículos, industrias, etc. Con el desarrollo tecnológico, estos
controles de aire se basarán en el sensor de oxigeno u operador Landa y los
microprocesadores, en un inicio se usó un sensor, luego 2, actualmente tienen 3.
Estos sensores son confiables siendo su uso obligado en la actualidad para todo
vehículo.
Muchas veces los gases residuales tienen vapores de aceite, carbono(hollín) que
pueden hacer perder sensibilidad al sensor de oxígeno.
Para ver en qué estado están estos sensores se adiciona un sensor más, pero
encapsulado y su exposición es cada cierto tiempo y de manera breve, de tal
manera que conserva su estado de operatividad al 100%. La lectura de este sensor
nos indica cómo están los otros y su posible reemplazo. Concluimos que esta es una
manera de reemplazarlos cuando baja su operatividad así mantener la buena
dosificación de aire combustible que además de reducir la contaminación, el motor
trabaja eficientemente, se ahorra combustible y prontas reparaciones. Se ensayo
con Arduino, un sensor de gases y se estableció el software respectivo, el cual
permite controlar el gasto de combustible y aire, es la prueba de funcionamiento.
Es la interfaz del sensor de gas MQ 135 con Arduino.
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I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 La contaminación ambiental es un problema mundial, el cambio climático, las
enfermedades respiratorias, el calentamiento global, se encuentran en un
alarmante estado por lo que se tiene que hacer un cambio en el modo de uno
de energía proveniente de combustibles fósiles. Lo que se trata es de reducir
los residuos contaminantes que se producen en el uso de estos combustibles.
Los países desarrollados obligan a los fabricantes a implementar sistemas de
control que optimicen el rendimiento del vehículo y mejoren sus sistemas de
control de productos contaminantes; veremos uno de estos sistemas.
1.2 Los vehículos en su mayoría están equipados con motores de combustión
interna. Cuando funcionan producen gases contaminantes que son expulsados
a la atmósfera. Se trata de controlar estas emisiones tan perjudiciales,
entonces de lo que se trata es de lograr una combustión completa en donde se
reduzca la emisión de gases nocivos, esto se logra con la dosificación exacta
del combustible y del aire. Esto se logra mediante sistemas detectores los
cuales modifican la dosificación cuando no está en su rango.
1.3 El objetivo principal es reducir las emisiones contaminantes, lograr un mayor
rendimiento del motor y un menor consumo de combustible a nivel nacional y
mundial. Esto lo logramos conociendo y mejorando el sistema de control de
emisiones basados en sensores, procesadores y controladores. Conocer cómo
es que se producen los gases nocivos dentro de un motor. Conocer los
componentes electrónicos que nos ayudan a reducir la contaminación. La
contaminación, así como la manera de actuar.
1.4 Cada vez la tecnología nos ofrece medios de control más precisos como también
nuevos dispositivos. Estos dispositivos nos permiten mejorar el control del uso
del combustible en un motor logrando un punto óptimo. Es necesario mejorar
sistemas de control de emisiones pues se tiene que usar los nuevos dispositivos
tecnológicos.
1.5 Las altas temperaturas que se producen en el motor al momento de la
combustión producen oxidos que no se pueden controlar por el momento. Contar
con un laboratorio de comprobación es muy costoso, las pruebas nos dirán si el
uso de los métodos son los adecuados y en qué porcentaje.
5
II.
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
En el 2013, se desarrolló de grado en la Universidad Nacional del Sur
Titulado: “Desarrollo e implementación de un Sistema Embebido: Nariz
Electrónica”. El objetivo fue diseñar un sistema para la detección y medición
de gases con un microcontrolador.
-En el año 2011 se desarrolló un trabajo de grado en la Universidad de
Madrid titulado: “Desarrollo Placa de Sensores para Monitorear Gases
Tóxicos”. El objetivo fue desarrollar un sistema de sensorizaciòn.
