Post on 14-Dec-2015
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CARACTERIZACIÓN DE SENSORES IMPLEMENTADOS EN UNA BOYA MARINA
César Ortega-Corral2,1
, Manuel Enoch Cardona Contreras1, Luis E. Palafox
1, José Jaime Esqueda Elizondo
1, J. Antonio García-
Macías3, Leocundo Aguilar
1, Jaime Sánchez-García
4, Israel Chon-Aguiar
1,
Ricardo Guerra Frausto1, David Alonso Dueñas Delgado
2, Jesús Enrique López Montoya
2, Ana Cristina Valenzuela-León
1
1Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería.
Universidad Autónoma de Baja California.
Calzada Tecnológico 14418, Mesa de Otay, Tijuana, B.C., CP22390
+52 (664) 6821 033 – 5800
Correo-e: cesar.ortega@uabc.edu.mx, lepalafox@uabc.edu.mx, jjesqueda@uabc.edu.mx
2Tecnologías de la Información y Comunicación
Universidad Tecnológica de Tijuana
Km. 10 Carretera Libre Tijuana-Tecate,
Fracc. El Refugio. Quintas Campestre. Tijuana, B.C., C.P. 22650
Tel +52 (664) 969 9700
e-mail: cesar.ortegac@uttjiuana.edu.mx
3Depto. De Ciencias de la Computación.
4Depto. de Electrónica y Telecomunicaciones
Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada,
Carr. Ensenada–Tijuana No. 3918, Zona Playitas, Ensenada, B.C. 22860. México
+52 (646) 175 0500
e-mail: jagm@cicese.mx , jasan@cicese.mx
RESUMEN
Se presenta la validación de los sistemas de medición de
temperatura, humedad relativa (HR) y pH del agua, que se usan en
una boya inalámbrica para el monitoreo del hábitat marino. Sensores
de bajo costo se conectan a dos tipos de sistema digital: (1) a un
transceptor inalámbrico re-configurable, con entradas
analógico/digitales y envío automático; y (2) a un microcontrolador
con entradas A/D para el pre-procesamiento de las muestras y un
radio de largo alcance para la transferencia subsecuente. Dado el
ambiente húmedo y hostil que presenta el mar, se hicieron pruebas de
los sensores de temperatura y de humedad relativa con diferente
encapsulamiento. Para el caso del electrodo de pH, su respuesta se
filtró digitalmente en tiempo real para reducir la variabilidad de la
señal resultante ante condiciones estacionarias de pH. A partir de los
diferentes experimentos, se determinaron los tiempos de respuesta
para estimar los momentos adecuados para un muestreo confiable
después de energizar al sistema de sensores.
Palabras clave: sensores, instrumentación, filtrado digital.
ABSTRACT
It is presented a validation of systems for measurement of water
temperature, relative humidity (HR) and pH , that are used in a
wireless buoy for monitoring the sea environment. Low cost sensors
are connected to two types of digital systems: (1) a wireless
reconfigurable transceiver, with analog/digital inputs and automatic
dispatch; and (2) a microcontroller with A/D inputs for preprocessing
of signals and a long distance transmitter for subsequent transfer.
Given to the humid and hostile environment at sea, tests were made
on temperature and relative humidity sensors using different casings.
For the pH electrode, its response was digitally filtered in real time in
order to reduce variability of the resulting signal in the face of
stationary conditions of pH. From the different experiments, the
response time was determined in order to estimate the adequate
instants for a dependable sampling after energizing the sensors
system.
Keywords: sensors, instrumentation, digital filtering
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la investigación y el desarrollo de redes
de sensores está en auge [1-3]; mucho se está trabajando sobre
temas de enrutamiento y entrega de datos, pero poco se ha
publicado sobre la caracterización y confiabilidad de los
sensores en condiciones hostiles. Aunque algunos podrían
decir que el tema cae dentro del área de instrumentación, es
pertinente para quienes requieren implementar una red real,
que transporte datos correctos, que opere en lugares de difícil
acceso, lo cual hace impráctico detectar fallas in-situ o
sustituir los sensores en campo [4]. Por lo que debe haber
plena seguridad que los sistemas de sensores y
acondicionamiento funcionen con un grado aceptable de error
para su operación indefinida.
