Deteccion de Enrarecimiento del Aire Por Ultrasonido Becerra, R. A.

Cátedra: Aplicaciones Industriales del Ultrasonido Curso 2015

Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan Av. Libertador Gral. San Martin 1109, J5400ARL –

San Juan -Argentina ragustinbecerra@gmail.com

Resumen En el presente informe se estudia, investiga y desarrolla un sistema electrónico para medir el enrarecimiento del aire por medio del Ultrasonido. El estudio se centró en la técnica pulso eco para determinar si la presencia del gas natural domiciliario puede ser diferenciado del aire, es decir, si la impedancia acústica se ve alterada notablemente al contaminar el recinto evaluado. 1. Introducción

¿Qué sucede si en un hogar hay una fuga en la cocina o en el calefactor, u otro artefacto cuyo combustible sea el gas de la red doméstica y los habitantes duermen o no son capaces de reconocer el olor y advertir tal inconveniente? A raíz de ello, se realizará el estudio en un recinto con condiciones controladas y conocidas, para saber si dicho cambio de la impedancia del aire por la presencia del gas es factible de ser medida en el ambiente y detectada a tiempo. A través de un circuito apropiado y un recipiente cerrado se medirá, mediante la técnica pulso eco, la densidad del aire a temperatura controlada para luego contaminar el mismo con gas natural y analizar si hay una alteración del medio por el cual se propaga el pulso de ultrasonido y concluir si es factible medir la presencia del gas.

2. Investigación 2.1 La velocidad de propagación en el aire a temperatura cte

El primer paso es conocer empíricamente, la velocidad de propagación en el aire en condiciones normales. El razonamiento que se seguirá, para la velocidad de propagación de la onda de ultrasonido en el aire es el mismo que se estudió en los apuntes propuestos por la cátedra de Ultrasonido de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de San Juan; es decir, sin contemplar los cambios en la temperatura ni la humedad, por el momento. Allí se estableció que: Z es la impedancia acústica, la cual depende de ρ que es la densidad del medio donde se propaga la onda y C es la velocidad de propagación del mismo. Por lo tanto, en el aire, la impedancia es:

0.000415*[106 kg/m2s] (1) Operando concluimos que la velocidad en el aire será aproximadamente: 331 (m/s) a la presión de 1 atm y la temperatura de 0º C.

Hoja 2

Con el mismo razonamiento matemático, se completó la Tabla 1, para diferentes gases como medio de propagación. Ésto nos será útil para cuando se realicen mediciones reales, ya que se sabrá si los resultados experimentales son adecuados o no. Como se puede observar que a igual temperatura y condiciones, con la presencia de hidrógeno en el medio, la velocidad cambia de 331 m/s a 1284 m/s. Es decir que la velocidad se cuadriplicó a raíz de la presencia de ese gas en concreto, lo cual es bastante significativo e importante para futuras conclusiones.

Gas Velocidad de propagación del sonido (m/s) a la presión de 1 atm

Aire (0º C) 331

Alcohol etílico (97º C) 269

Amoniaco (0º C) 415

Gas carbónico (0º C) 259

Helio (0º C) 965

Hidrógeno (0º C) 1284

Neón (0º C) 435

Nitrógeno (0º C) 334

Oxígeno (0º C) 316

Vapor de agua (134 ºC) 494

Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes medios

2.2 La composición del gas natural

Aunque su composición varía en función del yacimiento, su principal especie química es el gas metano al 79 - 97 % (en composición molar o volumétrica), superando comúnmente el 90 - 95 % (p. ej. en el pozo West Sole del mar del Norte). Contiene además otros gases como etano (0,1 - 11,4 %), propano (0,1 - 3,7 %), butano (< 0,7 %), nitrógeno (0,5 - 6,5 %), dióxido de carbono (< 1,5 %), impurezas (vapor de agua, derivados del azufre) y trazas de hidrocarburos más pesados, mercaptanos, gases nobles, etc. (Las cifras se refieren al gas depurado comercializado en España.)3 Como ejemplo de compuesto contaminante asociado al gas natural cabe mencionar el CO2 (dióxido de carbono) que alcanza la concentración del 49 % en el yacimiento de Kapuni (Nueva Zelanda). En tanto, en Argentina la composición sería, según la Asociación de Distribuidores de Gas de la República Argentina (ADIGAS), la siguiente: La primera distinción que se debe hacer es si el gas es envasado o de la red pública. El primero está compuesto por Propano y Butano (Carbono 3 y carbono 4), en proporciones no estandarizadas y variando mucho según la compañía quien lo produce. Si es gas de la red doméstica, éste está compuesto por Metano (90% - 95%) y Etano (5% - 10%) (Carbono 1 y carbono 2 respectivamente).