2.2 BASES TEÓRICAS
El uso de un combustible en un motor de combustión interna se denomina
combustión interna. Los combustibles en su mayoría están compuestos por
carbono e hidrógeno por eso reciben el nombre de hidrocarburos. La
combustión es un proceso químico en donde los componentes que se
ingresan, en nuestro caso el combustible y el aire se llaman reactivos y los
componentes que sales se llaman productos.
Figura I
Combustión
monóxido de
dióxido de
oxígeno
combustible
nitrógeno
REACTIVO
PRODUCTOS
6
En el proceso de combustión si es completa. Todos los componentes
inflamables del combustible se queman por completo y como es una mezcla de
combustible y aire la reacción química es la siguiente:
Tomamos por ejemplo el metano (balanceado)
𝐶𝐻 4 + 2 ( 𝑂 2 + 3.76 𝑁
metano
aire
2)
→ 𝐶𝑂 2 + 2𝐻
producto
2𝑂
+ 7.52 𝑁
2
Notamos que los productos de la combustión, excepto el 𝐶𝑂2 son productos no
contaminantes o sin combustible no quemado y sin oxígeno libre en los
productos.
Veamos la siguiente reacción química: gasolina ( 𝐶8 𝐻
𝐶8 𝐻
18
) balanceado
18 (𝑙)
+ 11.25 (𝑂 2 + 3.76 𝑁 2 )
→ 5.5 𝐶𝑂2 + 2.5 𝐶𝑂 + 9 𝐻2 𝑂 + 42.3 𝑁2
Notamos que los productos de la combustión tienen gran cantidad de gases
nocivos. Entonces lo que se busca es mantener una relación en la combustión
para no producir gases contaminantes. A esta relación se le llama relación
estequiométrica y a la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión
completa, recibe el nombre de aire estequiométrico o teórico. Se ve que no está
el oxígeno sin combinar, ni el carbono,ni el monóxido de carbono.
Existen componentes electrónicos (sensores) que detectan la cantidad de
oxígeno en los productos, es el sensor de oxígeno básicamente es el
responsable del control de la mezcla, esté hecho de Zirconio (óxido de
Zirconio), electrodos de platino y un elemento calefactor. El sensor de oxígeno
genera una señal de voltaje basada en la cantidad de oxígeno contenido en el
gas de escape, comparado contra la cantidad de oxígeno presente en el aire
del ambiente atmosférico. Su función es medir la cantidad de combustible y
oxígeno que sale del motor.
Esté colocado antes y después del convertidor catalítico. Existen
microcontroladores que reciben señales de diferentes sensores, estas señales
son evaluadas, interpretadas y generan una salida dirigida a los actuadores
que son los encargados de modificar o corregir el estado actual. Esto lo realiza
cientos de veces al día.
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2.3 CONCEPTUAL
Componentes: Todos los compuestos presentes
Balanceada: Se aplica el principio de conservación de la masa.
Nocivo: Que hace daño o degrada.
Reactivo: Que cambia de composición química.
2.4 TÉRMINOS BÁSICOS:
Sensores: Dispositivos encargados de detectar una magnitud física y
transformarla en señales eléctricas.
Microcontrolador: Circuito integrado de alta escala de integración que
contiene las partes funcionales de un computador.
Actuadores: Encargados de recibir energía para modificar un estado, o una
señal de luz o sonido.
Procesador: Es un circuito integrado encargado de comparar los datos y
modificar por comparación el estado de los actuadores.
Catalizador: Forma parte del tubo de escape de los gases residuales del
vehículo, su principal función es reducir la contaminación parcial
producida al expulsar los gases residuales al exterior. Este
hecho de cerámica cubierto con metal normalmente platino,
sodio y paladio.
8
III.
HIPOTESIS Y VARIABLES
3.1 Cuando se empezó a usar el sensor de oxígeno su ubicación es en la
entrada del catalizador, luego se le agregó un segundo sensor de oxígeno,
a la salida del catalizador. Su finalidad era comprobar el estado del
catalizador y hacer una comparación con el primer sensor. Son varios
niveles de medida que se tiene que observar. Una solución sería poner otro
sensor de comparación a la entrada del catalizador de comparación a la
entrada del catalizador, pero este sensor tiene que estar encapsulador y
cada cierto tiempo de forma programada salir a medir los gases del tubo
de escape, puede ser cada 15 días, 1 mes, etc. Y solo exponerlo un tiempo
corto de esta manera no está cubierto con carbono lo que dificulta obtener
precisión. También nos proporciona información de cómo se encuentra el
primer sensor si pasa los niveles de confiabilidad requieren cambio.
