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Control De Humedad Ambiente Generada Por Ultrasonidos
Martinez Daniel
Rojas Luis
Quispe Dina
Aplicaciones Industriales del Ultrasonido
Facultad De Ingeniería. Universidad Nacional de San Juan
Av. Lib. San Martín (Oeste) 1109, CPA: J5400ARL - San Juan - Argentina,
+54 264 4211700,
Resumen Se presenta el estudio, desarrollo e implementación de un sistema en tiempo real para el
control de humedad relativa de ambientes cerrados, generada por un transductor
(dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía
de entrada, en otra diferente a la salida) ultrasónico. El ambiente a controlar puede ser
cualquier recinto cerrado como por ejemplo: cámaras de conservación de alimentos,
invernaderos, incubadoras (No para uso humano, huevos de gallina por ej.), museos,
casas, oficinas, etc.
Los dispositivos ultrasónicos producen una nebulización (formación de partículas muy
pequeñas que permanecen mezcladas en suspensión con el gas) del agua a través de
vibraciones de alta frecuencia, son extremadamente seguros, silenciosos, de flujo
regulable y de muy bajo consumo. Un uso típico es la restauración de la humedad
relativa durante largos periodos de tiempo.
En este trabajo se desarrolla un dispositivo automático compuesto por un sensor de
humedad relativa en contacto con el ambiente a controlar y un transductor de
ultrasonido en contacto con agua operando a una frecuencia de 1,7 MHz para producir
la neblina necesaria para alcanzar los valores de humedad requeridos. Un oscilador
electrónico de potencia que excita el transductor, un microcontrolador para el
procesamiento de datos y control, y un display LCD que presenta el resultado de la
medición actual y los parámetros que se pretenden alcanzar en el sistema. En función de
la humedad programada y de la real, el controlador genera la acción de control
inyectando o no niebla.
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1. Introducción En invierno, el frío y las calefacciones, hacen que se noten los efectos de la escasez de
humedad en el ambiente: electricidad estática, irritaciones en las vías respiratorias y la
piel, sequedad en los ojos, labios agrietados, etc… Afortunadamente esto se puede
solucionar fácilmente con un humidificador, que ayuda a recuperar los niveles
adecuados de humedad en casa.
Pero antes de entrar en materia, conoceremos los humificadores a fondo y
descubriremos los diferentes tipos y por qué es importante mantener el grado de
humedad en un intervalo óptimo.
¿Por qué interesa controlar la humedad del aire de casa? La humedad es la cantidad de agua que contiene el aire en forma de vapor de
agua. Normalmente el dato que conocemos es el de humedad relativa, que es la relación
entre la cantidad de vapor de agua que contiene una masa de aire y la que tendría si
estuviera completamente saturada. A partir del nivel de saturación, que sería una
humedad relativa del 100%, el agua se condensa y empieza a llover. Al ducharnos, por
ejemplo, estamos aumentando la humedad relativa del baño.
Para que un ambiente resulte agradable, lo ideal es que la humedad relativa no sea
menor del 40% ni superior al 60%. Una humedad relativa superior al 60% genera las
condiciones ideales para el cultivo de mohos y bacterias, hace que notemos más el frío,
mientras que una humedad relativa por debajo del 40% puede provocar sequedad en las
vías respiratorias (agravando bronquitis o asma) y en los ojos, así como también
calambres, debidos a la electricidad estática.
Lo primero, pues, es conocer la humedad que hay presente en el hogar y luego actuar en
consecuencia, por medio de un sistema de control automático de humedad.
Humidificadores
El humidificador es un aparato de pequeño tamaño que se utiliza para aportar humedad
al aire. Existen tres tipos de humidificadores:
• Humidificadores de vapor caliente: funcionan calentando el agua del depósito hasta
cerca del punto de ebullición para producir vapor de agua. Al calentar el agua,
mantienen un ambiente limpio eliminando gérmenes de manera natural.
• Humidificadores de vapor frío evaporativos: utilizan un filtro de mecha húmeda a
través del cual hacen pasar el aire para humidificarlo.
• Humidificadores de vapor frío ultrasónicos: estos humidificadores emplean
vibraciones de muy alta frecuencia para producir una vaporización muy fina. Además,
al emitir vapor a temperatura ambiente, no calientan la estancia, perfectos para usarlos
también en verano en climas secos. Son los más eficaces y seguros, en ningún momento
el agua llega a hervir y por lo tanto no hay riesgo de quemaduras. Su principal
inconveniente es que pueden desarrollarse más bacterias y microorganismos porque el
agua no hierve. Algunos modelos de vapor frío incluyen ionizador1 evitando la
proliferación de bacterias.
