1Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, ESPOCH | Riobamba - Ecuador | CP 060101
2Investigador independiente
A nivel mundial, las emisiones de gases de vehículos
provocan grandes pérdidas humanas. El objetivo
de la presente investigación fue la construcción
de un prototipo de supervisión y alerta de nivel
de gases contaminantes dentro de vehículos con
sistema de combustión. El prototipo consta de 5
bloques y supervisa la calidad de aire del habitáculo
con sensores que miden monóxido de carbono
(, óxidos de nitrógeno CO)(NOx) y
benceno,
mostrando la información obtenida, mensajes en
casos extremos, además de activar dispositivos según
el nivel calculado. El estudio se basó en un análisis
histórico bibliográfico de datos relacionados con la
problemática; mediante pruebas de calentamiento
y calibración de los sensores, se determinó que
el prototipo necesita 5 minutos para estabilizar
sus lecturas, con un error absoluto de ±1,65%;
al calcular la repetitividad con el coeficiente de
variación se obtiene un valor máximo de 3,93%. El
prototipo implementado es confiable para supervisar
la concentración de gases en el habitáculo mediante la
activación de actuadores sonoros y de circulación de
aire.
Palabras clave: control químico de emisiones, gases contaminantes,
sensores de gas, supervisión, vehículos de combustión.
Globally vehicule harmful gas emissions have caused
great human loss. The purpose of this research was
the construction of a prototype for monitoring and
alerting the levels of pollutant gases inside vehicles
with a combustion system. The prototype consists
of 5 blocks and can monitor the air quality of the
passenger compartment with sensors that measure
carbon monoxide (, nitrogen oxides
CO)(NOx)
and benzene, displaying the information obtained,
messages in extreme cases, in addition to activating
devices according to the calculated level. Through
heating and calibration tests of the sensors, it was
determined that the prototype needs 5 minutes to
stabilize its readings, these have an absolute error of
±1,65%; When calculating the repeatability with the
correlation coefficient, a maximum value of 3,93%
is obtained. The implemented prototype is reliable to
monitor the concentration of gases in the passenger
compartment by activating sound and air circulation
actuators.
Keywords: chemical emission control, combustion vehicles,
gas sensors, monitoring, polluting gases
Referencia en ISO690:2013: BARRAZUETA, Sandra; GUERRA, José; CHÁVEZ, Álex; MORALES, José. Construcción de un prototipo electrónico de control químico de emisiones de gases contaminantes dentro de vehículos. Revista Científica y Tecnológica UPSE. 2022, 9 (1), pág. 01-09. e-ISSN: 1390-7697. DOI: 10.26423/rctu.v9i1.657
La mayoría de los vehículos que circulan en el mundo
tienen un motor de combustión interna incompleta,
liberando por el tubo de escape además de agua y
dióxido de carbono CO2, gases perjudiciales para la
salud del ser humano. El vehículo también puede
despedir gases a través del capó cuando hay un
incremento de temperatura, incluso con el motor
apagado y en los días soleados provocando que el
combustible se evapore [1].
Esta contaminación atmosférica puede generar daños irreversibles en humanos, animales o vegetación, lo que ha generado preocupación tanto a nivel nacional como internacional provocando que se establezcan normas cada vez más estrictas que regulen estas emisiones, pues exponerse a diferentes niveles de concentración de gases disminuye la esperanza de vida e incrementa el gasto en salud pública del Estado [2].
Los vehículos con motor a gasolina emiten una mezcla
compuesta aproximadamente de 71% de nitrógeno
(N2), 14 % de (CO2), 13 % agua y entre el
1 %
y 2 % de
hidrocarburos no quemados (HC), óxidos de nitrógeno
(NOx) y monóxido de carbono (CO); los motores a
diésel además generan material particulado (PM) y
dióxido de azufre (CO2), éste último se debe por la
presencia de azufre (S) en el carburante [3].
Los gases mencionados se liberan por el tubo de escape
durante la combustión o a través del capó cuando el
combustible se evapora por exceso de calor; el pequeño
porcentaje de gases generados se considera nocivo para
el ser humano, en cambio, el CO2 no se lo percibe
como dañino para la salud, incluso se lo percibe como
fuente de alimentación para las plantas en el proceso de
fotosíntesis; sin embargo, es el principal causante del
calentamiento global puesto que en grandes cantidades
crea el llamado efecto invernadero [1].
