CAPTULO II

CAPTULO 1MARCO TERICO 1.1 Cromatografa.

La cromatografa est definida como un conjunto de tcnicas basadas en el principio de la adsorcin cuyo objetivo es separar los distintos componentes de una mezcla pudiendo as identificarlos y conocer su composicin qumica.

Existe una gran variedad de tcnicas cromatogrficas, pero en todas hay una fase mvil (gas, lquido o fluido supercrtico) que arrastra a la muestra a travs de una fase estacionaria que se trata de un slido o un lquido fijado en un slido.

1.1.1 Clasificacin de la Cromatografa.

Segn la fase estacionaria utilizada, la cromatografa se encuentra dividida en:

Cromatografa plana

Cromatografa en papel

Cromatografa en capa fina

Cromatografa de lquidos. Cromatografa de gases. Cromatografa de fluidos supercrticos

El laboratorio de catlisis trabaja con la tcnica de cromatografa de gases, la cual es til para gases en general o para compuestos relativamente voltiles, los que

incluye a numerosos compuestos orgnicos. En esta tcnica la fase mvil es un gas y

la fase estacionaria es un slido o un lquido dependiendo del anlisis a realizar.

1.1.2 Cromatografa de gases

En esta tcnica cromatogrfica la muestra se volatiliza y se inyecta en la

cabeza de una columna cromatogrfica. La elucin se produce por el flujo de una fase mvil de gas inerte. A diferencia de los otros tipos de cromatografa, la fase mvil no interacciona con las molculas del analito (componente o elemento a analizar); su nica funcin es la de transportar el analito a travs de la columna.

1.1.3 Cromatgrafo de Gases.

Bsicamente el cromatgrafo de gases est constituido como se muestra en la figura 2.1:

Figura N 2.1 Cromatgrafo de gases.

La fuente de gas es proporcionada por una botella de gas de la que se suministra a la red de anlisis cromatogrfico, a continuacin un manmetro en conjunto con una vlvula regulan la presin del sistema. El gas ingresa a la columna donde se introducir la muestra a travs de un bloque termostatado de inyeccin de muestras. Una vez en la columna capilar, se debe de hacer una regulacin de temperatura llamada Rampa de Temperatura la cual por lo general es de 1 a 2 horas, hasta que todo el sistema se encuentre en equilibrio y dar inicio al anlisis.

El detector junto al registrador son ajustados a la mxima sensibilidad de acuerdo a la cantidad de sustancias presentes. De esta manera se hace posible que se describa una lnea horizontal que indique el comienzo del anlisis. A continuacin la muestra es inyectada por el sello de goma donde la muestra se evapora y llega a la columna separadora. La muestra es impulsada por la corriente del gas portador y permanece un tiempo determinado. Al final de la columna las substancias separadas llegan al detector donde se mide una caracterstica fsica o qumica de la sustancia, en este caso es una caracterstica fsica: conductividad trmica. Se convierte a un valor digital y es procesado por el ordenador graficndose un cromatograma para un anlisis detallado por el personal calificado.

Figura N 2.2 Diagrama de un cromatgrafo de gases

Otro diagrama del cromatgrafo de gases, se muestra en ms detalle en la figura 2.2, la columna que contiene la muestra se encuentra dentro del horno calefactor durante el anlisis cromatogrfico. Bsicamente se emplean dos tipos de columnas: las empaquetadas o de relleno y las tubulares abiertas o capilares.

Las columnas de capilar o columnas capilar son las de mayor uso debido a su mayor rapidez y eficiencia en el analisis. La longitud de estas columnas es variable,

de 2 a 50 metros, y estn construidas en acero inoxidable, vidrio, slice fundida o tefln. Debido a su longitud y a la necesidad de ser introducidas en el horno, las columnas suelen enrollarse en una forma helicolidal con dimetros de 10 a 30 cm, dependiendo del tamao del horno.

1.2 Termocupla

Una termocupla consiste en la unin de dos alambres de distinto material que al aplicar calor, en la unin de los metales se genera un voltaje muy pequeo, del orden de los milivoltios el cual aumenta o disminuye proporcionalmente con la temperatura (ver figura 2.1)

Figura N 2.3 Diagrama bsico de una termocupla.