En este caso, la red inalámbrica de sensores se compone de
dos tipos de sistemas: (1) nodos terminales (end-points, EP) de
baja potencia y (2) nodos intermediarios (cluster-head, CLH)
de alta potencia, ambos se aplican para el monitoreo marino;
por lo que la instrumentación que se integró para tal propósito
se coloca en gabinetes sobre flotadores o boyas que sirven de
plataformas para la conexión de sensores, electrónica, radios y
antenas para la comunicación de los datos adquiridos
digitalmente, así como los sistemas de alimentación eléctrica y
baterías [5]. En la figura 1.(a) y figura 1.(b) se muestran los
esquemas generales de una boya EP y un boya CLH,
respectivamente, con sensores atmosféricos y sensores
sumergibles. Aunque no es parte de este ensayo, también se
incluyen arreglos de celdas foto-voltaicas que permiten
recargar baterías para operación prolongada.
El encapsulamiento de los sensores es imprescindible en
aplicaciones marinas, con la desventaja de que les resta
sensibilidad y afecta adversamente a la velocidad de respuesta.
Parte de estas cuestiones es lo que aquí se estudia y se
experimenta. Otro asunto de la confiabilidad en las mediciones
tiene que ver en la forma como se pre-procesa la información
y se entrega al usuario. En este caso por medios inalámbricos,
por lo que aquí hacemos la caracterización de respuesta de
todo el sistema de sensores con acondicionamiento,
adquisición y envío inalámbrico.
2. SENSORES DE TEMPERATURA
Aquí se aprovecha al sensor activo de temperatura TMP36,
por su rango dinámico de salida y dado que es capaz de operar
con alimentación de 3V [6]. Sus características se muestran en
la tabla 1. En este caso, estos sensores se usan en los EP, el
sistema digital principal al que fueron conectados es el
transceptor XBee Pro de 2.4GHz, que dispone de seis
convertidores analógico/digitales (ADC) de 11 bits con
entradas de hasta 3.3V [7].
Tabla 1. Características del TMP36
Parámetro Valores
Voltaje de operación 2.7 a 5.5v, 7Vmáx
Factor de escala 10mV/oC
Transferencia ToC = 100 (Vo - 0.5)
Vo = 0.75V @ 25oC
Exactitud ±2°C
Linealidad ±0.5°C linearity (typ)
Rango de temperaturas −40°C to +125°C
Corriente nominal Menos de 50 μA
Tiempo para lograr T pico 10 a 40 seg
Tasa de rampa 3oC/seg
Dadas sus características, se decidió amplificar la respuesta
de los TMP36 con una ganancia de A=2 usando el
amplificador de instrumentación integrado AD620 [8], tal que
el voltaje adquirido por el XBee sea de 1.5V cuando T = 25oC
3. SENSOR HIH4030
En este proyecto se usó el sensor activo de humedad relativa
HIH4030 por ser pequeño y de buena precisión. Su fabricante
proporciona una ecuación de linealización del voltaje de
salida, la cual depende de la temperatura ambiente y el voltaje
que se le alimenta [8]. En la tabla 2 se muestran las
especificaciones del HIH4030.
Las ecuaciones de salida, HR y compensación de
temperatura a la que se expone el HIH4030 son las siguientes.
( ) (1)
(
) (2)
(3)
La ec. 2 se obtiene despejando la HR de la ec. 1. Y la ec. 3
sirve para compensar contra temperaturas diferentes a 25oC.
4. PH Y EL ELECTRODO PHE2114-NB
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una
disolución, es decir, indica la cantidad de iones de hidronio
(H3O+) presentes. El concepto de pH es único entre los valores
fisicoquímicos, del cual se define como:
pH = -log10(aH+) (4)
El rango completo de pH se mide de 0 al 14, y se interpreta
como:
Ácido: 0 a 6.9
Neutro: 7
Alcalino: 7.1 a 14
Para una medición precisa de pH se mide la la diferencia de
potencial; esto es básicamente una batería, a la cual se
conectan dos electrodos, cada uno inmerso en su solución
respectiva y unidos por un puente de sal. El valor de pH se
define para soluciones acuosas, de acuerdo a la convención de
Bates-Guggenheim [10].
El electrodo combinado que aquí se emplea es el PHE2114-
NB, de Omega Engineering Inc., sus aplicaciones son de
laboratorio y con un protector de plástico se usa en procesos
industriales. Una bondad del PHE2114-NB es que incluye
preamplificadores integrados para reducir su impedancia de
salida, lo que facilita conectarlo directamente a equipos que
acepten señales de voltaje del orden de los mili-volts, con una
impedancia no mayor de los 10 kΩ. El electrodo proporciona
+414.1 mV de salida al exponerlo a 0 pH y -414.1 mV en 14
pH, esto significa que se tiene un incremento de 59 mV por
cada unidad de pH. Así mismo, opera con ± 1.5 a 9 Vdc,
consumiendo una corriente de 0.5 mA; y trabaja en rango de
temperatura de 0 a 100ºC. Cumple con varios de los
Tabla 2. Características del HIH4030.