A nivel mundial se presentan problemas con las
emisiones de gases de los automotores, donde ingresan
al habitáculo y causan la muerte; en Panamá en el año
2016, una pareja fue hallada sin signos vitales dentro
de su auto, por inhalar CO [4]; en el mismo año,
en Reino Unido dos jóvenes fallecieron por la misma
causa mientras descansaban en su vehículo modificado
cuando el motor estaba encendido [5]. Un caso similar
se produjo en Ecuador en agosto 2020, con dos policías
que fueron encontrados muertos dentro del patrullero
luego de su guardia laboral en la ciudad de Guayaquil
[6].
De los gases que emiten los vehículos se destacan
tres compuestos: el CO que es imperceptible para el
ser humano debido a su ausencia de color y olor,
afecta a la salud según la concentración y tiempo
de exposición, uno de los problemas más comunes
es la carboxihemoglobina (COHb) donde el CO
inhalado pasa a la sangre y une a la hemoglobina
impidiendo el transporte de oxígeno a las células
y tejidos, llegando al punto que la persona pierde
la conciencia y muere [7]; la exposición a NOx
en bajas concentraciones provoca irritación en los
ojos, nariz, garganta y pulmones mientras que en
altas concentraciones produce quemaduras y espasmos
a la garganta y vías respiratorias, en personas con
problemas respiratorios preexistentes provoca graves
lesiones respiratorias e incluso puede existir riesgo de
muerte [8]; y el benceno, un compuesto incoloro con un
olor dulce el cual es considerado como alarmante por su
alta toxicidad y propiedades cancerígenas, exponerse a
este gas puede provocar mareo, apnea, incremento del
pulso cardiaco y pérdida del conocimiento, no existe un
nivel mínimo que evite el riesgo de contraer cáncer por
lo que se recomienda minimizar su contacto [9].
Para dar una solución a esta problemática, se han desarrollado investigaciones que implementan sistemas de monitoreo, alerta y control químico de emisiones de gases contaminantes en varias instituciones educativas superiores, entre ellas en la Universidad Tecnológica Nacional de Argentina que desarrolló un sistema autónomo capaz de realizar un censo de monóxido de carbono y humo que notifica por internet a través de una conexión wifi a una aplicación móvil [10].
La Universidad de Guayaquil presentó un diseño de un
sistema de bajo costo que permite obtener la medición
de la “calidad del aire” y “monóxido de carbono”
del ambiente y almacena la información en parte por
millón en una base de datos [11]. En la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo, se desarrolló
un sistema telemétrico capaz de medir, procesar y
comunicar densidad de gas licuado de petróleo (GLP)
y CO de ambientes domésticos [12].
Aun cuando estas investigaciones ayudan a la comunidad a solucionar problemas, la mayoría se enfoca en ambientes domésticos, no existe información relevante de investigaciones consumadas o en desarrollo, cuya temática sea similar a la presente investigación, que se centra en la supervisión de la calidad de aire de los habitáculos, mediante sensores y actuadores en niveles críticos, que busca constituirse en una herramienta de ayuda para evitar la exposición y muerte por altas concentraciones de gases contaminantes dentro de un automotor, según la normativa nacional.
Debido a la emisión de gases contaminantes por parte de industrias, hogares, vehículos, entre otros, existen normas y/o reglamentos que limitan el nivel y tiempo al que puede exponerse una persona, considerando los efectos que puede producir en su sistema, según la concentración en el ambiente.
La norma de calidad del aire ambiente, en el anexo 4 del
Texto Unificado de Legislación Secundaria de Medio
Ambiente (TULSMA) indica las concentraciones
máximas permitidas de contaminantes criterio como el PM10,
PM2,5,
NO2,
CO, SO2,
CO y Ozono
(O3), mientras que para otros gases existen normas
internacionales [13]. El objetivo de esta investigación
fue la construcción de un prototipo de supervisión
y alerta de nivel de gases contaminantes dentro de
vehículos con sistema de combustión debido a los
decesos por inhalación de gases.
