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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA C. B. I LICENCIATURA EN INGENIERIA BIOMEDICA Control de Humedad y temperatura de un Sistema por medio de una PC. ALUMNO: MARTÍNEZ MÉNDEZ JUAN SAUL. PROF. MIGUEL ANGEL PEÑA CASTILLO MEXICO D.F., SEPTIEMBRE DEL 2000. 1

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

C. B. I

LICENCIATURA EN INGENIERIA BIOMEDICA

Control de Humedad y temperatura de un Sistema por medio de una PC.

ALUMNO: MARTÍNEZ MÉNDEZ JUAN SAUL.

PROF. MIGUEL ANGEL PEÑA CASTILLO

MEXICO D.F., SEPTIEMBRE DEL 2000.

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OBJETIVO: Desarrollar un sistema que sea capaz de controlar la humedad relativa en el interior de un prototipo que simule un incubador de células. DESCRIPCION: El sistema cuenta con dos transductores de temperatura. El primer transductor servirá para medir y controlar la temperatura de la cámara del incubador (bulbo seco), y el segundo para controlar la temperatura del medio de producción de humedad (bulbo húmedo), o humidificador. La medición del bulbo seco, junto con el factor de humedad correspondiente a dicha medición nos correlacionara con un valor de temperatura de bulbo húmedo, lo que nos permitirá tener un sistema de humidificación controlado por temperatura. La temperatura de control estará dada por una tabla matemática predeterminada para humedad relativa. Todo este control se realiza mediante la programación de una tarjeta de adquisición de señales para PC. Está, obtendrá las señales correspondientes a cada transductor, realizara los cálculos necesarios y nos entregara las señales adecuadas para poder realizar el control del sistema. El factor de humedad y bulbo seco están relacionados de acuerdo a la carta de humedad relativa anexa.

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INDICE

INTRODUCCION 4 METODOLOGIA 5

1. DISEÑO DEL SISTEMA. 6

2. DISEÑO DEL CONTROL POR PC. 8 RESULTADOS 16 CONCLUSIONES 17 ANEXOS 18 APENDICES 31 BIBLIOGRAFIA 49

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INTRODUCCION En la actualidad la gran mayoría de estudios realizados para la prevención de enfermedades y fabricación de medicamentos para el tratamiento de otros malestares se basa en el desarrollo y cultivo de células con un cierto patrón de características predeterminadas. Las incubadoras de células, tienen una gran variedad de aplicaciones como la de mantener la temperatura en muestras de sangre o plasma (incubadoras de pozos para tubos de ensaye) en la realización de determinaciones de grupos sanguíneos, así como la de mantener en incubación muestras de secreciones corporales para determinar si se presenta el desarrollo de una bacteria o virus en un cultivo de control. Este tipo de investigación es muy laborioso y sobre todo muy costoso, por lo que para poder realizar un cultivo de células en los laboratorios de investigación requiere de un gran control y cuidado. Como lo es el mantener una mezcla adecuada de gases (aire y bióxido de carbono), una temperatura constante y principalmente una humedad relativa adecuada. La humedad junto con los demás factores es determinante para poder obtener un adecuado desarrollo en el cultivo de células. Cabe recordar que: la Humedad, se puede definir como la medida del contenido de agua en la atmósfera. La atmósfera contiene siempre algo de agua en forma de vapor. El peso del vapor de agua contenido en un volumen de aire se conoce como humedad absoluta y se expresa en kg de agua por kg de aire seco. Los científicos se refieren a estas medidas con gramos de vapor de agua por metro cúbico. La humedad relativa es la razón entre el contenido efectivo de vapor en la atmósfera y la cantidad de vapor que saturaría el aire a la misma temperatura. Si la temperatura aumenta y no se producen cambios en el contenido de vapor, la humedad absoluta no varía mientras que la relativa disminuye. Una caída de la temperatura incrementa la humedad relativa produciendo rocío. La humedad se mide con un higrómetro. El índice de temperatura-humedad (índice T-H, también llamado índice de incomodidad) expresa con un valor numérico la relación entre la temperatura y la humedad como medida de la comodidad o de la incomodidad. Se calcula sumando 40 al 72% de la suma de las temperaturas en un termómetro seco y en otro húmedo. Por ejemplo, si la temperatura en el termómetro seco es de 30 °C y en el húmedo es de 20 °C, el índice T-H será de 76.