Parámetro Valor Unidades
0% RH to 59% RH -5/+5 % HR
60% RH to 100% RH -8/+8 % HR
Precisión -3.5/+3.5 % HR
Histérisis 3 % HR
Repetibilidad ±0.5
Tiempo de elevación 70 máx ms
Voltaje de alimentación 4 a 5.8 Vdc
Consumo de corriente 200 a 500 μA
Rango 0 a 100 % HR
(a) (b)
Figura 1. Boyas marinas (a) nodo End-point. (b)
nodo CLH.
parámetros del agua de mar. Aquí se optó por amplificar la
señal de salida del PHE2114 usando el amplificador de
instrumentación AD620 con una ganancia de 2.1864 con el fin
de aumentar el rango dinámico hasta los 5V con una ventana
de pH 7 al pH 10, esto es dado que el agua marina tiene un pH
característico ubicado entre 7.3 a 8.4 pH.
5. PRUEBAS Y RESULTADOS
Caracterización de sensores de temperatura
En la figura 2 se presenta la instalación experimental para
determinar la respuesta del sensor de temperatura TMP36
conectado a un nodo terminal (conocido como end-point, EP)
con una tasa de muestreo de 1 muestra/segundo.
El encapsulamiento de sensores de temperatura se hizo con el
propósito de poder sumergirlos en el agua marina.
Aprovechando la instalación, también se probaron los sensores
de humedad relativa del aire HIH4030 para verificar el
software de captura y envío usando los protocolos de
aplicación del XBee hacia la estación base RCM4300 para la
transferencia de los datos a una computadora, donde se ejecuta
un programa servidor para almacenamiento final [12]. El
experimento consistió determinar la respuesta al escalón del
TMP36, llevando el sensor de una temperatura baja a otra
mayor en un intervalo ambiental grande.
En un caso de estudio, el agua en el tanque (fig. 2) se
controló con un set-point de 25oC, esto se codificó en un
algoritmo para el controlador RCM4300, requiriendo se le
conectaron sensores de temperatura de monitoreo y referencia,
así como la conexiones para señalizar el control ON-OFF del
calefactor sumergido en el agua del tanque, con una histéresis
del 2.5%. Lo que interesó determinar fue el tiempo de
respuesta del sensor encapsulado TMP36 por lo que, para
establecer las condiciones iniciales, lo colocamos en un
recipiente con agua y hielos hasta lograr la temperatura de
0oC. El ejercicio correspondió en llevar el TMP36 del agua
helada al agua a 25oC en menos de un segundo, por lo que fue
necesario hacer múltiples repeticiones para aproximar un buen
promedio, en la figura 3 se muestra la mediana de cinco
repeticiones. El tiempo de elevación en la mayoría de las
corridas del experimento fue de 40 segundos logrando el
estado estable a los 100 segundos, lo que indica que el TMP36
encapsulado y sumergido en agua requiere menos de un
minuto para obtener una medida confiable ante un cambio
amplio de temperatura, en este caso de 0oC a 25
oC.
Caracterización del sensor HIH4030
Con lo que respecta HIH4030, en el experimento de la
figura 2, la idea fue probar las ecuaciones y los algoritmos
para determinar HR. En la figura 4 se muestra una respuesta
promediada del HIH4030 operando en el experimento
mencionado.
Al observar la salida del HIH4030, el interés se centró en
su respuesta al ser energizado desde cero bajo una condición
estacionaria de HR. Por lo que en la figura 4 se observa que se
requieren más de 30 segundos para llegar al estado estable.
Esto implica que si un sistema de monitoreo usa este sensor, y
se lleva de desconexión completa a conexión, va a requerir
medio minuto para entregar un valor confiable.
Para probar los sensores de HR en rangos amplios,
instalamos una cámara de humedad usando un recipiente de
plástico y un dispositivo nebulizador. En la figura 5 se observa
dicha infraestructura. Este arreglo de la caja al revés con el
tubo nebulizador, permite emular las condiciones húmedas y
saladas del aire marino generando vapor frío. Esto se logró al
llenar el recipiente nebulizador con agua del mar (obtenida
localmente) y al accionar el compresor de aire con lo que se
crea un ambiente similar a la neblina marina con aire saturado
al 100% de HR.
