Jonathan Garca Daz.

Ingeniera Electrnica.

Universidad Tecnolgica de Pereira.

Pereira, Colombia.

Director de Tesis: Msc Jimmy Alexander Cortes.

I. INTRODUCCIN

El problema de los residuos domiciliarios, que en otros pasesha sido afrontado desde varios aos atrs, apenas empieza aser una "novedosa" preocupacin en las ltimas dos dcadasen Colombia. La ciudad de Pereira genera un promedioaproximado de 1800 toneladas mensuales.

Fotografa 1. Relleno Sanitario La Glorita. Fuente: Atesa de Occidente S.A.

I. INTRODUCCIN

El Relleno Sanitario La Glorita, ubicado en la vereda CombiaBaja de la ciudad de Pereira, no es ajeno a los problemas desalud pblica y detrimento ambiental. Dentro de loscontaminantes presentes se encuentran los metales pesados,elementos metlicos con densidad mayor a 6 g/cm3.

Es as como se busca disear un dispositivo de deteccin demetales.

Fotografa 2. Relleno Sanitario La Glorita. Fuente: Atesa de Occidente S.A.

II. CONTENIDO

2.1. Marco Terico

El detector de metales utiliza un campo electromagntico para

detectar la presencia de un objeto metlico oculto, las

caractersticas de las seales depende de la intensidad del

campo de respuesta del metal.

Los mtodos de deteccin son: deteccin en muy baja

frecuencia VLF, y la induccin de pulso PI.

2.1.1 Tecnologa VLF:

La deteccin a muy baja frecuencia utiliza una bobinatransmisora y una bobina receptora, la bobina del transmisorgenera un campo electromagntico que induce corriente en unobjeto de metal, y crea otro campo que es recogido por labobina receptora.

Se utiliza el valor de amplitud y desfase de la seal recibidapara la deteccin y discriminacin de los metales.

Las seales PWM y RX son ingresadas a una compuerta ANDpara obtener el desfase.

Tabla 1. Compuerta AND. Grfico 1. Seal de desfase

Fuente: El autor. Fuente: El autor.

2.1.2 Tecnologa PI:

El detector basado en el mtodo de induccin de pulso utilizauna sola bobina para transmitir y recibir el campoelectromagntico, los pulsos crean breves rfagas deelectromagnetismo que inducen corriente en la bobina,cuando disminuye el campo, este cambio es detectado por elcircuito.

Grfico 2. Seal de respuesta del metal al PI. Fuente: Pulse induction metal detector [23].

Durante los primeros cincomicrosegundos la seal estsujeta por los diodos deproteccin en el circuito,despus de que la curvadecae, el decrecimientodepende de la existencia deun metal y la conductividaddel mismo.

2.2. Especificaciones

2.2.1 Parmetros del detector de metales

Para la construccin del bobinado primario y secundario deldetector de metales se tuvieron en cuenta los siguientesparmetros:

Tabla 2. Parmetros del detector de metales. Fuente: El autor.

Parmetros Bobinado Primario Bobinado Secundario

Inductancia L (H) 380 H 380 H

Nmero de vueltas 28 28

Calibre 31 AWG 31 AWG

Radio (cm) Eje Vertical 9 cm 9 cm

Radio (cm) Eje Horizontal 5 cm 5 cm

2.2.2 Especificaciones del hardware

Se dise y construy un dispositivo capaz de generar las

seales necesarias para detectar y discriminar metales, leer la

informacin de la seal de respuesta, procesarla y trasmitirla.

Las especificaciones del hardware se presentan en la

siguiente tabla:

Tabla 3. Especificaciones del Hardware. Fuente: El autor.

Parmetros Valor Tpico

Voltaje de alimentacin (v) +12 v

Corriente de entrada (A) 10 A

Frecuencia de Cristal (Hz) 20 MHz

Frecuencia de trabajo del

Microcontrolador PIC 18F2550 (Hz)48 MHz

Velocidad de Transmisin (bps) 9600 bps

Modos de operacin VLF y PI

2.2.3 Software implementado

El software implementado permite acelerar el desarrollodel dispositivo a travs de la programacin grfica y laintegracin de hardware. Las funciones se encuentran en lasiguiente tabla:

Tabla 4. Software implementado. Fuente: El autor.