1 Herramienta usada para eliminar la electricidad estática. Neutralizan las cargas estáticas soplando aire
ionizado sobre la superficie cargada. Las cargas estáticas son responsables por la atracción de
contaminantes (polvo, suciedad).
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2. Diseño del prototipo La idea principal es la de sensar la humedad relativa a un ambiente cerrado a escala
(0,38 m x 0,26 m x 0,25 m) y compararlo con un valor de referencia a través de un
microcontrolador que toma los datos del sensor y dependiendo de esto, inyectar o no
niebla (humedad). Los valores de referencia son un conjunto de rangos elegidos al
pulsar un botón. El display muestra la humedad real sensada y el rango de operación
elegido.
La niebla es generada a través de un piezoeléctrico en contacto con el agua el cual es
excitado por el circuito oscilador de potencia.
Figura 1: Modelo Esquemático del Sistema
Referencias de la figura 1: (1) Planta: Ambiente cerrado a escala.
(2) Sensor de Humedad modelo DHT111.
(3) Generador de niebla
(4) Cooler para generar la ventilación forzada.
(5) Transductor ultrasónico modelo AW16Y25120D2L15J32
(6) Microcontrolador Atmel Mega 328p (Arduino Uno)3.
(7) Circuito electrónico oscilador de potencia.
(8) Pantalla LCD 16x2 modelo LCD-016M002B4.
(9) Pulsador Normal Abierto.
2.1 Diseño del circuito oscilador de potencia
Hoja de datos en Referencias
1 2 3 4
4
En base al transductor utilizado cuyo rango de operación de frecuencia es de 1,7 Mhz se
investigó y se eligió el circuito oscilador de potencia siguiente:
Figura 2: Circuito oscilador de potencia
El circuito oscilador de potencia se alimenta con una tensión continua de 40v que se
obtiene a partir de la red de 220 v a través de un puente rectificador de onda completa
con su filtrado correspondiente y led indicador de funcionamiento.
En condiciones iniciales el transistor MJE13007G5 se encuentra saturado a través de la
tensión fija en su base por medio de R5, además C4 se encuentra “abierto” debido a que
la tensión en el colector aún es continua no circulando corriente por el piezoeléctrico.
Esto permite una circulación de corriente entre colector-emisor provocando en un breve
instante de tiempo (50 us aprox.) una auto oscilación en el circuito tanque R4L2C3 a
través de L3 y al llegar a la frecuencia de resonancia al que fue sintonizado entra en alta
impedancia. La sintonía del circuito RLC se calcula a partir de la siguiente fórmula:
De la cual despejamos L:
Para f0=1,7 Mhz y fijando C en 470 pF se encuentra el valor de L:
5 Hoja de datos en Referencias
5
Al estar ahora el circuito RLC en resonancia y por ende en alta impedancia la corriente
se deriva por R5 y por el transductor, y al ser una señal alterna C4 permite el paso de
corriente al colector del transistor. C5 se carga y descarga a la frecuencia del transductor
debido a la realimentación de este, inyectando corriente a la base del transistor.
Se realizó la simulación respectiva utilizando el programa Multisim 12 para verificar el
comportamiento del circuito.
Figura 3: Esquema para obtener la respuesta del oscilador
Figura 4: Respuesta en estado estacionario
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Como se puede apreciar en la Figura 4, se observa que el período de la señal es de 587
ns de modo tal que su f0 (frecuencia de resonancia) es de 1.7 Mhz que coincide con la
frecuencia de resonancia del piezoeléctrico.
2.2 Diseño del generador de niebla
2.2.1 Generador de ultrasonidos
La idea básica para generar ultrasonidos es bastante simple. Como vemos en la Figura 5
los generadores o transductores son unos aparatos que constan de un elemento,
llamémosle primario o transformador, que está en contacto con el medio y que
transforma una señal eléctrica, magnética o mecánica en una onda ultrasónica. La señal
"fácil" de generar (eléctrica, magnética, mecánica), es proporcionada por el elemento
secundario.
Figura 5: Generador ultrasónico.
En la primera etapa convierte las ondas eléctricas en energía mecánica, y en la segunda
convierte la energía mecánica en energía acústica.