Figura 4. Valores medidos por el HIH4030, desde
estar sin energizar en t=0 y con Vcc en t>0.
Figura 3. Tiempos de respuesta del TMP36
encapsulado.
Figura 2. Sistema para caracterizar sensores de
temperatura inmersos en agua.
En la figura 6, se observa un esquema conceptual del sistema
para caracterizar la respuesta del HIH4030 dónde la
comunicación de los datos se hace por medios inalámbricos.
Esto se justifica dado que dichos sensores de HR se conectan a
sistemas digitales conocidos como Arduino Mega [13], a
cuales les conectamos radios de largo alcance de 900MHz.
Esta integración es para que operen abordo de boyas marinas
y que transmitan los datos a través de los radios a una estación
base remota, que a su vez envía la carga útil a un sistema de
bases de datos o repositorio final.
En la figura 7 se muestran dos respuestas típicas que entregó
el HIH4030 con encapsulamiento. Notando que el HIH pierde
sensibilidad ser encapsulado, el cual actúa como filtro paso
bajas afectando su tiempo de elevación de la respuesta al
escalón. En este caso, para propósitos de encapsulamiento,
usamos tubos de plástico de media pulgada, inicialmente con
orificios circulares (respuesta azul, fig. 7) notando que con
orificios en forma de ranura (respuesta verde y roja, fig. 7) el
aire aparentemente fluye mejor y el tiempo de la respuesta es
más corto comparado con orificios circulares que dificultan el
flujo del aire.
A partir de los resultados, con encapsulamiento ranurado se
logró un tiempo de respuesta de menos de 190 segundos al
registrar un incremento del 58% al 100% de humedad relativa,
y con encapsulamiento con perforaciones circulares tardó 400
segundos. Al abrir la cámara de humedad, el aire regresó al
58% de humedad relativa tomando un tiempo equivalente para
lograrlo, dependiendo del tipo de encapsulado, lo cual afectó
la sensibilidad y tiempo de respuesta de los dispositivos
sensores de HR.
Caracterización del Electrodo Combinado de pH
Con el propósito de determinar la respuesta del electrodo
de pH contra referencias fijas, se hicieron mediciones iniciales
de soluciones conocidas como buffers que tienen pH
constante, específicamente de pH 7 y pH 10. En la figura 8 se
muestra el esquema conceptual del sistema de prueba.
Después de medir la diferencia de potencial proporcionada
por el electrodo, empleamos la ecuación (5) para determinar el
pH a partir del voltaje de salida del electrodo.
pHX = (ADC VREF)/(G m 1024) + 7 [pH] (5)
Donde pHx es el valor calculado, Vout es el voltaje registrado
por el multímetro a la salida del AD620, G es la ganancia del
AD620, y m es el escalar 2.3026RT/F.
En la figura 9 se presenta el ensamble de medianas de pH 7
obtenidas de los valores crudos entregados por el PHE2114 sin
calibrar, se observa un efecto leve de filtrado con disminución
de su variancia.
Si se toma la media (µ) y la variancia (σ
2) de las lecturas
crudas sin calibrar de buffer 7, por cada grupo de 100
muestras, se obtienen los siguientes resultados:
µ = [7.4838 7.4691 7.4503 7.4404 7.4312 7.4234]
Figura 9. Medianas de pH 7 vs. valores crudos.
Figura 8. Sistema para caracterizar sensores de pH.
Figura 7. Comparación de tiempos de respuesta del
HIH.
Figura 6. Comunicación de los valores medidos
usando un nodo inalámbrico.
Figura 5. Cámara de humedad usando un
nebulizador.
σ2 = [0.0231 0.0045 0.0040 0.0036 0.0042 0.0044]
Después de haber incluido un algoritmo de calibración, para
ajustar la respuesta a pH 7, se probo de nuevo el sistema,
obteniendo la respuesta de la figura 10. El experimento
presentó una perturbación a los 40 segundos atribuido a falsos
contactos al agitar el sensor. Aun así, el valor promedio de la
respuesta se estabilizó alrededor de pH 7.
Para reducir la variabilidad en la medida del pH, y hacer un
ajuste adicional, se decidió implementar un filtro digital IIR
con la siguiente ecuación diferencia [14].
yn = k1yn-1 + k2xn (6)
Usando Matlab, determinamos los coeficientes k1 = 0.9 y k2
= 0.1 para que el filtro sea paso bajas con una frecuencia de
corte normalizada en 0.01.