Hoja 3

El metano como combustible y el aire como comburente generan una de las combustiones más perfectas, y produce menos CO2 (dióxido de carbono) al quemarse que el producido por los demás combustibles, excepto el hidrógeno. Emite cerca del 40 al 50% menos CO2 que el uso del carbón y cerca del 25% menos que cualquier otro combustible líquido derivado de los hidrocarburos. Por lo tanto, será de vital importancia trabajar con un gas natural normado para extraer conclusiones que sirvan para el estudio del caso.

3. Solución Hipotética El siguiente diagrama de bloques expondrá la metodología que se llevará a cabo en las pruebas de laboratorio.

Figura 1. Circuito acondicionador

Figura 2. Ilustración del ensayo

Caja de cartón

Hoja 4

Se utilizará un recinto como lo muestra la figura 2. La experiencia se llevará a cabo con el método de pulso-eco, donde el emisor y receptor estarán uno al lado de otro como se ilustra a continuación en la figura 4; de manera tal de medir la distancia y así calcular la velocidad de propagación dentro de un espacio de dimensiones conocida y su respectiva variación al cambiar la composición del aire, en condiciones controladas. Además, cabe aclarar que serán ensayos no detructivo. La distancia “A” que se aprecia en la figura 3 será negativa, ya que se embutirán tanto el emisor como el receptor en el recipiente utilizado.

Figura 3 (superior). Posición del palpador. Figura 4 (inferior). Medición de la distancia

Los parámetros variables y no despreciables, como la temperatura y la humedad relativa del ambiente, serán considerados constantes y controlados para que su presencia no modifiquen las mediciones que se harán en el experimento. La técnica que se emplea se describe en la siguiente imagen, en los siguientes diagramas temporales.

Figura 5. Diagrama temporal del Pulso-Eco

Hoja 5

Ya que el transductor estará midiendo desde una posición fija hacia un punto inmóvil, el efecto Doppler no se verá presente en los resultados obtenidos. Por lo tanto dicho efecto no será tenido en cuenta en los cálculos ni en la práctica.

4. Desarrollo Práctico 4.1 Elección de los elementos

4.1.1 Transductor de ultrasonido El trnasductor usado corresponden al modelo TCT40-16T/R1 usados en las placar HC-SR04 de Arduino, opera en 40KHz, 4.1.2 PULSER: El circuito Pulser será immplementado de manera digital con la placa controladora de Arduino, ya que la misma será empleada para el relavamiento de datos obtenidos. Se empleará el modelo de placa Arduino Uno 4.1.3 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL: El acondicionamiento de la señal será llevado a cabo por el circuito descripto a continuación, fragmetado en etapas para su mejor comprensión: 4.2 Emisión del pulso:

La placa Arduino será la encargada de generar el tren de plusos correspondientes a la señal de pulser, por medio del software descripto a continuación. int eco= 13; int trig= 12; int vcc=11; void setup() Serial.begin(9600); pinMode(eco, INPUT); pinMode(trig, OUTPUT); pinMode(vcc, OUTPUT); void loop() digitalWrite(vcc, HIGH); digitalWrite(trig, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig, HIGH);delayMicroseconds(8); digitalWrite(trig, LOW); delay(10); De manera digital, estamos enviando un tren de pulsos de 8 micro segundos de duración, repitiéndose este protocolo cada 10 milisegundos Dada la dificultad de conseguir los integrados EM78P153S y el el MAX232A para la comunicación serie de la placa de desarrollo, generación y amplificación del pulso; se optó por utilizar el módulo HC-SR04 de Arduino.

4.3 Recepción del pulso:

La recepción será filtrada por un circuito pasabanda de primer orden, compuesto por un pasa altos seguido de un pasa bajos, luego será rectificada.