La humedad requerida va ha estar en función de la temperatura. Por lo que para un valor determinado de temperatura la corresponde un factor de humedad, dicho factor va a depender del lugar de trabajo (altura sobre el nivel del mar). Por lo que para una altura como la de la ciudad de México existe una carta de humedad relativa, que nos muestra el valor de humedad requerido para la temperatura que se utilice para el fin perseguido. Para nuestro caso se desarrolla un sistema en el cual se controla la temperatura y humedad de la incubadora diseñada. Esto se logra mediante la monitorización de dos puntos diferentes, uno en el interior de la cámara (bulbo seco) y el otro en el interior del recipiente de humidificación (bulbo húmedo); una vez obtenidos estos datos se someten a

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una comparación y manipulación de acuerdo a unas relaciones matemáticas obtenidas anteriormente por el método de mínimos cuadrados.

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METODOLOGIA Este trabajo se realizó en dos etapas:

1. Diseño del sistema.

2. Diseño del control por medio de una PC.

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METODOLOGIA I.- DISEÑO DEL SISTEMA. El sistema en su primera parte consta en la realización de un prototipo que simule a un incubador real, este esta representado por:

Una caja metálica en forma de cubo con una cara abierta (con dimensiones de 40 * 40 * 40 cm.), la cual es la puerta para accesar al interior de esta y se puede tapar con un tramo de acrílico acondicionado como puerta (con dimensiones de 37 * 37 cm, y 2 mm de espesor).

Contiene dos orificios de 1 1/4 pulgadas de diámetro, uno, en la parte superior frontal izquierda, que sirve como la inyección del aire húmedo y caliente mientras que el otro, en la parte posterior inferior derecha, que es la extracción, para tener una recirculación y homogeneizar el aire. Fig. 1. Contiene un motor ventilador marca FASCO, alimentado con 120 V de 3200 RPM, 1/350 HP y 15 CFM; con orificios para inyección de11/2" de diam. y extracción de 2" de diámetro; que son reducidas a 1" que es el diámetro de la manguera utilizada como ducto de transporte del aire. Fig. 1. Se implementa un sistema de humidificación, con un recipiente de plástico (frasco con tapa) de un volumen aprox. de 5 litros; una resistencias para el calentamiento del agua, con una alimentación de 120 V y una potencia de 30 W; Una bomba para aire, del tipo comercial para peceras de dos ductos de salida, para burbujear el agua, alimentada con 120 V. Fig. 2. Se instala una resistencia del tipo de calor seco de placa, en la parte media de la cara que es perpendicular a la inyección del aire, alimentada con 120 V y una potencia de 20 W. Fig. 3.

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SISTEMA (PROTOTIPO)

Fig. 1 Descripción de la colocación de los diferentes aditamentos y sistemas de la incubadora

Bomba de aire

Extracción

humidificador

motorinyección

Puerta

HUMIDIFICADOR

Línea de aire Para burbujeo

resistencia

Flujo de aire humedecido, hacia la cámara

Flujo de aire hacia el humidificador Proveniente de la cámara, una vez que ha sido extraído por el motor.

Resistencia para calentamiento del agua, dependiente de la humedad requerida. Fig. 2. Descripción del modelo diseñado,

como humidificador

VISTA POSTERIOR

inyección

Resistencia de calor seco, para calentamiento de la Cámara.

Fig. 3 Colocación de la resistencia, para calentamiento de la cámara de la incubadora.

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II.- DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL POR MEDIO DE UNA PC. En la segunda parte, se realizo el sistema de control de la primera etapa. Para ello se utilizo una tarjeta de adquisición de señales, así como dos transductores de temperatura con su amplificador de señal, de la manufactura de NIHON KOHDEN. El primer transductor servirá para medir y controlar la temperatura de la cámara del sistema (bulbo seco), y el segundo para controlar la temperatura del medio de producción de humedad (bulbo húmedo), o humidificador. La programación se realizara bajo el ambiente de Windows, basado en el software de la tarjeta (LABVIEW), con las herramientas que este nos proporciona. ♦ Descripción de los instrumentos utilizados.