3.2 Como hemos dicho el sensor tiene un comportamiento de celda
electrolítica, la diferencia de concentración de oxígeno entre la parte interior
y exterior nos proporciona una diferencia de potencial. Nos indica el
porcentaje de oxígeno que se encuentra en los gases. Esto nos indica si la
cantidad de aire es la correcta. Nuestra variable sería la relación de aire y
combustible la cual debe ser aproximadamente de 14 o 15 de aire
atmosférico en peso por 1 de combustible en peso. El oxígeno detectado
en forma gaseosa.
3.3 Esta diferencia de cantidad de oxígeno nos da una diferencia de potencial,
esta magnitud es procesada y comparada en un microprocesador. Si los
datos obtenidos por los correctos no se ejecutan nada, si son incorrectos
son usados para activar actuadores que controlar el ingreso de combustible
o aire. Existen otros datos que también son procesados como la
temperatura, presión de aire, presión de aceite, revolución del motor,
posición del acelerador, etc. Todos estos datos ingresan como señales
eléctricas que también son evaluadas, pero solamente veremos el sensor
de oxígeno.
9
IV.
DISEÑO METODOLÓGICO
4.1 TIPO Y DISEÑO DE INVESTIGACIÓN
Tenemos el problema de la contaminación atmosférica causada por
vehículos de combustión interna por el uso de combustibles de origen
fósiles (Hidrocarburos). Lo que queremos evitar o reducir, son los gases
perjudiciales. En la actualidad contamos con componentes electrónicos
que nos ayudarán a crear sistemas que puedan reducir de manera
significativa la emisión de gases nocivos. La química nos proporciona
fórmulas balanceadas de combustión, proporciones correctas de
componentes que ingresan a la combustión, entonces se ha mejorado un
sistema ya establecido con la introducción de un sensor y la variación del
sistema de recolección y procesamiento de la información por parte del
microprocesador. Este sensor no está expuesto de manera continua
evitando que los datos que se proporcionen no sean los adecuados. El
diseño se basa en un sistema comparativo. La información recogida se
compara con una preestablecida.
4.2 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
Estos sensores tienen una temperatura de funcionamiento, una vez
alcanzada empiezan a funcionar. Lo que haremos es lo siguiente:
● Con un analizador de gases diagnosticamos la composición o
porcentaje de los gases antes de que caliente o actúe el sensor.
● Si la proporción es incorrecta el sensor corregirá via actuadores.
● Si la proporción mejora, pero sigue incorrecta usamos el sensor
adicionado, si la lectura del analizador es la indicada, es porque el
sensor adicionado nos dice que el anterior ya necesita cambio, no
está trabajando adecuadamente.
Los actuadores los comprobamos de la siguiente manera:
La señal que nos proporciona el sensor es analógica por lo que modulamos
la señal a diferente espacio de trabajo.
Usamos el Arduino, que es un software y hardware que nos permite
interactuar con la señal analógica del sensor y la salida analógica para
poder controlar dispositivos que en nuestro caso son unos motores de paso
que gobiernan el flujo de entrada del combustible y del aire. Simulamos
voltajes variables a la entrada en vez del sensor de oxígeno así obtenemos
datos y observamos la salida.
10
4.3 POBLACIÓN Y MUESTRA
Los diferentes modos de trabajo de un vehículo como velocidad,
pendiente, condiciones de los demás componentes y modo de manejo
proporcionan infinidad de datos en un intervalo de tiempo y podemos decir
que las correcciones pueden ser de una sientas de veces en una hora.
proporción
14
1
T
Figura II Tiempo vs proporción. (aire - combustible )
4.4 LUGAR DE ESTUDIO
Información obtenida y analizada en diversos talleres de mecánica, así
como en el analizador de gases de la UNAC.