Las ondas producidas, hacen vibrar el medio, lo cual es coherente con el concepto de
onda sonora (onda de presión). Los generadores se diseñan con el objetivo de radiar la
mayor cantidad de potencia acústica posible: se usará la frecuencia de resonancia.
2.2.2 Generadores ultrasónicos que utilizan campos eléctricos Las señales eléctricas son sencillas de conseguir. ¿Cómo se transforman en ondas
sonoras?
La idea es acudir al llamado efecto piezoeléctrico inverso. En el efecto directo, la
piezoelectricidad es un fenómeno que consiste en la aparición de cargas eléctricas en las
caras de determinados cristales cuando se ejerce sobre ellos una presión o tracción
mecánica. Varios son los cristales que poseen esta propiedad; entre ellos podemos
destacar el cuarzo, la turmalina o la sal de Rochelle. Tal como se muestra en la Figura 6
todos estos cristales se caracterizan por tener ciertos ejes fundamentales: óptico,
eléctrico y mecánico, careciendo todos ellos de centro de simetría.
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Figura 6: Cristal de cuarzo
Existe una relación directa entre el esfuerzo mecánico ejercido y la carga aparecida,
apareciendo un valor máximo cuando el cristal es cortado perpendicularmente al eje
polar. Según las dimensiones y forma de un cristal poseedor de este efecto, existe una
llamada frecuencia de resonancia, que es aquella para la cual un esfuerzo mecánico
provoca la mayor aparición de cargas posible (en picos de amplitud). Los esfuerzos
mecánicos que se aplican sobre el cristal pueden ser de tracción o de compresión; la
diferencia entre los efectos de ambos está en el signo de la carga aparecida únicamente.
Si se aplica un campo eléctrico sobre un material piezoeléctrico, hablamos pues del
efecto piezoeléctrico inverso, que es el que verdaderamente se utiliza en la práctica para
la generación de ondas ultrasónicas.
Quizá el efecto físico más importante es la denominada cavitación1. Este fenómeno se
produce en los líquidos y su causa no es únicamente el ultrasonido. La idea es que la
onda, si tiene amplitudes grandes, provoca variaciones de presión. Todo líquido tiene un
punto llamado tensión de vapor; cuando nos situamos por debajo de dicho valor de
presión, el líquido pasa a estado gaseoso, lo que genera bolsas de vapor (cavidades). Las
burbujas viajan hacia una región de mayor presión y chocan entre sí. Cuando esto
ocurre, la presión aumenta muchísimo, llegando incluso a los 800 Mpa (mega pascales)
y también la temperatura (5000ºC). Como podemos imaginar, esto es algo
tremendamente peligroso puesto que puede destruir superficies de contención, tuberías
y demás. La cavitación depende de muchos aspectos:
Frecuencia: A mayores frecuencias, el tiempo dado a la burbuja para que crezca y
afecte al sistema es pequeño, por lo que el efecto de la cavitación es menor.
Viscosidad: Cuanto más viscoso es un líquido, menor es el efecto de la cavitación.
Temperatura: Cuanto mayor es la temperatura, la cavitación tiene lugar para
intensidades acústicas menores.
Presión externa: El aumento de este factor provoca una mayor violencia en la colisión
de las burbujas.
Intensidad: En general, a mayor intensidad ultrasónica, mayor es el efecto de este
fenómeno.
1 Formación de cavidades llenas de vapor o de gas en el seno de un líquido en movimiento.
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Puede ocurrir como en nuestro generador, que cuando una onda ultrasónica intensa
incida sobre una superficie de separación entre un líquido y el aire se lance hacia arriba
un chorro de líquido y se produce una fina niebla (nebulización).
2.2.3 Generador de niebla
En esta pieza fundamental del sistema donde se genera la niebla se optó para su
implementación un tubo de PVC de 110 mm de diámetro y 40 cm de longitud con sus
respectivas tapas en los extremos, donde una de las tapas sirve de base y donde se
encuentra alojado el transductor, y la otra se perforó para absorber el aire exterior a
través de un ventilador dispuesto en su interior. El ventilador a la vez empuja la niebla
hacia el recinto a través de un tubo corrugado que se encuentra ubicado a la mitad del
tubo de PVC por medio de una perforación en el mismo.
En particular, el transductor piezoeléctrico (Figura 7) es un disco con un radio de
aproximadamente 15mm. El ensamble del transductor es uno de los aspectos críticos
para garantizar la eficiencia y directividad de la radiación ultrasónica, y preservar la
nebulización del líquido contenido. El valor de la frecuencia para hacer nebulizar el
agua es de 1,7 MHz.