La termocupla o tambin llamado termopar es capaz de convertir la energa calorfica en energa elctrica de acuerdo a descubrimientos hechos por los cientficos: Seebeck en 1821, en el efecto Peltier que provoca la liberacin o absorcin de calor en la unin de dos metales diferentes cuando una corriente circula

a travs de la unin y el efecto Thomson que consiste en la liberacin o absorcin de calor cuando una corriente atraviesa un metal homogneo.

1.2.1 Tipos de Termocuplas.

Existe gran variedad de termocuplas siendo grandes, completas y se pueden

conseguir termocuplas para una aplicacin especfica tanto en la industria como el campo cientfico. En este proyecto la temperatura es sensada a travs de la termocupla tipo K. Claro que existen ms tipos de termocuplas (J, T, S, R, etc.) de acuerdo a la composicin qumica de la unin.

Tabla N 2.1 Tipos de termocuplas usadas en la industria.

En la tabla 2.1 se muestran los distintos tipos, y de que material estn

formadas cada una de ellas.

Como se observa en el caso de la termocupla tipo K es la que tiene un mayor rango (-200C a +1000C) por lo tanto es escogida como sensor de temperatura.

1.2.2 Termocupla tipo K.

La termocupla K consta de alambres de Chromel (10% cromo y 90% nquel) y Alumel (2% aluminio, 90% nquel y el resto, silicio y manganeso) y se usa

tpicamente en fundicin y hornos a temperaturas menores de 1300 C, por ejemplo fundicin de cobre y hornos de tratamientos trmicos. [1]

1.2.2.1 Caractersticas.

Se recomienda en atmsferas oxidantes y solo en atmsferas reductoras y sulfurosas si el termopar est protegido con un tubo de proteccin.

Se recomienda en temperaturas de trabajo entre 150 y 500 C.

1.2.2.2 Aplicaciones.

Este tipo de termocupla puede ser usada en:

Fundicin de metales hasta 1300 C (no ferrosos). Hornos en general.

1.3 Compensacin de cero.

El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de

"compensacin de cero". Esto se debe a que en algn punto habr que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En ese punto se producirn dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente (Ta) en el punto del empalme. Por lo tanto existir un error de lectura sino se toma la previsin de compensar la unin.

Se puede utilizar hardware o software para realizar compensacin en la termocupla. En este proyecto la compensacin de cero se hace a travs del circuito integrado AD595 para la termocupla tipo K. El se encarga no solo de la compensacin de cero sino que a su vez amplifica el voltaje generado por la termocupla.

1.4 Acondicionamiento de seal.

El acondicionamiento es necesario para poder transmitir de manera adecuada, con el mnimo de errores la informacin generada por el sensor de temperatura. Para el acondicionamiento en primer trmino se debe tomar el voltaje diferencial proveniente del sensor de temperatura y trasformarlo a un voltaje unipolar para que pueda ser amplificado y llevador al microcontrolador para su debido procesamiento.

1.5 Acondicionador Circuito Integrado AD595

El circuito integrado AD595 mostrado en la fig. 2.4 es utilizado para la compensacin de cero o compensacin de unin fra producida en las termocuplas tipo K y a su vez como un amplificador para el voltaje generado por las mismas. El AD595 AD de la compaa: Analog Devices combina una referencia con un amplificador precalibrado interno, para producir un alto nivel de exactitud (10 mV/C), dicha referencia la toma de la temperatura a la que l se encuentre (temperatura ambiente). Tambin incluye una alarma en caso de que la termocupla se dae o sea desconectada del circuito acondicionador.

Figura 2.5 Diagrama internos del AD594/AD595

La termocupla se conecta a los pines 1 y 14. Este es un amplificador que usa la temperatura ambiente como su referencia. El circuito de compensacin desarrolla

un voltaje igual a la deficiencia que se da en la temperatura local de la termocupla referenciada. Este voltaje se aplica entonces a un segundo preamplificador cuyo voltaje se suma con el voltaje del amplificador de la entrada. El voltaje resultante se aplica entonces a la entrada de un amplificador de voltaje. A travs del camino de compensacin, el amplificador principal mantiene un equilibrio en sus entradas. En caso de que la termocupla est abierta o desconectada, estas entradas se desequilibran, la falta se detecta, y el circuito de deteccin de carga excesiva maneja un transistor n-p-n actualmente limitado que puede unirse como una alarma o led

indicador.