Dicho algoritmo recursivo se implementó en el
ArduinoMega con el cual se obtuvo el resultado que se
muestra en la figura 14. Los valores respectivos después del
filtrado de media y variancia al medir el buffer 7, fueron los
siguientes: µ = [7.6288 7.0258 6.9727 6.9375 6.9276]
σ2 = [0.4400 0.0013 0.0014 0.0012 0.0019 0.0012]
Las medias tienden a valores ligeramente debajo de pH 7 y
la variabilidad se redujo a una variancia de 0.0012 con el filtro
IIR anterior. En la figura 15 se muestran los valores medidos
sin calibrar de la referencia de pH 10 donde se superponen los
valores resultantes de las medianas de cada 10 muestras. Los
resultados antes y después de calibrar y filtrar fueron similares
al medir con el buffer de pH 7. Después de calibrar y filtrar las
mediciones de pH 10 se obtuvo el resultado de la figura 16.
Antes del filtrado se obtuvo una desviación estándar
equivalente a los 0.25 pH, después del filtrado se redujo a 0.08
pH. Además, el filtro IIR causó una disminución de la
variabilidad de la respuesta de pH, pero también provocó una
desviación de 10 a 10.1 del pH medido. Esto significa que el
proceso de calibración inicial con los datos crudos, debe
repetirse usando las medianas de la salida del filtro digital en
por lo menos dos puntos de pH (7 y 10), esto es para
compensar contra la desviación exhibida ajustando la
pendiente de la recta que describe la diferencia de potencial
que proporciona el electrodo de pH.
Por último, al duplicar el orden del filtro digital y después de
determinar los nuevos pesos, en la figura 17 se presenta el
resultado de filtrar así las medianas. Esto redujo la
variabilidad en menos de 0.005 unidades de pH, aunque siguió
presentándose la desviación de +/-0.1.
A partir del trabajo realizado quedan varios pendientes para
mejorar la medición, tales como:
• Recalibrar las mediciones usando medianas a la
salida del filtro IIR.
• Determinar el orden óptimo del filtro.
• Probar con filtros de respuesta finita al impulso de
promedio móvil.
Figura 16. Medición del buffer pH 10 después del
filtro IIR.
Figura 15. Medianas de pH 10 vs. valores crudos.
Figura 14. Medición del buffer pH 7 después del
filtro IIR.
Figura 10. Medición del buffer pH 7 después de
calibrar.
6. CONCLUSIONES
Cuando se trata de sensores para aplicaciones marinas se
piensa en sistemas de alto costo porque se cree que deben
tener una precisión elevada y con encapsulados especiales
para resistir la condiciones adversas del hábitat. Esto es
parcialmente cierto, pero día a día el proceso para fabricar
sensores se hace más eficiente por lo que con el tiempo los
costos han bajado. Y en ocasiones es muy relativo qué tanta
sensibilidad y precisión se requiere de un sensor; es el caso de
los sensores de temperatura, pues la temperatura del agua
cambia lentamente por lo que sensores activos como el LM35
o el TMP36 se pueden considerar adecuados y prácticos dada
su respuesta lineal. Por otro lado, la humedad relativa puede
ser una variable ambiental con el potencial de cambiar entre
valores extremos en poco tiempo, especialmente en zonas
costeras como las de Baja California.
En este trabajo fue de interés la reducción de la variabilidad
de la salida del electrodo de pH, así como de su desviación y
deriva. Con un filtro modesto operando en tiempo real fue
posible reducir en un 90% tal variación, quedando pendiente
el tema de desviación que puede corregirse por software
durante un proceso completo de calibración. En cualquier
caso, estos primeros pasos permiten determinar tiempos de
respuesta y grado de error aún después de ajustes y filtrados.
AGRADECIMIENTOS
Deseamos agradecer al Dr. Manuel Moisés Miranda
Velasco, quién motivó la caracterización inicial como parte de
su curso de Instrumentación que imparte en la Maestría y
Doctorado en Ingeniería y Ciencias en la Facultad de
Ingeniería, Arquitectura y Diseño de la Universidad
Autónoma de Baja California unidad Ensenada, México.
7. REFERENCIAS.
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http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega. sitio visitado 2013.
[14] R. G. Lyons. Understanding Digital Signal Processing. 3rd ed. Prentice-Hall., 2011.
Figura 17. Reducción de variabilidad de las
medias al medir el buffer 10.