Se basó en un análisis histórico bibliográfico de datos relacionados con la problemática para establecer requerimientos funcionales hardware y software, con lo cual se planteó una concepción general del diseño, acompañada del análisis detallado de cada una de las partes que lo integran, así como los esquemas electrónicos y algorítmicos, que derivan en la implementación final; mediante pruebas experimentales se observó el comportamiento del prototipo en diferentes condiciones controladas donde se pudo obtener datos numéricos para el análisis estadístico y validar el funcionamiento de los bloques que intervienen en el prototipo.
En la Figura 1 se muestra el diseño; consta de sensores de gases que detectan la presencia y concentración de determinados contaminantes en el habitáculo del automotor; en los niveles de alarma y alerta acciona actuadores de circulación de aire del vehículo, que son los electroventiladores y las lunas eléctricas, que, en caso de emergencia, dan una alerta encendiendo actuadores sonoros y visuales; la visualización de concentración de gases se presenta en pantalla.
En la Figura 2 aprecia el diagrama de bloques del prototipo que permite mostrar el funcionamiento, la descripción de elementos utilizados y programa que compone el prototipo; consta de 5 bloques descritos a continuación:
Bloque de alimentación. Proporciona energía al prototipo implementado, su alimentación se realiza a través de la batería principal del vehículo, que actúa como regulador de voltaje para el sistema eléctrico automotriz; por lo general, su tensión es de 12V, con circuito interno diseñado para recargarse mientras el auto está en movimiento [14], ésta se conecta a un adaptador/regulador de 5V, dispositivo que convierte los 12V que suministra la cigarrera o mechero del automóvil a 5V, ideales para la carga de móviles o equipo electrónico [15], el prototipo también se puede alimentar por una batería de 9V, para energizar los actuadores consta de 2 baterías de 12V, la principal del vehículo y una alterna, la elección de baterías depende de la posición del interruptor palanca.
Bloque de adquisición de datos.
La función de este
bloque, mediante diferentes sensores específicos,
es detectar la presencia y el nivel de los diferentes
gases que se encuentren en el interior del vehículo,
para detectar la presencia de CO se utilizó el sensor
MQ-7 que cuenta con un encapsulado de plástico,
una malla de acero inoxidable para su protección, y
un semiconductor interno de dióxido de estaño SnO2
muy sensible al CO con un voltaje de operación
de 5VDC. Corriente de trabajo de 140mA y rango
de detección de 10ppm – 10.000ppm [16]; para la
detección de benceno se utilizó el sensor MQ-135
con un encapsulado de acero inoxidable; de igual
forma, con un semiconductor de SnO2, con voltaje de
operación de 5VDC y corriente de trabajo de 150mA
con un rango de detección de benceno de 10ppm –
10.000ppm [17], por último, para el
NOx
se empleó el sensor MQ-131 con un encapsulado de red de nailon
y acero inoxidable con un semiconductor de SnO2
altamente sensible al ozono (O3) y a óxidos fuertes
con voltaje de operación de 5VDC y corriente de
trabajo de 180mA, el rango de detección para el O3 y
NOx es de 10ppb – 2ppm [18]; todos los datos que
se recopilan en este bloque se los transmite al bloque
de procesamiento, más en específico, a la tarjeta
de desarrollo para su procesamiento. Los sensores
de semiconductor poseen un calentador interno que
necesita estar encendido por un lapso para la correcta
lectura de niveles de gases.
Bloque de procesamiento. Basados en los datos que se obtienen por los sensores se utiliza una tarjeta de desarrollo; en este caso, el Arduino MEGA 2560 que utiliza un microcontrolador ATmega2560, que se alimenta con 5V a 9V, cuenta con 54 terminales digitales que actúan como entrada o salida, 14 de los cuales pueden ser de modulación por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en inglés), además de 16 entradas analógicas [19]; la cual es capaz procesar la información y tomar decisiones para una posterior configuración en el bloque de actuadores; además envía valores al bloque de visualización.