En la pgina web oficial de Analog Devices: www.analog.com se encuentra

con mayor detalle el integrado, y donde se presentan herramientas de desarrollo como la siguiente:

Figura N 2.6 Herramienta de simulacin del AD595

En colaboracin con LabView, Analog Devices hace posible una simulacin

en detalle del integrado y que facilita los clculos de diseo del circuito acondicionador. Esta herramienta es esencial para obtener un mayor detalle de los niveles de voltaje a la salida del integrado con una temperatura de entrada dada.

Para este ejemplo se observa:

Temp: 200 C y la alimentacin del chip: +Vs=15V y Vs:-15V

Con estos valores el chip tendr a su salida (pines 8 y 9) un voltaje de: Vo= 2.01536 Volts

La ecuacin exacta que relaciona Voltaje de salida en funcin el voltaje obtenido en el termopar tipo K, es encontrada en la datasheet del AD595:

Como el integrado tiene una resolucin de 10mV/C se tiene una ecuacin de Voltaje vs Temperatura aproximada:

CmVxCTempmVVout

1010)()( 3= Ec. 2.1

La conexin de la termocupla debe tener la polaridad que indica el integrado con los pines (+IN) e (-IN). Siendo en este caso la termocupla tipo K el cable rojo (negativo) y el cable amarillo (positivo).

1.6 Convertidor Anlogo/Digital

La conversin analgica/digital consiste en llevar el voltaje generado por el circuito acondicionador (valor analgico) a un cdigo binario que es el lenguaje q maneja el controlador (valor digital) propiamente dicho el ATMEGA16. Entre las caractersticas ms importantes del sistema desarrollado est la de muestrear la seal analgica y almacenarla para su posterior anlisis o mostrar las formas de onda directamente en la pantalla de un computador. El convertidor anlogo/digital (ADC) posee lo siguiente:

Caractersticas generales

- Resolucin de 10 bits.

- Precisin de 2 bits menos significativos.

- Tiempo de conversin de 65 a 260s.

- Resolucin mxima de hasta 15 kSPS (15000 muestras por segundo).

- Ocho canales de entrada multiplexados.

- Siete canales de entrada diferenciales.

- Rango de voltaje de entrada de 0 Vcc. - Servicio de interrupcin al completarse la conversin.

1.7 Microcontrolador (ATMEGA16)

Un microcontrolador es un dispositivo electrnico capaz de llevar a cabo procesos lgicos. Estos procesos o acciones son programados por el usuario, y son

introducidos en este a travs de un programador por una interfaz especfica. En el presente proyecto se utiliz como microcontrolador el ATMEGA16 de la casa ATMEL, el cual opera datos de 8 bits con memoria Flash de 16Kb (memoria del programa), 512bytes de Eeprom, 1Kb de SRAM y bajo consumo basado en la arquitectura RISC.

1.8 Pantalla LCD (LCM1602A)

La pantalla LCD (Liquid Crystal Display) representa un medio grfico a travs del cual se puede conocer el estado o secuencias de un proceso determinado. En la tabla N 2.2 se muestra el nombre y la funcin de los pines de la pantalla LCD en general.

Figura N 2.7 Pantalla LCD Modelo LCM1602A

Tabla N 2.2 Pines de conexin de la pantalla LCD.

Terminal Smbolo Nombre y Funcin 1 Vss Tierra, 0 voltios 2 Vdd Alimentacin + 5 voltios 3 Vo Ajuste de voltaje / contraste4 RS Seleccin de control / dato 5 R/W Lectura / escritura en LCD 6 E Habilitacin 7 D0 Bit Dato 208 D1 Bit Dato 219 D2 Bit Dato 2210 D3 Bit Dato 2311 D4 Bit Dato 2412 D5 Bit Dato 2513 D6 Bit Dato 2614 D7 Bit Dato 2715 A nodo de Back Light 16 K Ctodo de Back Light

La pntalla LCD utilizada en el controlador de temperatura es el modelo: LCM1602A mostrada en la fig. 2.7 la cual posee 2 filas x 16 columnas, y se pueden imprimir caracteres alfanumricos con la adecuada programacin en el controlador.

Es un dispositivo de salida o de indicacin y es til en cualquier instrumento de medicin y control.