Hoja 6

La primera etapa consiste en un filtro pasa banda de primer orden compuesto por un filtro pasa alto conectado en serie con un filtro pasa bajos de primer orden (Ver figura 6). La frecuencia de corte para la etapa pasa alto se calcula como:

= 12 ∗ π ∗ R1 ∗ C1 ≅ 20

(2) Se adopta C1 = 1nF, y despejando en la ecuación anterior, queda R1 = 7,92KΩ . La frecuencia de corte se elige en 20 KHz porque de esa manera logramos captar cualquier tono que se encuentre cerca de la mínima frecuencia en el rango de ultrasonido. Para armar el circuito utilizamos R1 = 6,8 KΩ, ocasionando un pequeño desplazamiento en la mínima frecuencia de corte, siendo esta de 23,4 KHz. Para el circuito pasa bajos se tiene:

= 12 ∗ π ∗ R2 ∗ C2 ≅ 100

(3)

Figura 6. Filtro pasa banda

Se adopta C2 = 1nF, y despejando en la ecuación anterior, queda R2 = 1.59KΩ. Si bien nuestro transductor es de 40KHz, se elige una frecuencia de corte superior, cercana a 100 KHz, para poder tener la capacidad de cambiar el transductor por uno que posea una frecuencia central de 80 KHz (por ejemplo), sin tener la necesidad de modificar el circuito y que funcione sin inconvenientes. Se colocó R2 = 1.5 KΩ por ser el valor de resistencia comercial más próximo al elegido corriendo la frecuencia de corte del pasa bajos a 106,1 KHz. Las etapas del circuito descriptas anteriormente permiten filtrar el ruido blanco que ingresa por transductor, dejando pasar solo frecuencias en el rango del ultrasonido que son las que hacen posible la medición en el medio. Además, ambos filtros cuentan con una ganancia de tensión que está dada por Rf1 y Ri1 para el circuito pasa altos, Rf2 y Ri2 para el filtro pasa bajos. Por simplicidad, ambras etapas se eligen con igual ganacia: Ri1 = Ri2 = 1KΩ En tanto Rf1 como Rf2 son potenciómetros iguales de 100KΩ cada uno, de manera tal de ajustar la ganacia para lograr encontrar la mejor respresentación de la señal del pulso eco captado por el transductor. Dada la configuración no inversora, la ganancia se calcula de la siguiente manera:

Hoja 7

1 = 2 = 1 + 1Ri1 = 1 + 2Ri2 = 1 + 1001k ≅ 100

(4)

La ganancia total del circuito pasa banda está dada por la multiplicación de las ganancias de cada etapa dado que están conectadas en cascada y es de hasta 10000 veces, o lo que es equivalente a decir 40 dB.

Figura 7. Circuito esquemático amplificador y pasabanda.

4.3.1 Rectificación Luego de filtrar y amplificar las señal se procedió a rectificar la misma con diodos, formando un puente rectificador tradicional, el cual fue reemplazado por un rectificador de precisión de onda completa con salida positiva a raíz de que la caída de tensión propia de los diodos era muy significativa y deformaba la señal al punto tal de no poder ser detectada. Al agregar amplicadores operacionales, se consigue rectificar la señal sin que afecte la caída de tensión propia de los diodos. Cabe destacar que dicha modificación fue propuesta por un compañero de cursado, quien tuvo el mismo inconveniente y encontró resultados favorables implementado la rectificación como se ilustra a continuación.

Figura 8. Circuito esquemático rectificador de onda

Hoja 8

4.3.2 Detector de envolente. Por último, se detecta la envolvente de la señal rectificada. Para ello se implemento un circuito como el de la siguiente imagen.

Figura 9. Primer detector de envolvente

Luego se tuvo presente el error que introduce el diodo, y para desacoplar la señal, se introdujo amplificadores operacionales con la misma metodología que en la etapa de la rectificación. Dicho circuito se desarrolla a continuación.

Figura 10. Detector de envolvente mejorado

Ésta consta, en primer lugar, de un detector de pico activo, que genera la envolvente de la señal proveniente de la etapa anterior. En segundo lugar, se encuentra el circuito detector de envolvente y se realiza mediante IC2b, que es uno de los operacionales del encapsulado del LM324 utilizado por sus prestaciones en todas las etapas del circuito. Al circuito, se le agregó de un ajuste para modificar la referencia de comparación, a travez de un preset. Cabe aclarar que se utilizaron diodos 1N4148, resistencias de ¼ de watts del 5% de tolerancia en todos los casos. Además, por experiencia en prácticas anteriores, la fuente de alimentación elegida fue una batería de 12Volt de laptop, evitando usar fuentes con conexión a la red eléctrica y así eliminar posibles inconvenites por el ruido de los 50Hz, garantizando estabilidad en la tensión de alimentación (ver figura 11).