Figura 8: Transductor ultrasónico
2.3 Diseño del sistema de control
En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de
actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de realimentación
(que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus
derivadas y/o integrales) a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor
conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de
control realimentando para reducir el error del sistema como se observa en la Figura 8.
Figura 9: Sistema de control de lazo cerrado
El sistema contiene una tarjeta de adquisición (Arduino Uno) la cual nos proporcionará
el control de nuestro sistema, el mismo se basa principalmente en la detección de datos
9
de humedad provenientes del sensor alojado en el recinto. Para nuestro caso los valores
de referencia serán distintos rangos de operación (elegidos a través de un pulsador)
comprendidos entre:
Rango 1: [40 – 50] %
Rango 2: [50 – 60] %
Rango 3: [60 – 70] %
Rango 4: [70 – 80] %
Rango 5: [80 – 90] %
Dependiendo de los valores detectados por el sensor, la tarjeta de adquisición de datos
determinará si el sistema generador de niebla necesita estar encendido o apagado. Para
alcanzar un rango determinado, la humedad relativa del ambiente debe crecer
gradualmente debido a que el sistema tiene una respuesta lenta, para ello el sistema de
control se programó para encender el generador de niebla durante un tiempo
determinado (3 seg.), seguido de un tiempo apagado (30 seg.) hasta conseguir los
valores deseados. Esto puede resumirse en el diagrama de flujo de la Figura 9:
Figura 10: Encendido y apagado del dispositivo
10
2.4 Esquema e imágenes del sistema En la Figura 10 se puede observar el esquema del circuito electrónico completo:
1-Fuente
2-Oscilador
3-Sensor de humedad
4-Microcontrolador14
5-Display y pulsador selector de rango de humedad
El prototipo realizado se puede apreciar en las fotografías de la Figura 11 y Figura 12, el
cual consta de la planta, el generador de niebla y el circuito electrónico. Mientras que
las Figura 13 y Figura 14 reflejan el dispositivo en funcionamiento, display y generador
de niebla respectivamente.
Figura 11: Circuito esquemático completo
Se adjunta software en Referencias
14
11
Figura 12: Planta y sistema electrónico
Figura 13: Sistema electrónico
12
Figura 14: Visor de parámetros
Figura 15: Dispositivo funcionando
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3. Conclusiones El proyecto desarrollado, tiene como fin primordial, aplicar los conocimientos de
Ingeniería adquiridos en el cursado de la materia. Si bien este prototipo tiene diversas
aplicaciones (cámaras de conservación de alimentos, invernaderos, incubadoras (No
para uso humano), museos, casas, oficinas, etc.), se hizo enfoque en una de ellas donde
se logre una mejora en la calidad de vida de las personas, en nuestro caso control de
humedad de hogares, oficinas, etc.
El uso de esta tecnología para la aplicación vista es el más eficiente y seguro comparado
con otros métodos. Si bien el circuito oscilador de potencia fue diseñado de forma tal
que su etapa de potencia incluya al oscilador, esto se podría mejorar diseñando las
etapas por separado, una de oscilación y otra de potencia, permitiendo aún más
eficiencia energética del sistema.
El principal inconveniente que se presentó durante la implementación fue lograr el
ajuste fino de sintonía del circuito oscilador de potencia a la frecuencia de resonancia
del transductor, para ello se dejaron fijos unos parámetros y se variaron otros hasta
conseguir la sintonía requerida.
Un aspecto positivo es el bajo costo de sus componentes y la facilidad de encontrarlos
en el mercado.
Referencias 1- Hoja de datos sensor de humedad modelo DHT11:
http://www.micropik.com/PDF/dht11.pdf
2- Hoja de datos de piezoeléctrico modelo AW16Y25120D2L15J3:
http://www.quartz1.com/price/PIC/226N0060000.pdf
3- Página oficial de Arduino: https://www.arduino.cc/
4- Hoja de datos de pantalla lcd modelo LCD-016M002B:
http://www.vishay.com/docs/37217/016m002b.pdf
5- Hoja de datos transistor MJE13007:
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MJE13007-D.PDF
6- Robert L.Boylestad, Louis Nashelsky. “Electrónica: teoría de circuitos y
dispositivos electrónicos”, 10ª Edición. 2009.
7- Luis Enrique, Avendaño. “Sistemas electrónicos analógicos, un enfoque
matricial”. 2006.
