Construcción, calibración y validación de dispositivo de registro de datos de bajo coste para el monitoreo de material particulado respirable

Abstract

En este trabajo diseñamos, construimos y validamos un dispositivo de Material Particulado Respirable, el principio físico de operación de este dispositivo se basa en dispersión de luz. Sensores que usan dispersión de luz para detectar indirectamente la concentración de polvo pueden utilizar una fuente de luz IR o una fuente de luz láser, aquellos dispositivos de material particulado que utilizan IR se conocen como nefelómetros y aquellos que utilizan láser se les llama fotómetros. Actualmente sensores que miden directamente concentración de masa están en fase de desarrollo y se basan en el principio de micro balanza piezoeléctrica y resonancia acústica, en la primera etapa de esta tesis nos concentramos en escoger la tecnología y el sensor que se utilizara en el diseño y en su posterior implementación; la selección del sensor depende de muchos parámetros pero los principales a considerar son su bajo coste, su disponibilidad en el mercado, su capacidad de medir PM10 con la precisión requerida, otro requisito importante que debe cumplir es su bajo consumo de energía, un estudio extenso de los sensores disponibles en el mercado nos permitió escoger el sensor Sharp GP2Y1010, este sensor cumple con los requisitos preestablecidos pero uno de los principales problemas que se encontró con este sensor es su dependencia con la temperatura, lo que nos obligó a seleccionar un sensor de temperatura e implementar un algoritmo de compensación automática, esto en instrumentación es conocido como compensación de los factores modificadores e interferentes, por otro lado la técnica de utilizar varios sensores para medir un parámetro físico es conocida como fusión sensorial. El dispositivo desarrollado en primer lugar está basado en los sensores de Material Particulado Sharp GP2Y1010 y LM35, los que tienen salidas analógicas que de alguna forma se relacionan con la concentración de Material Particulado (PM) y temperatura respectivamente, para leer esas salidas es necesario una electrónica que acondicione dichas señales y un microprocesador mediante algoritmos implementados en software pueda interpretarlas y procesarlas correctamente; además el dispositivo debe ser capaz de almacenar 65536 datos: de hora, fecha, concentración de PM, temperatura y voltaje de alimentación, funcionar con baterías que le den una autonomía hasta de un año el dispositivo se puede conectar a una computadora por puerto USB. Para cumplir todos estos requisitos deben escogerse los componentes electrónicos adecuados. En el caso del microprocesador se escogió el PIC 16F88 principalmente porque incluye tres temporizadores necesarios para implementar el reloj de tiempo real, un ADC de seis canales que nos permite leer las salidas de los sensores e implementar un sistema de administración de energía, un USART que permite la comunicación serie con la computadora otra característica importante del microprocesador es su muy bajo consumo de energía y su capacidad de dormir cuando no se requiera procesamiento. Para el almacenamiento de datos se escogió la memoria 24LC512 que se maneja por el puerto I2C puerto que esta implementado en hardware en el microprocesador.