Programa Funcin

Proteus 7 Profesional Diseo del circuito del Detector de Metales

CCS PIC C Compiler Programacin del Microcontrolador PIC 18F2550

Labview 8.5 Interfaz grfica Usuario - Detector de Metales

2.2.4 Blancos a detectar

Los blancos a detectar por el dispositivo de deteccin de

metales pesados se especifican a continuacin:

Tabla 5. Blancos a detectar. Fuente: El autor.

Blanco Metal

Presentacin

del Metal

Dimensiones

(cm)

Espesor

Peso (g)Calibre Milmetro

Blanco I Aluminio (Al) Lmina 20 cm x 20 cm 19 1,07 mm 70 g

Blanco II Aluminio (Al) Lmina 10 cm x 20 cm 19 1,07 mm 33 g

Blanco III Aluminio (Al) 7 Latas 12 cm x 17 cm 19 1,07 mm 112 g

Blanco IV Cobre (Cu) Lmina 20 cm x 20 cm 31 0,27 mm 72 g

Blanco V Cobre (Cu) Lmina 10 cm x 20 cm 31 0,27 mm 34 g

Blanco VI Hierro (Fe) Lmina 20 cm x 20 cm 11 3,05 mm 778 g

Blanco VII Hierro (Fe) Lmina 10 cm x 20 cm 11 3,05 mm 349 g

Blanco VIII Plomo (Pb) Lmina 20 cm x 20 cm 11 3,05 mm 1281 g

Blanco IX Plomo (Pb) Lmina 10 cm x 20 cm 11 3,05 mm 612 g

2.2.4 Blancos a detectar

Fotografa 3. Metales Pequeos (10 cm x 20 cm). Fuente: El autor.

Fotografa 4. Metales Grandes (20 cm x 20 cm). Fuente: El autor.

2.3 Desarrollo

2.3.1 Construccin de las Bobinas de prueba para el

Detector de Metales

Se construyeron varias bobinas de prueba con el fin de

identificar cual era la bobina apropiada y cumpliera con el

objetivo propuesto que detectara los metales y los

discriminara de manera exitosa.

Fotografa No. 5. Bobinas de pruebas del detector. Fuente: El Autor.

2.3.2 Bobina del Detector de Metales

Finalmente se realizan modificaciones a la bobina E para

aumentar su sensibilidad y tener un rea mayor de

superposicin de la bobina transmisora con la bobina

receptora, teniendo un radio de 5 cm en el eje horizontal y 9

cm de radio en el eje vertical.

Fotografa 6. Bobina DD del detector. Fuente: El autor.

2.3.3 Diseo del hardware de control

Para el diseo del hardware del detector de metales se utiliz

el software Proteus 7 Profesional, y se especifica en dos

mdulos los cuales son VLF y PI.

.

Grfico 3. Circuito en Proteus del detector de metales. Fuente: El autor.

2.3.4 Tarjeta del Circuito del Detector de Metales

A la tarjeta final fue necesario desarrollarle un sistema de

desfase para que junto con el parmetro de la amplitud, se

consiguiera aumentar la precisin del dispositivo y lograr con

xito la deteccin de metales y discriminacin de los mismos.

Fotografa 7. Tarjeta del detector de metales. Fuente: El autor.

2.3.5 Fuente de alimentacin del circuito

Se utiliz una fuente de CPU modificada

con las siguientes especificaciones:

Input: 100V - 127V ~/ 5A, 47Hz - 63Hz.

Output: +12V / 10A.

Fotografa 8. Fuente de alimentacin.

Fuente: El autor.

2.3.6 Comunicacin

La comunicacin implementada en el dispositivo detector demetales se da a travs de la conexin USB emulando un puertoserial para la tecnologa PI, en la tecnologa VLF la comunicacinse realiza a travs de la conexin del micrfono donde sepueden transmitir las dos seales, una de la bobina transmisoray la otra de la bobina receptora.

2.3.7 Determinacin de la frecuencia ptima de deteccin

Para definir la frecuencia optima de deteccin de metales serealizaron varias pruebas con los blancos a detectar; en variosdatos de la frecuencia por encima y por debajo de 5 KHz losvalores arrojados en la deteccin del hierro y el cobre eran muysimilares, por el contrario en la frecuencia de 5 KHz el detector esestable, evitando errores de lectura de datos.