1.9 Triac

Los triacs son dispositivos semiconductores electrnicos del tipo tiristor, aptos para operaciones de conmutacin en circuitos de potencias medias o elevadas. Los triacs poseen tres terminales, el terminal principal 1 o MT1 (A1), el terminal principal 2 o MT2 (A2), y la compuerta o Gate (G). Su simbologa y la forma de un encapsulado en general se muestra en la siguiente fig. 2.8.

Figura N 2.8 Smbolo y encapsulado del Triac

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposicin que formaran dos SCR en antiparalelo, para su activacin se le debe aplicar una corriente a la compuerta (G). Esa corriente viene en forma de pulsos y debe existir un circuito que genere los mismos. En el proyecto los pulsos son generados por software o programacin, donde se tiene regencia a la seal alterna (deteccin de cruce por cero), para conocer el instante de activacin o tambin llamado ngulo de disparo (alfa) del triac.

1.10 El optoacoplador

Tambin se denomina optoaislador o dispositivo de acoplamiento ptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiacin luminosa para pasar seales de un circuito a otro sin conexin elctrica.

Se selecciona un dispositivo optoacoplador para garantizar la separacin de la parte digital de la anloga o la parte analgica con la etapa de potencia, a fin de brindar un aislamiento total de los circuitos y evitar daos a la etapa del microcontrolador.

La figura 2.9 muestra el funcionamiento de un optoacoplador; al cerrarse el interruptor S1, circulara una corriente por la resistencia R1 y a su vez por el LED, si esta corriente es lo suficientemente alta, har que el diodo emita un haz de lus y se

active el optotransistor generando una corriente en R2. De esta manera la salida se vera cero con S1 cerrado y V2 si S1 permanece abierto.

Figura N 2.9 Circuito esquematico de un Optoacoplador

Existe una gran variedad de optoacopladores segn la salida o carga a conmutar, entre el los ms importantes estn: el optotransistor, optotriac, y el

optotriac de cruce por cero. En este ltimo, su etapa de salida es un triac de cruce por

cero, que posee un circuito interno que conmuta al triac slo en los cruce por cero de la fuente AC.

1.11 Optoacoplador (MOC3011) Este circuito integrado esta diseado para hacer la correcta conmutacin del

triac que se conectara a su salida, es un optoacoplador con un triac interno y que se activa al suministrarle la corriente necesaria al led emisor.

Figura N 2.10 Diagrama esquemtico del MOC3011

En este proyecto el control de la carga resistiva (resistencia trmica del horno) se llevara a con una configuracin especial del MOC3011:

Figura N 2.11 Diagrama electrnico del circuito de potencia.

Dicha configuracin viene especificada con ms detalle en el datasheet del dispositivo y es la aconsejada por el fabricante del chip para cargas resistivas puras y alimentadas con una seal AC de 120 Volts rms, a 60 Hz. Notese a la salida del

MOC3011 se encuentra ubicado el triac de potencia quien realiza la conmutacin y por ende variar el valor rms de la carga RL.

1.12 Controlador PID

Estos controladores han mostrado ser robustos y extremadamente beneficiosos en el control de muchas aplicaciones de importancia en la industria. PID significa

proporcional Integral Derivativo. Considerando el lazo bsico de control una entrada una salida (SISO por sus siglas en ingls) de la figura 2.12, se puede establecer diferentes formas estndar para los controladores.

Figura 2.12 Diagrama de bloques de un sistema de control bsico.

1.12.1 Formas estndar de los controladores PID.

Las formas estndar de controladores y sus respectivas ecuaciones PID son:

Proporcional:

KpsKp =)( Ec. 2.2

Proporcional e Integral:

+=sT

KpsKr

PI11)( Ec. 2.3

Proporcional y Derivativo:

++=

11)(

s

sTKsK

d

dpPD

Ec. 2.4

Proporcional, integral y derivativo:

+++=

111)(

s

sTsT

KpsKd

d

r

PID Ec. 2.5

Para que un controlador en general pueda mantener el Valor Deseado por el usuario y ajustarse a sus necesidades, es necesario la entonacin adecuada del PID, existen muchos algoritmos de entonacin y de los que se obtiene valores exactos para los parmetros Kp, Ti, Td del controlador, en este proyecto se utilizo un mtodo prctico para dicha entonacin.