8- Gustavo A. Ruiz Robredo. “Electrónica Básica para Ingenieros” 1ª Edición: Junio-
2001.
9- http://electronicayciencia.blogspot.com.ar/2011/05/el-circuito-rlc-serie-
oscilaciones.html
10- http://www.mediatrends.es/a/21201/humidificador-deshumidificador-diferencias/
11- http://www.equiposylaboratorios.com/sitio/contenidos_mo.php?it=4703
12- https://es.wikipedia.org/wiki/Nebulización
13- https://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_03_04/infra_y_ult
ra/generadores_ultrasonidos.htm
14- Software: #include <MsTimer2.h>
#include <LiquidCrystal.h>
#include <DHT11.h>
#define DHT11PIN 8
dht11 DHT11;
LiquidCrystal lcd(0, 1, 2, 3, 4, 5);
14
char* sethum[]={"40-50", "50-60", "60-70","70-80", "80-90"};
int h,chk,cuenta=0, band=1, seg=0, bandseg=0;
const int boton= 7;
const int tiempoAntirebote =10;
int estadoBoton;
int estadoBotonAnterior;
void flash() {
if((seg==30)||(seg==60))
band=1;
seg++;
if(seg==60){
seg=0;
}
}
void setup() {
lcd.begin(16, 2);
pinMode(13, OUTPUT);
MsTimer2::set(1000, flash); // 500ms period
MsTimer2::start();
pinMode(boton,INPUT); //declaramos el boton como entrada
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Humedad %=");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Set.Hum.%=");
}
/*Función antirebote*/
boolean antirebote (int pin ) {
int contador =0;
boolean estado; // guarda el estado del boton
boolean estadoAnterior; // guarda el ultimo estado del boton
do {
estado = digitalRead (pin);
if (estado != estadoAnterior ){ // comparamos el estado actual
contador = 0; // reiniciamos el contador
estadoAnterior = estado;
}
else{
contador = contador +1; // aumentamos el contador en 1
}
delay (1);
}
while (contador < tiempoAntirebote);
return estado;
}
void loop() {
//******************** Muestra depende del Timer ***************************************
if(band==1){
chk = DHT11.read(DHT11PIN);
h=DHT11.humidity;
lcd.setCursor(11,0);
lcd.print(h);
band=0;
}
//**************************************************************************************
//****************************** Antirebote ********************************************
estadoBoton =digitalRead (boton); //leemos el estado del boton
lcd.setCursor(11,1);
lcd.print(sethum[cuenta]);
15
if (estadoBoton != estadoBotonAnterior) { //si hay cambio con respeto al estado
if (antirebote (boton)){ //checamos si esta preionado y si lo
esta
cuenta++; //aumentamos la cuenta
if(cuenta==5){
cuenta=0;
}
}
}
estadoBotonAnterior = estadoBoton; // guardamos el estado del boton
//**************************************************************************************
//**************************************** Control *************************************
if((h<40)&&(cuenta==0)){
if((seg>=0)&&(seg<=3)){
digitalWrite(13, HIGH);
}
if((seg>3)&&(seg<60)){
digitalWrite(13, LOW);
}
}
if((h>=40)&&(cuenta==0)){
digitalWrite(13, LOW);
}
if((h<50)&&(cuenta==1)){
if((seg>=0)&&(seg<=3)){
digitalWrite(13, HIGH);
}
if((seg>3)&&(seg<60)){
digitalWrite(13, LOW);
}
}
if((h>=50)&&(cuenta==1)){
digitalWrite(13, LOW);
}
if((h<60)&&(cuenta==2)){
if((seg>=0)&&(seg<=3)){
digitalWrite(13, HIGH);
}
if((seg>3)&&(seg<60)){
digitalWrite(13, LOW);
}
}
if((h>=60)&&(cuenta==2)){
digitalWrite(13, LOW);
}
if((h<70)&&(cuenta==3)){
if((seg>=0)&&(seg<=3)){
digitalWrite(13, HIGH);
}
if((seg>3)&&(seg<60)){
digitalWrite(13, LOW);
}
}
if((h>=70)&&(cuenta==3)){
digitalWrite(13, LOW);
//seg=0;
}
if((h<80)&&(cuenta==4)){
if((seg>=0)&&(seg<=3)){
digitalWrite(13, HIGH);
16
}
if((seg>3)&&(seg<60)){
digitalWrite(13, LOW);
}
}
if((h>=80)&&(cuenta==4)){
digitalWrite(13, LOW);
}
//**************************************************************************************
}