Bloque de visualización. En este bloque se muestra la concentración de gases que se obtuvo de los sensores, la tarjeta de desarrollo procesa la información y la muestra por medio de una pantalla de diodo orgánico emisión de luz (OLED, por sus siglas en inglés) de 0,96’’ con un controlador SDD1306 que permite una comunicación de circuito inter-integrado (I2C, por sus siglas en inglés ) con solo 2 terminales, además es monocromática con una resolución de 128 x 64 pixeles, esto permite el monitoreo por parte del chófer o pasajero. También se cuenta con 4 diodos led que muestran el nivel en el que se encuentra el habitáculo.
Bloque de actuadores. Estos se activarán al sobrepasar los niveles permisibles de los gases contaminantes, consta de un módulo relé de 5V capaz de controlar una alta corriente de hasta 10A de 250VAC / 30VDC con una muy baja de 5VDC, un consumo de operación de 20mA y 4 canales para el accionamiento independiente de varios artefactos [20]; para activar los vidrios eléctricos se usa un relé automotriz 12V/30A el cual permite el paso de una corriente mayor, consta de 4 o 5 terminales con una numeración fija que se conectan según la necesidad [21].
Los elementos que conforman el diagrama de bloques, así como las conexiones se los puede observar en la Figura 3, el esquema se realizó con el programa Fritzing, que cuenta con una variedad de componentes, y la opción de cambiar el color de cable de conexiones para una mejor apreciación.
Para el funcionamiento del prototipo se utilizó un programa de plataforma libre, el Entorno de Desarrollo Integrado (IDE, por sus siglas en inglés) de Arduino 1.8.13, que permite desarrollar y grabar códigos para el funcionamiento de la placa de desarrollo según la conveniencia, además, permite depurar el código buscando errores, el programa compilado se almacena, en la memoria flash del hardware; su entorno es sencillo y debido a esto es su gran éxito [22]. Para establecer los 3 niveles de acción: alerta, alarma y emergencia, apreciables en la Tabla 1, donde el nivel de alerta son efectos mínimos como dolor de cabeza, náuseas o molestias respiratorias; el nivel de alarma es cuando se sobrepasa los efectos de alerta, pero no existe riesgo de muerte; por último, el nivel de emergencia, cuando la concentración es tan alta que en un determinado tiempo la persona no puede escapar del lugar o ya existe un riesgo de muerte.
También se incluye un nivel permisible, aceptado por normas ambientales (Tabla 2).
El diagrama de flujo utilizado para la supervisión y alerta de gases contaminantes se lo presenta la Figura 4.
El algoritmo del programa consta de 2 etapas:
Inicialización: Aquí se declaran librerías, constantes, variables, además de asignar entradas y salidas; se definen funciones e inicializa la comunicación serial.
Repetición: Calibra y calienta los sensores para una correcta lectura, acción que la realiza una sola vez, luego se obtiene la lectura en tiempo real de los gases en el ambiente, se imprime en pantalla la información receptada y compara los valores de gases leídos con los niveles de alarma, alerta y emergencia para decidir la activación de los diferentes actuadores de circulación de aire, sonoros y visuales.
Para la ejecución de pruebas, se implementó el prototipo sobre el tablero de un vehículo automotor, Nissan Tiida 2014, la carcasa del prototipo se muestra en la Figura 5, la cual fue desarrollada en el programa SolidWorks 2018.
El objetivo de esta prueba fue determinar el tiempo
necesario que necesitan los sensores del semiconductor
para un funcionamiento estable, así mismo, se debe
calcular la resistencia al sensor en el aire (Ro) del
ambiente para considerarlo como aire limpio para la
calibración del sensor, en esta prueba se tomaron
muestras del voltaje de salida de los sensores cada 15
segundos (Tabla 3).
En la Figura 6 se observa la tendencia de estabilización de la señal de los sensores, estableciendo que se necesitan 5 minutos para el calentamiento y para calcular el valor de Ro a partir del encendido del prototipo, tiempo que se utilizó para el programa.
La finalidad de esta prueba fue determinar el porcentaje
de error absoluto que presenta el sensor MQ-7, para
ello se generó CO dentro del vehículo pues el equipo
patrón, sensor alarma de CO marca Honeycomb [23],
muestra valores cuando se supera los 50ppm, se
tomaron 20 muestras, cada una con una diferencia de 7
segundos, ese es el tiempo que el equipo de referencia
demoraba en realizar cada lectura, en la Tabla 4 se
muestran las mediciones que se obtuvieron.