Sensores de Temperatura: Se utilizaron dos sensores de temperatura SHIBAURA ELECTRONICS, del tipo THR con número de control de la institución 1765 y 1767. Estos sensores tienen un rango de funcionamiento entre 22 - 42 o C. Ver apéndice A.

Módulos de Temperatura:: Los módulos de interconexión de los sensores con los amplificadores son los couples de temperatura marca NIHON KOHDEN, modelo AW-650H. Ver apéndice A.

Amplificadores: Los módulos de amplificación para los transductores de temperatura utilizados son de la marca NIHON KOHDEN, modelo AW-601H con números de serie 20659 y 20660, respectivamente. Ver apéndice A.

Modulo de conexiones: Para la interconexión de los amplificadores y funcionalidad de los módulos antes descritos se utilizo el modulo NIHON KOHDEN, modelo RMP-6004M con numero de serie 23590. Ver apéndice A.

Tarjeta y software: La tarjeta utilizada para la adquisición y envío de señales es la AT-MIO-16E-1 de NATIONAL INSTRUMENTS, así como el paquete de programación LabVIEW. Ver apéndice B.

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Salida de control de temperatura hacia T2

Figura A. Diagrama representativo del programa diseñado.

Salida de control de temperatura hacia T1

Calculo de temperatura dependiente de la humedad

Adquisición y conversión de temperatura.

Adquisición y conversión de temperatura.

Despliegue de adquisición de datos

Despliegue de adquisición de datos

Separación de señal canal 1

Separación de señal canal 0

Adquisición de señales.

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Descripción del programa: ( Ver anexo D ).

Adquisición de señales: Se utilizo la función AI Waveform Scan <Analog Input Utility VIs>, que adquiere una forma de onda continua. Su configuración esta dada por los siguientes parámetros:

Device: es el número de dispositivo que se asigna durante la configuración, para que pueda ser reconocido por el programa, se utilizo al dispositivo por default.

Channels: es la lista de canales de adquisición que se están utilizando, se especifican en forma individual, en nuestro caso (0,1).

number of scans: es el numero de muestras que se van adquirir, equivale al numero de puntos por canal, se utilizo 1000.

scan rate: es el número de datos a adquirir por segundo, por canal, se utilizo a 1000. error in: describe alguna condición de error antes de la ejecución, indicando el

código de error. Iteration: se utiliza para optimizar la operación, se utilizo el valor por default. clear acquisition: determina cuando se limpian los datos de adquisición, se utilizo

el valor por default. time limit in sec: es el máximo de tiempo para adquirir las muestras, se utiliza el

valor por default. trigger and clock: no se configuran. trigger type: no se cambio el valor por default, pero puede ser: 0: No trigger (default input). 1: Analog trigger. 2: Digital trigger A. 3: Digital trigger B. 4: Scan clock gating. 5: Software analog. coupling & input config: no se configura. input limits: selecciona los valores de entrada de la señal, se utilizo en el rango de -4

a 6. scaled data: es la salida de las señales adquiridas en forma de un arreglo 2D, de datos

analógicos. error out: es la salida de la información en caso de que se presente un error durante la

ejecución.

Separación de señal, se utilizo Index Array, que devuelve el elemento de un conjunto del índice. Si el conjunto es multidimensional, se debe agregar terminales adicionales de índice para cada dimensión del conjunto. Para se utilizo dos terminales con el mismo valor en cada caso para obtener el valor de la señal de cada canal, es decir 0,0 y 1,1 respectivamente.

Despliegue de datos: se utilizo la herramienta de despliegue de datos en forma de una

carta X-Y, en donde se puede trabajar ajustando los límites y precisión de forma manual o automática; en nuestro caso se utilizo en forma automática. El tipo de despliegue es de una onda de forma continua punto a punto, con una precisión de 2 dígitos por eje.