2.3.8 Diseo e implementacin del software de discriminacin

LabVIEW Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench de National Instrument es un entorno de desarrollopara disear sistemas a travs de programacin grfica, tienevarias interfaz de comunicacin entre los que se encuentra USB,compatible con otros lenguajes y aplicaciones. Los programas enlabview son llamados VI Instrumentos Virtuales, que constan de 2componentes, panel frontal y diagrama de bloques.

2.3.8.1 Interfaz grfica del Detector PI

El panel frontal del detector PI est compuesto por indicadoresy controles que permiten visualizar al usuario el tipo de puertoserial al cual est conectado en el PC, el valor ledo Voltaje,un botn de calibracin para la bobina en vacio y losindicadores de deteccin de metal y su respectivadiscriminacin de metal ferromagntico y no ferromagntico.

Grfico 4. Interfaz grfica del Detector PI. Fuente: El autor.

2.3.8.2 Interfaz grfica LabVIEW del detector VLF

Con los valores de desfase y amplitud obtenidos de la seal

de respuesta asociada a cada uno de los metales se detectan

y discriminan efectivamente, pudiendo visualizar en el panel

frontal la informacin.

Grfico 5. Interfaz grfica del detector VLF. Fuente: El autor.

III. ANALISIS DE RESULTADOS

3.1 Resultados con el hardware de control

Se toma como nivel de calificacin

la definida por el Instituto Colombiano

de Normas Tcnicas (ICONTEC).

Tabla 6. Nivel de Calificacin.

Fuente: El autor.

En las diferentes tablas y grficos especificados se utilizan la

siguiente informacin:

Se usaron los nmeros uno (1) y cero (0) en las tablas, donde

el 1 indica activacin de la casilla de afirmacin (S) o de la

negacin (NO) y por el contrario el 0 inhabilita la casilla

correspondiente a su ubicacin.

Nivel de Calificacin

Rango 0% - 69% No Aprueba

Rango 70% - 100% Aprueba

En los grficos se tiene asignado el color azul para la barra de

afirmacin o nivel de calificacin de aprobacin y el color rojo

para la barra de negacin o nivel de calificacin de no

aprobacin del dispositivo.

Las pruebas realizadas con la bobina y los metales fueron

separados a diferentes distancias para analizar su respuesta a

medida que se aleja el detector del blanco, para ello fue

necesario ubicar soportes de cartn.

Fotografa 9. Soportes de distancia entre los blancos y la bobina.

Fuente: El autor.

3.1.1 Resultados de deteccin de metales con tecnologa PI

Los blancos a detectar fueron ubicados a diferentes distancias de la

bobina de deteccin, centrando el metal sobre el rea de mayor

sensibilidad de deteccin de la bobina DD del detector.

Tabla No. 7. Deteccin general de los blancos a diferentes distancias de la

bobina.

Fuente: El autor.

3.1.1 Resultados de deteccin de metales con tecnologa PI

Grfico 6. Nivel de Calificacin de deteccin a diferentes distancias de la

bobina. Fuente: El autor.

Para cada metal se hicieron 5 repeticiones de la prueba a diferentes

distancias entre el metal y el detector, todas las pruebas se ejecutaron

bajo las mimas condiciones.

3.1.2 Resultados de discriminacin de metales con

tecnologa PI

Todas las pruebas de deteccin se desarrolla especficamente sobre

el rea de sensibilidad de deteccin de la bobina.

Tabla No. 8. Discriminacin general de los blancos a diferentes distancias de

la bobina.

Fuente: El autor.

3.1.2 Resultados de discriminacin de metales con

tecnologa PI

Grfico 7. Nivel de calificacin de discriminacin a diferentes distancias de la

bobina. Fuente: El autor.

El modulo PI detecta el metal y lo discrimina dependiendo de sus

caractersticas, si es hierro es un metal ferromagntico, si es aluminio,

cobre o plomo lo discrimina como metal no ferromagntico.

3.1.3 Resultados de deteccin de metales con tecnologa VLF

El detector no identifica metales de dimensiones menores de 10 cm x

20 cm ya que no tienen un rea lo suficiente para generar respuesta al

campo magntico inducido.

Tabla No. 9. Deteccin general de los blancos a diferentes distancias de la

bobina. Fuente: El autor.