Al aplicar estadística descriptiva se obtiene la media del error absoluto la cual es de ±1,65 %, de acuerdo a criterios estadísticos si no se excede el 5 % de error se considera el equipo como aceptable, además de confiable por tener un nivel de confianza mayor o igual al 95 % [24], concluyendo que el prototipo se lo considera aceptable y confiable, según criterio estadístico de autores por su bajo porcentaje de error.
En esta prueba se tomaron 30 muestras para la supervisión de los 3 gases de estudio con un espacio de 1 minuto entre muestra, considerado como tiempo real, con el objetivo de determinar la estabilidad de los sensores, la información recopilada se encuentra en la Tabla 5 y para su estudio se utilizó un análisis estadístico descriptivo con ayuda del programa Microsoft Excel 2016 donde se obtuvo la media (χ). desviación estándar (δ) y coeficiente de variación (CV). éste último debe ser menor al 10 % para indicar que el equipo es apropiado para la aplicación a la que fue diseñada [25].
El CV de los sensores MQ-7, MQ-131 y MQ-135 fue de 3,93, 1,26 y 2,49 respectivamente, porcentajes que al ser menores al 10 % se los considera como un equipo apropiado y aceptable, según autores.
El objetivo de esta prueba fue conocer la energía que consume el prototipo y la autonomía que posee; con la batería de 9V se midió el voltaje y corriente de cada elemento con el multímetro ProsKit modelo MT-1233C, la información recopilada se encuentra en la Tabla 6:
El prototipo consume 2.538W de potencia, con lo que se concluye que el consumo es mínimo para la batería del automóvil la cual se recarga mientras el vehículo se mantiene en movimiento; para la autonomía con la batería de 9V se utiliza la fórmula:
Donde H son las horas de autonomía, Wb es la potencia
de la batería, en este caso, al ser de 9V con 550mAh la
Wb es igual a 4,95W; y Wc es la potencia de consumo
del prototipo la cual es de 2.358, aplicando la ecuación 1 se tiene 2,1 horas concluyendo que la autonomía del prototipo con la
batería es de 2 horas con 6 minutos.
Con el objetivo de comparar el costo de construcción del prototipo con un equipo comercial, en la Tabla 7 se muestra el detalle de costo de cada elemento que se utilizó para la construcción del prototipo.
El costo de construcción del prototipo sin contar la mano de obra fue de $140,00, un precio asequible en comparación con los equipos detectores de gases comerciales como el Teledyne T200U, Teledyne T300M o UltraRAE 3000 PGM-7360 que juntos su valor es elevado, bordeando los $14.600,00 concluyendo que el prototipo posee un ahorro del 95,89 % con equipos de similares características.
Se diseñó y construyó un prototipo de supervisión
y alerta de control químico de emisión de gases
contaminantes dentro de vehículos con sistema de
combustión usando sensores de semiconductor capaces
de medir concentraciones de
CO
,
NOx
y benceno
del habitáculo, además de encender actuadores del
vehículo para la circulación de aire. Por medio de
pruebas expuestas al prototipo se determinó que se
necesita un tiempo de 5 minutos para el calentamiento
y calibración de los sensores para que estos den una
lectura estable.
Al comparar la señal de salida con un equipo comercial
de referencia con el sensor de CO del prototipo se
obtuvo un error de 1,65 %, concluyendo que el equipo
es aceptable y confiable según el criterio de autores.
Mediante la aplicación de coeficiente de variación
en la prueba de repetividad, el prototipo posee una
variabilidad entre 1,26 % y 3,93 %, concluye que es
aceptable y apropiado para la aplicación para lo que
fue diseñado.
El consumo de energía del prototipo es mínimo para la batería del automóvil la cual se recarga mientras el vehículo se mantiene en movimiento y con la batería de 5V externa la autonomía del prototipo es de 2 horas con 6 minutos. La construcción del prototipo resultó un 95,89 % más económico con relación a equipos de monitoreo de gases comerciales
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