Hoja 9

Figura 11. Primer prototipo: maqueta del circuito

4.4 Recipiente para las mediciones

El recipiente será una caja de cartón(ver figura 12), ya que no se consiguió una de acrílico como se había planificado; la misma es de las siguientes dimensiones:

Alto: 18,5 cm. Ancho: 31cm. Profundidad: 14cm (12,7cm desde el sensor hasta la pared).

Figura 12. Segunda maqueta prototipo desarrollada. La caja cuenta con una pequeña ranura en la parte inferior, quedando en posición perpendicular al emisor/receptor de ultrasonido. 4.5 Relevamiento de la información

Al no disponer de un osciloscopio para graficar las diferentes mediciones, se optó por reemplazar todo el circuito desarrollado por el módulo antes mencionado HC-SR04, el cual

Hoja 10

facilitar la extracción de la información por medio de una comunicación serie con el computador; además filtra, rectifica, genera el detector de envolvente y todo el acondicionamiento de la señal, tanto del emisor como del receptor de ultrasonido. A través del software IDE Arduino, se desarrolló un programa completo para recopilar datos por medio del sensor de ultrasonido y comunicarlo de manera serie a 9600 baud. A continuación, se observa dicho código.

int eco= 13;int trig= 12;int vcc=11; float t=0.00, x=0.00,vel=0.00, temp=0.00,l=0.00; void setup() Serial.begin(9600); pinMode(eco, INPUT); pinMode(trig, OUTPUT); pinMode(vcc, OUTPUT); void loop() digitalWrite(vcc, HIGH); digitalWrite(trig, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig, HIGH);delayMicroseconds(8); digitalWrite(trig, LOW); t=(pulseIn(eco, HIGH)); l=(t/2.9/2.00); x=(t/12.700/2.00); vel=10000.00/x; temp=((((vel/331.5)*(vel/331.6))-1)*273); Serial.print ("Distancia: "); Serial.print(l); Serial.print(" mm"); Serial.print (" Tiempo: "); Serial.print(t); Serial.print(" mseg"); Serial.print(" velocidad: "); Serial.print(vel); Serial.print(" m/s"); Serial.print(" temp: "); Serial.print(temp);Serial.println(" C "); delay(10);

4.5.1 Funcionamiento del programa: Cada diez milisegundos se repetirá el lazo en el cual, primero se enviará un tren de pulsos de 10 microsegundos (dos micro en estado bajo y 8 en alto) para ser transmitidos por el pin declarado como trig (aludiendo a trigger), pin de entrada/salida 12 de la placa. Cuando el receptor del sensor reciba el eco, pondrá en estado alto la entrada denominada eco a través de la función “pulseIn” del repertorio de Arduino y devuelve en milisegundos el tiempo de vuelo desde que la señal es enviada por el terminal trig. Dicho tiempo es almacenado en la variable declarada“t”. Eco corresponde al pin 13 de la placa. Sabiendo que la distancia entre el sensor y la pared es fija y es de 12,7cm y obteniendo el tiempo que demora la onda en viajar desde el emisor hasta el receptor, podemos conocer la velocidad de la misma (C). Dicho resultado es guardado en la vairable auxiliar “x”, que luego es multiplicada por 10000 (para ajustar unidades) y es almacenada en la variable “vel”. Además, la velocidad está en función de la temperatura, como lo explesa la siguiente ecuación:

Hoja 11

= ∗ 1 + 273º!

(5)

Siendo Co la velocidad de la onda a 0ºC, que es igual a 331,6 m/seg. Despejando, obtenemos la temperatura del medio en el instante que se está tomando la medición, en vez de suponerla como constante, lo cual puede ser motivo para obtener resultados erróneos. Por medio del monitor serial propio del software utilizado, se expresan los valores obtenidos en el siguiente orden: de distancia en milímetros, tiempo de vuelo en milisegundos, luego la velocidad con la que viaja la onda en metros por segundo, y por último la temperatura estimada por el algoritmo en grados centígrados. 4.5.2 Desarrollo experimental: A raíz de la forma de estimación de la temperatura, los primeros resultados entregados no presentaban coherencia, por lo que se procedió a cambiar dicha variable por un sensor para tal fin. Este es el módulo DHT11, también de la línea Arduino, el cual nos entrega la temperatura y la humedad ambiente. El código fue modificado quedando de la siguiente manera: #include <SimpleDHT.h> int eco= 13;int trig= 12;int vcc=11; //ultrasonido int pinDHT11 = 2; //temperatura float t, x,vel,L; SimpleDHT11 dht11; void setup() Serial.begin(9600); pinMode(eco, INPUT); pinMode(trig, OUTPUT); pinMode(vcc, OUTPUT); void loop() digitalWrite(vcc, HIGH); digitalWrite(trig, LOW); delayMicroseconds(1); digitalWrite(trig, HIGH);delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig, LOW); t=(pulseIn(eco, HIGH)); L=(t/2.9/2.00); x=(t/12.700/2.00); vel=10000.00/x; byte temp = 0; byte hum = 0; if (dht11.read(pinDHT11, &temp, &hum, NULL)) return; Serial.print ("Distancia: "); Serial.print(L); Serial.print(" mm"); Serial.print (" Tiempo: "); Serial.print(t); Serial.print(" mseg"); Serial.print(" velocidad: "); Serial.print(vel); Serial.print(" m/s");