1.12.2 Entonacin practica de controladores PID

La determinacin de los valores correctos de Kp, Td, Ti hacen posible el mejor control para el horno que se conecte al equipo controlador. Para esto se hace los siguientes pasos una vez que se este corriendo el proceso:

- Ajstese Kp a un valor cercano a la unidad: (0.5 - 1). - El valor de Td se inicializa en cero, y el Ti en un valor muy alto (Ti=650). - En este caso el controlador solo quedara como Controlador Proporcional. - Seguidamente se ira aumentado Kp para un setpoint fijo y se observa cual es el mximo valor que obtiene Kp cuando el sistema oscile. - Luego de ello se empezara a aumentar Td esto con el fin de agilizar el tiempo de estabilizacin. - Por ultimo para eliminar el error de offset provocado por la misma accin derivativa, se disminuye el Ti hasta tener una curva ptima de acuerdo con el setpoint dado.

1.13 Programacin

Para la programacin de los algoritmos de control y manejo del LCD entre otros, se utiliz el compilador WinAVR conjuntamente con el AVRStudio proporcionados por la compaa ATMEL gratutitamente en su pagina web. En cuanto a la transferencia de estos programas al microcontrolador (archivo hexadecimal) se utiliz el programador denominado Ponyprog 2000 del cual fue configurado con la interfaz Paralela o LPT1.

La aplicacin que maneja la data sensada (temperatura) por el microcontrolador y realiza la presentacin grafica USUARIO-PC es el conocido programa LabVIEW.

1.14 El puerto serial del PC.

El puerto serial del PC utiliza el protocolo de comunicaciones RS-232, el cual funciona intercambiando informacin a travs de un bus serial binario. Dicho protocolo utiliza voltajes de +/- 15V, para evitar la perdida de informacin debido a las interferencias producidas por el medio.

1.15 La interfaz de comunicacin serial.

Dado que la comunicacin serial utiliza niveles lgicos comprendidos entre +15V y -15V, y los microcontroladores utilizan niveles lgicos de +5V y 0V, existe la necesidad de utilizar un dispositivo que realice la conversin del voltaje de los niveles lgicos utilizando slo la entrada de +5V que recibe el microcontrolador. Para realizar esta funcin se utiliz el circuito integrado MAX232.

1.16 Programacin del ATMEGA16

1.16.1 WinAVR y AVRStudio 4

Es el compilador de lenguaje C para microcontroladores ATMEL, este contiene las libreras bsicas de programacin y un entorno que hace grata la programacin, fue descargado a travs de la pgina http://www.avr-freaks.com. Con este software se programa el microcontrolador y se genera el archivo .HEX.

Figura N 2.13 Software de programacin AVR Studio 4

1.16.2 Ponyprog2000

Es un software para la grabacin de los programas en el microcontrolador. En este software se puede leer, escribir y borrar el archivo hexadecimal generado por el programa anterior. Este software fue descargado de la pgina http://www.lancos.com.

En el proyecto est configurado por el puerto paralelo del PC.

Figura 2.14 PonyPro2000 Software de grabado del programa cdigo al ATMEGA16

1.17 Hardware de programacin

Un programador diseado especficamente para el ATMEGA16 es el que se muestra en la figura 2.15. Este programador se encuentra en el LICA (Laboratorio de Instrumentacin control y automatizacin) de la UNET y esta a disposicin con el circuito impreso y hasta incluso un pequeo manual de cmo utilizar la configuracin de los interruptores.

Figura N 2.15 Circuito programador del ATMEGA16.

El puerto paralelo LPT o puerto Centronix se utiliza como puerto de la

programacin, y por el puerto serial RS-232, el ATMEGA16 se hace la transmisin de la data recogida a travs de sus puertos o viceversa una data de entrada al microcontrolador que recibe del computador.

Simuladores Electrnicos

PCB Wizard

Este simulador es muy til para la elaboracin de los circuitos impresos debido a la potente flexibilidad y donde se encuentran la mayora de encapsulados y circuitos PCB. New Wave Concepts es la compaa que disea este software y junto con el programa LimeWire son actualmente simuladores muy empleados tanto por estudiantes como profesionales de la electrnica.

Fig. 2.16 Simulador electrnico PCB Wizard v. 3.5