4.5 TÉCNICA E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE LA
INFORMACIÓN
La información recogida con analizadores de gases nos indica si los
sensores están funcionando adecuadamente. Los microprocesadores
cuentan con una salida hacia unos diagnosticadores, aquí se pueden
analizar los datos, calibrar los sensores, verificar su estado. El
microprocesador almacena información pasada por lo que se cuenta con
información en el tiempo.
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4.6 ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE DATOS
Se usó el sensor de gas en vez del sensor de oxígeno por su facilidad
de uso y también se implementó el software.
Interfaz del sensor de gas MQ 135 con Arduino: En el mundo actual, nos
encontramos con diferentes escenarios en los que vemos diferentes gases
que se emiten en la atmósfera, como electrodomésticos como aire
acondicionado y chimeneas industriales. El seguimiento de estos gases es
muy importante desde el punto de vista de la seguridad. Los sensores de
gas son muy útiles para realizar esta tarea. El sensor de nariz pequeña
responde espontáneamente a la alteración de la concentración de gas y
mantiene nuestros sistemas actualizados para tareas especiales.
¿Qué es el sensor de gas MQ-135 y cómo
funciona?
El módulo del sensor de gas consta de un
exoesqueleto de acero debajo del cual se aloja un
elemento sensor. Este elemento sensor está
sujeto a corriente a través de cables de conexión.
Esta corriente se conoce como corriente de
calentamiento a través de ella, los gases que se
acercan al elemento sensor se ionizan y son
absorbidos por el elemento sensor. Esto cambia
la resistencia del elemento sensor que altera el
valor de la corriente que sale de él.
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Configuración de pines Sensor de gas MQ-135
De izquierda a derecha, los primeros pines son los siguientes:
A0 Salida analógica
D0 Salida digital
Tierra GND
Suministro de Vcc (5V)
Especificaciones del sensor de gas MQ-135
• Amplio alcance de detección
• Respuesta rápida y alta sensibilidad.
• Circuito de accionamiento simple estable y de larga duración
• Utilizado en equipos de control de calidad del aire para edificios /
oficinas, es adecuado para la detección
de NH3, NOx, alcohol, benceno, humo, CO2, etc.
• Tamaño: 35 mm x 22 mm x 23 mm (largo x ancho x alto)
• Voltaje de funcionamiento: DC 5 V
• Instrucción de salida de señal.
• Salida de señal dual (salida analógica y salida digital alta / baja)
• Voltaje de salida analógica de 0 ~ 4,2 V, cuanto mayor sea la
concentración, mayor será el voltaje.
Componentes requeridos:
Los siguientes componentes son necesarios para este proyecto:
Arduino UNO
Tablero de circuitos
Módulo sensor de gas MQ-2
interfaz del sensor de gas MQ-135 con Arduino
Cable el circuito de la siguiente manera:
Pin Arduino A0 con Sensor A0
Pin Arduino D0 con Sensor D0
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Arduino 5v Pin con sensor Vcc
Pin Arduino GND con sensor GND
Cuando no hay salida digital de gas es 1 y la salida analógica da un valor
máximo de 1023. Cuando hay gas, la salida digital es 0 y la salida analógica
es mucho menor que 1023. Usando el potenciómetro en el chip, podemos
controlar el punto de apagado del pin digital en algún valor del pin analógico.
El sensor necesita una resistencia de carga en la salida a tierra. Su valor
puede oscilar entre 2kOhm y 47k Ohm. Cuanto menor sea el valor, menos
sensible es el sensor. Cuanto mayor sea el valor, menos preciso será el
sensor para concentraciones más altas de gas. Si solo se mide un gas
específico, la resistencia de carga se puede calibrar aplicando una
concentración conocida de ese gas. Si el sensor se usa para medir cualquier
gas (como en un detector de calidad del aire), la resistencia de carga podría
configurarse para un valor de aproximadamente 1 V de salida con aire limpio.