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Adquisición y conversión de temperatura: Se utiliza un icono de control, para

poder seleccionar el valor de temperatura de una forma sencilla y rápida, presionando solo unas flechas, para incremento o decremento, o desde el teclado numérico. Para la realización de los cálculos, para obtener su equivalente valor de voltaje, se utilizaron las herramientas para multiplicar (multiply), dividir (divide) y sumar (add), que nos proporcionan el resultado correspondiente a la acción de dos números. La relación utilizada es la siguiente:

Voltaje= (0.93*Temp)/ 40. Ver apéndice C. El valor obtenido de voltaje, es comparado(función Less) con el valor muestreado. La comparación nos entrega un valor de falso o verdadero, el cual es convertido a un valor entero (0, 1) con la función Boolean to 0,1, que acepta un valor de falso o verdadero y entrega un dígito, este valor era escalado (multiply) para poder proporcionar el valor de salida deseado. Se utiliza en ambos canales.

Calculo de temperatura dependiente de la humedad: se utiliza un icono de control, para seleccionar el porcentaje de temperatura deseado. Este valor es sumado(add) y elevado a una potencia de base 10.

Esto debido a la relación obtenida: Temp.= 10(1.2078 + 0.0037 H) Ver apéndice C. Salida de control de temperatura: en ambos canales se utilizo la misma función AO Generate Waveform <Easy Analog Output VIs>, que nos genera una forma de onda de voltaje analógico de salida por el canal especificado. Para nuestros propósitos se utilizan los canales 0 y 1 de salida. A continuación se presentan los diagramas del programa y su representación de funcionamiento.

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DIAGRAMA ELECTRICO.

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SISTEMA COMPLETO

40 cm.

40 cm.

inyección

40 cm.

humidificador

motor

extracción

Bomba de aire

Tarjeta de control

puerta

37 cm

37 cm

HUMIDIFICADOR

Línea de aire Para burbujeo

Sensor de temperatura de bulbo húmedo.

Flujo de aire hacia el humidificador Proveniente de la cámara, una vez que ha sido extraído por el motor.

resistencia

Flujo de aire humedecido, hacia la cámara

Recipiente del humidificador de un volumen de cap. de 5 litros, llenado con 2 l. de agua destilada. Se muestra el sentido de la inyección y extracción del aire. Se observa la colocación de la resistencia de humidificación, la línea de aire para burbujeo y el sensor de temperatura (bulbo húmedo).

Resistencia para calentamiento del agua, dependiente de la humedad requerida.

Sensor de temperatura, bulbo seco.

VISTA POSTERIOR

inyección

Resistencia de calor seco, para calentamiento de la cámara.

Extracción

Se observa en esta vista, la colocación de la resistencia de placa, el sensor de temperatura (bulbo seco) y los orificios de inyección y extracción de aire.

Puerta

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RESULTADOS

Los resultados observados, durante la prueba de funcionalidad del sistema, se obtuvieron en dos etapas: a).- Prueba de funcionalidad y respuesta de las señales de entrada- salida, sin el modelo de la incubadora. Se seleccionaba en el panel de control la temperatura y humedad deseada, posteriormente se le aplicaba a ambos transductores una fuente de calor al mismo tiempo que estaban siendo monitorizados los canales de salida para ver si respondían a los limites de corte de señal para la alimentación de las resistencias de voltaje. En un principio las funciones utilizadas para comparación (menor o igual) no cumplieron las expectativas, ya que cortaban muy por encima del valor deseado; por lo que se recurrió a utilizar la función (menor que) que nos permitió tener el control deseado de los parámetros. b).- Prueba del sistema completo. Una vez conectado y armado en su totalidad se probó el sistema, el cual respondió satisfactoriamente a las pruebas sometidas; el único inconveniente que se observo es el tiempo de calentamiento de la cámara, el cual es un poco grande, por lo que se consideraría para futuras implementaciones un sistema de calentamiento de mayor potencia. Las pruebas realizadas nos mostraron que una vez alcanzado el valor deseado, el sistema lo mantenía lo más estable posible, observándose una pequeña variación en el control para la temperatura del humidificador. Por lo demás el sistema se comporto adecuadamente durante las 4 horas que permaneció funcionando, sin presentar alguna variación que se considera alarmante.