3.1.3 Resultados de deteccin de metales con tecnologa VLF

Grfico 8. Nivel de Calificacin de deteccin a diferentes distancias de la

bobina. Fuente: El autor.

El detector de metales con la tecnologa VLF de 0 cm hasta 7 cm de

distancia entre el dispositivo y los blancos tiene el 100% de deteccin

del metal sin tener ningn tipo de error o alteracin en la localizacin del

blanco.

3.1.4 Resultados de discriminacin de metales con

tecnologa VLF

Con tecnologa VLF el dispositivo discrimina cada blanco por su

nombre ya sea el metal de aluminio, cobre, hierro o plomo segn su

caracterstica de respuesta al campo inducido .

Tabla No. 10. Discriminacin general de los blancos a diferentes distancias de

la bobina. Fuente: El autor.

3.1.4 Resultados de discriminacin de metales con

tecnologa VLF

Grfico 9. Nivel de Calificacin de discriminacin a diferentes distancias de la

bobina. Fuente: El autor.

La discriminacin de los blancos cerca a la bobina es 100% exitoso en

todos los casos sin generar error en la clasificacin de los metales.

3.2 Diagrama de bloques del detector de metales

Grfico 10. Diagrama de bloques del detector de metales. Fuente: El autor.

3.3 reas de la Ingeniera aplicada

Acadmicamente, el proyecto se encuentra enmarcado dentro

de la Ingeniera Electrnica aplicando conocimientos de las

siguientes reas:

Programacin.Circuitos.Electrnica Anloga.Electromagnetismo.Control.Diseo.Comunicaciones.

Instrumentacin.Sistemas Operativos.Sistemas Digitales.Seminario de Investigacin.Comunicacin Oral y Escrita.Trabajo de Grado.

IV. CONCLUSIONES

Inicialmente se proporciona una corriente a la bobina de transmisingenerando un campo electromagntico que posteriormente es ledo por la

bobina receptora. Si un objeto de metal se encuentra dentro de la gama de las

lneas del campo, dicho metal origina una respuesta que es detectada por la

bobina de recepcin identificando un cambio tanto en amplitud y fase de la

seal recibida.

La deteccin del metal con tecnologa PI se puede realizar a distancias nomayores a 2 cm entre la bobina y el objeto, y la discriminacin entre los

diferentes tipos de metales ferromagnticos y no ferromagnticos se realiza

ubicando la bobina cerca al blanco siendo ms difcil la clasificacin por su

respuesta al pulso inducido.

El detector con tecnologa VLF detecta los blancos hasta 7 cm de distanciade separacin entre el metal y la bobina del dispositivo, para la discriminacin

de cada uno de los metales por su nombre especifico se debe de realizar

cerca a la bobina de lo contrario la discriminacin no es confiable.

IV. CONCLUSIONES

Para la discriminacin de los metales detectados es necesario ubicar labobina del detector cerca al metal para hacer lectura adecuada y as clasificar

de manera efectiva, sin errores, ni interferencias de otros medios cercanos.

La tecnologa VLF en el detector de metales es superior en desempeo yeficiencia a comparacin de la tecnologa PI, ya que con el modulo VLF se

logra una deteccin de metales a distancias de 7 cm de separacin entre el

dispositivo y el blanco, mientras que con el modulo PI solo se logra mximo a

2 cm de distancia.

El dispositivo presenta una mejor deteccin y una discriminacin precisa si elblanco es plano u homogneo, con un rea mayor de 10 cm x 20 cm, rea del

metal de menor tamao en los blancos a detectar.

Dada la calificacin anterior, se concluye que los resultados obtenidos sonconfiables y por tanto el dispositivo de deteccin de metales cumple las

exigencias necesarias para ser implementado en la disposicin final de los

residuos slidos de la ciudad de Pereira.

V. BIBLIOGRAFA

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http://www.agn.gov.ar/doc-tecnicos/Tecnicas_de_muestreo_para_auditoras.pdf (Consultado el 15 de Abril de 2013).

[22] Metal detector having digital signal processing, United States Patent 4709213, [En lnea] disponible en:

http://patent.ipexl.com/US/4709213.html (Consultado el 11 de Septiembre de 2012).

[23] Pulse induction metal detector with DSP, [En lnea] disponible en: http://www.lammertbies.n/electronics/PImetaldetector.html.

(Consultado el 24 de Septiembre de 2012).

Muchas Gracias!