Elegir un buen valor para la resistencia de carga solo es válido después del
tiempo de quemado
NOTA: No toque el sensor, estará muy caliente.
Probando el circuito:
1. Después de la conexión del hardware, inserte el boceto de muestra en
el IDE de Arduino.
2. Con un cable USB, conecte los puertos del Arduino a la computadora.
3. Sube el programa.
4. Vea los resultados en el monitor de serie
14
Código para la interfaz del sensor de gas MQ-135 con Arduino
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------* este código no tiene calibracion de sensor, esta parte
* es muy importante para el correcto funcionamiento
* del sensor, también puede usar librerias
*/
int s_analogica_mq135=0;
int aire =12;
int CO2=11;
int gas=10;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(aire,OUTPUT);
pinMode(CO2,OUTPUT);
pinMode(gas,OUTPUT);
digitalWrite(aire,LOW);
digitalWrite(CO2,LOW);
digitalWrite(gas,LOW);
}
void loop()
{
s_analogica_mq135 = analogRead(0);
Serial.println(s_analogica_mq135, DEC);
Serial.println(" ppm");
delay(250);
//aire
if(s_analogica_mq135<=55)
{
Serial.println("aire normal");
digitalWrite(aire,LOW);
digitalWrite(CO2,LOW);
digitalWrite(gas,LOW);
delay(50);
}
//aire con dióxido humano
if(s_analogica_mq135>=56 && s_analogica_mq135<=65)
{
Serial.println("aire con un poco de CO2");
15
digitalWrite(aire,HIGH);
digitalWrite(CO2,LOW);
digitalWrite(gas,LOW);
delay(50);
}
//dióxido de carbono
if(s_analogica_mq135>=74 && s_analogica_mq135<=350)
{
Serial.println(" dióxido de carbono CO2");
digitalWrite(aire,LOW);
digitalWrite(CO2,HIGH);
digitalWrite(gas,LOW);
delay(50);
}
//gas propano y butano
if(s_analogica_mq135>=400)
{
Serial.println("propano butano");
digitalWrite(aire,LOW);
digitalWrite(CO2,LOW);
digitalWrite(gas,HIGH);
delay(50);
}
}
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Resultado:
En el monitor en serie puede ver los valores de los pines analógicos que se
detectan. Actualmente en mi caso rondan los 150 que indican aire normal.
•
El aire normal retorna aproximadamente 100-150
•
El alcohol devuelve aproximadamente 700
•
El gas más ligero devuelve aproximadamente 750
Creación de un sensor de Gas MQ135
16
Sensor de aire
Sensor lado posterior
17
Resultados del sensor con la presencia de CO2
Resultado del sensor con la presencia del Gas Butano
18
V.
CONCLUSIONES
Cada proceso controlado en forma rigurosa nos garantiza resultados
adecuados con pequeñas variaciones que nos alteran sustantivamente el
valor deseado o punto óptimo.
Conseguir la relación estequiométrica no solo reduce la contaminación,
mejora también la eficiencia del motor y el confort del que lo usa. La
electrónica, los microcontroladores, los ordenadores proporcionan un
inmenso mundo de posibilidades de control por lo que concluyó que unos
sensores agregados a los ya existentes mejoran los resultados.
VI.
RECOMENDACIONES
Agregar algo más para reducir la contaminación es cada vez más urgente, no
implica grandes cortos comparado con el ahorro de combustible que se logra
cuando el vehículo trabaja en el punto estequiométrico, se consigue además
mayor duración del motor, se evita el desgaste prematuro y averías peligrosas
pues una mayor o menor cantidad de combustible produce recalentamiento,
bruscas manchas y pérdidas de potencia e incomodidad y pérdida de tiempo
y dinero. Se recomienda usar cada vez sistemas sofisticados de control.
VII.
BIBLIOGRAFÍA
● https://sensorautomotriz.com/sensor-de-oxigeno/
● https://www.casadellibro.com/libro-termodinamica-7ed/9786071507433/2000339
● https://www.xataka.com/basics/que-arduino-como-funciona-que-puedeshacer-uno
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