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CONCLUSIONES

Los resultados observados, durante la puesta en marcha del sistema en su totalidad, fueron satisfactorios de acuerdo al fin que se buscaba, aunque nos muestra que las herramientas utilizadas para el diseño de este sistema están muy por encima de los requerimientos reales de un sistema de este tipo. Ya que al estar realizando las pruebas a diferentes temperaturas y humedades, el sistema se comporto de una manera muy precisa pero con una repetitividad de muestreo de mucha mayor capacidad que la que requiere un sistema de control de un incubador de células convencional. De tal manera que este sistema puede ser utilizado para una aplicación en donde se requiera un mayor control ambiental de una cámara o un cuarto, es decir pudiera ser implementado para el control de un sistema biológico de experimentación (Bióterio), en donde se requiera de una gran precisión y control de los parámetros de humedad y temperatura para la cría de animales de investigación; otra aplicación para el cuidado de seres humanos donde se requiera un control muy preciso de estos parámetros para la vitalidad de un ser. Por lo que su utilización en otras áreas sea requerido, se tendrían que adecuar los elementos de control (sensores y sistemas de calentamiento). En general, se concluye que se cumplió con los objetivos deseados, así como de haber conocido una nueva plataforma de control, muy diversa y potente para la programación. En donde el software y hardware utilizados nos permiten tener un potencial muy grande de aplicación y no solo el de este pequeño sistema.

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A N E X O S

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ANEXO A.

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ANEXO C.

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ANEXO D

Descripción de las diferentes funciones utilizadas para la programación del sistema de control.

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A P E N D I C E S

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APENDICE A. Características de los instrumentos utilizados para la adquisición de señales.

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Las únicas características encontradas para los transductores de temperatura, así como para el amplificador son las siguientes: “ Termistor de prueba”

• Para uso exclusivo de polígrafos RM-6000 / RM-6200, en nuestro caso se utilizó el RM-6004 M.

• Rango de temperatura de 20 a 40 oC; nuestro sistema opera a temperatura corporal de 37 oC.

• Termistor THR-D, opera para agua junto con el “COUPLER HOUSING CASE JH-640/620”, para aplicaciones en humanos.

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APENDICE B.

Características de la tarjeta utilizada y software de programación.

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APENDICE C. Calculo de las relaciones utilizadas para la adquisición y comparación de señales.

a) Calculo del voltaje de entrada. Donde el valor de 0.93, es el factor del comportamiento observado en los transductores, a la respuesta al incremento de la temperatura.

Sensor 1 Temp. Voltaje Sensor 2 Temp. Voltaje 20.9 -9.25 19.7 -10.84 21.1 -8.90 20.4 -10.18 21.4 -8.72 24 -6.32 21.9 -8.19 25 -5.30 36.2 6.08 36 6.25 40 9.83 40 10.51

b) Calculo del valor de temperatura para el humidificador. Esto debido a la relación obtenida: Temp.= 10(1.2078 + 0.0037 H)

Que se obtuvo después de realizar una regresión curvilínea de los datos obtenidos de la carta de entalpias. De donde las relaciones utilizadas son las siguientes:

log Y = log B + (log b)X, donde Y: Temperatura de Humedad (TH) y X:Humedad (H).

Log TH = log B + (log b) H Humedad Temp. Hum. Log TH H log TH 0 11 1.0914 0 10 15.5 1.1903 11.903 20 19.3 1.2855 25.711 30 22.5 1.3221 40.565 40 25.3 1.4031 56.124 50 27.8 1.4440 72.200 60 30 1.4771 88.626 70 31.9 1.5037 105.259 80 33.8 1.5289 122.312 85 34.6 1.5390 130.815 90 35.7 1.5226 139.734

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Realizando los cálculos correspondientes para la regresión obtenemos:

Σ H= 535 Σ log TH = 15.3178 Σ H2 =32725 Σ H log TH = 793.25 las ecuaciones normales para B y b son

Σ log TH = n log B + Σ H log b ..................1 Σ H log TH= Σ H log B + log bΣ H2 ...............2

sustituyendo los datos en 1 y 2, tenemos:

15.3178 = 11 log B + 535 log b ........3 793.250 = 535 log B + 32725 log b .......4

Realizando las sustituciones correspondientes, obtenemos:

log B = 1.2078 y log b = 0.0037 por lo que

log TH = 1.2078 + 0.0037H de donde TH = 10(1.2078 + 0.0037 H)

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BIBLIOGRAFIA.

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COMTON’S INTERACTIVE ENCYCLOPEDIA, 1996.

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