Hoja 12

Serial.print(" temp: "); Serial.print((float)temp);Serial.print(" C "); Serial.print((float)hum); Serial.println(" %"); delay(10); Los datos obtenidos por el sensor y procesados por la placa de desarrollo se transmiten a la computadora por medio del puerto USB. A partir de ello, se toman muestras con el monitor serial del software de Arduino, que se ven a continuación. Con los datos obtenidos se realizó los gráficos correspondientes a las variables en estudio en condiciones de “aire limpio”, y luego el mismo análisis contaminando el espacio con gas natural proveniente de una hornalla de un aparato de cocina de uso doméstico.

Figura 13. Realización práctica

Los primeros valores obtenidos fueron en condiciones controladas y de aire limpio (ver figuras 14 y 15). Los siguientes fueron tomados durante 180 segundos luego de ser abierta la llave del gas de forma intensional. Se puede observar a continuación las diferentes variables medidas y sus cantidades obtenidas en la pantalla del monitor serial. Las variables en estudio y los cambios que sufrieron cada una al cambiar el medio son:

Distancia: Debería ser fija y es información conocida. Al ser calculada en función de la velocidad y el tiempo, éstas son responsables de la variación de distancia medida

Tiempo de vuelo: en presencia del gas, presentó un cambio de 711mili segundos a 708 mili segundos.

Velocidad: se modificó levemente con el gas, pasando de 357,24 metros por segundo a 358,76 metros por segundo.

Temperatura: se mantuvo constante a 29 grados centígrados. Humedad: se mantuvo constante en un %27.

Con el siguiente código se intentó graficar en Matlab los resultados obtenidos, no pudiendo lograrlo por motivos que aún no se comprenden.

Hoja 13

Figura 14. Resultados obtenidos con aire.

Figura 15. Resultados obtenidos en presencia de gas.

close all; clc; muestras=100; y=zeros(1,1000); delete(instrfind('Port','COM2')); ps=serial('COM2');

Hoja 14

ps.BaudRate=9600; warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unseccessfulRead'); fopen(ps); conta=1; figure('Name', 'Comunicacion serie'); title('Serial'); xlabel('tiempo'); ylabel('metros/seg'); grid on; hold on; while conta<=muestras valor=fscanf(ps); y(conta)=(valor(1)); plot(conta, y(conta),'o-r'); hold on; refreshdata; drawnow conta=conta+1; end valor(1) fclose(ps); delete(ps); clear all;

5. Conclusiones Según los datos obtenido en el presente informe, se concluye que el gas natural de cocina no cambia significativamente la impedancia acústica del aire, por lo que el método de medir el enrarecimiento del aire con ultrasonido no es viable. Por lo tanto, se debe abordar otro tipo de estudio para detectar el gas natural en contraste con el aire. Sin embargo, al finalizar el trabajo se dio cuenta que la metodología a usar debería ser la de pulso-transmisión y no pulso-eco.

6. Referencias [1]-http://www.ayrful.com.ar/documentos/detector_de_fugas_ultrasonico.pdf

[2]- http://www.geocities.ws/raguma_006/descargas/rectificador_de_presicion.pdf [3]-http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso08-

09/ftc/temas/Tema_01F_AO_Rectificador.pdf [4]- Franco, Sergio. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. Mc Graw Hill. 2004. [5]- Documentos de la cátedra “Aplicaciones industriales de Ultrasonido”. [6]- http://www.adigas.com.ar/industria_medioambiente.php [7]- https://es.wikipedia.org/wiki/Gas_natural [8]- http://toyscaos.tripod.com/serial.html [9]- https://hackaday.io/project/5903/logs/sort/newest?page=2