DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO PARA MEDICIÓN DE FLUJO DE CALOR APLICANDO CALORIMETRÍA DIRECTA: SENSADO POR FLUJO DE CALOR
DESIGN AND CONSTRUCTION OF A PROTOTYPE FOR MEASURING HEAT FLOW USING DIRECT CALORIMETRY: HEAT FLOW SENSING
OSCAR CADENA
Ingeniero Electrónico,
M.Sc, Universidad Industrial de Santander, oscadena@gmail.com
RODRIGO CORREA
Ingeniero Químico, Ph.D, Profesor
titular, Grupo de Investigación CEMOS, Universidad Industrial de Santander
Recibido para revisar Octubre 12 de 2007, aceptado Diciembre 06 de 2007, versión final Diciembre 11 de 2007
RESUMEN: El presente artículo describe el diseño de un prototipo inalámbrico para la medición de flujo de calor, que permita a futuro aplicar el método de calorimetría directa por gradiente de flujo de calor en el área de la electrónica médica. Esta técnica se desarrolla gracias al avance y creación de sensores que permiten medir este tipo de variables, y se postula como una alternativa a las formas de medición utilizadas actualmente, presentando mejoras en su desempeño y costo. Los resultados obtenidos luego de efectuar la calibración del equipo permiten inferir que la técnica propuesta se adapta de forma eficiente y puede utilizarse como un sustituto significativamente más ventajoso comparado con los métodos existentes en la actualidad y aplicados en el seguimiento metabólico de personas.
PALABRAS CLAVE: Calorimetría directa, bluetooth, Flujo de calor, Instrumentación biomédica.
ABSTRACT: This article describes the design of a wireless prototype which will be used for heat measurement. This prototype uses the technique knows as heat flow gradient which is part of the direct calorimetry. Its immediate application will be in the area of medical electronics. The results after calibration showed that this equipment has several advantages when it is compared to similar equipments used for people metabolic studies.
KEYWORDS: Direct calorimetry, bluetooth, heat flow, medical instrumentation.
1. INTRODUCCIÓN
El propósito final de este trabajo es diseñar un prototipo que permita, a futuro, implementar una herramienta eficaz y confiable para llevar acabo el diagnóstico y monitorización de las variaciones metabólicas en personas, medibles a partir de la cuantificación del flujo de calor[1].
Como primer paso para lograr este objetivo, es necesario diseñar un equipo que permita medir directamente las señales de flujo de calor. Este equipo debe satisfacer criterios como: seguridad, precisión, movilidad, ergonomía y bajo costo. El montaje de este módulo es descrito en el presente artículo. Se utilizaron generadores de calor con propósitos de calibración y puesta a punto.
A continuación se explica el marco teórico que sustenta la realización del presente prototipo. Luego se hace la revisión de la metodología de diseño criterios de selección de componentes y topologías, incluyendo al final los resultados que se obtienen durante el proceso de calibración del equipo.
2. MARCO TEÓRICO
En general, el planteamiento del trabajo pasa por una revisión preliminar de las diferentes técnicas de medición de flujo de calor existentes en la actualidad. Si bien existen diversas técnicas, las más relevantes y a la vez usadas, se explican a continuación:
2.1 Fundamentos termodinámicos
Figura 1 Tipos
de calorimetría
Figure 1. Calorimetric Methods
La implementación de un sistema de calorimetría indirecta es aproximado, y además involucra el hecho de requerir un monitoreo constante de la persona[1]. El método de calorimetría directa adiabática es bastante bueno, pero implica grandes costos en la obra civil para la construcción de la cámara, así como en la compra de instrumentación analítica que permita la interpretación de las variables. Detectada la necesidad de contar con un método capaz de ofrecer una precisión aceptable, facilidad de uso y que redujera significativamente los costos, se decidió crear un equipo cuyo principio de funcionamiento fuera el método de calorimetría directa por gradiente, enfocado al sensado de flujo de calor. En él, se aprovecha el avance en la fabricación de sensores de flujo de calor.
2.2 Sensor de Flujo de calordonde:
V= Tensión a la salida del sensor (V)
Numero de termopilas del sensor
Sensitividad de las termopilas
Representa el ancho de la placa (m)
= Conductividad térmica del material (
)
= flujo de calor (Wm-2)
Realizando un análisis de los anteriores datos se puede concluir que todos los valores que intervienen en dicha ecuación son parámetros físicos derivados de la construcción del sensor, siendo posible conocer de antemano sus valores; se puede concluir entonces que el sensor de flujo de calor genera una señal de tensión a la salida que es proporcional al flujo de calor que se mide.
Conociendo claramente el comportamiento del sensor se puede concluir que el objetivo principal del presente trabajo consiste en el diseño y construcción de una herramienta con componente tanto software como hardware que permita adquirir procesar y visualizar la señal emitida por el sensor de flujo de calor, cumpliendo con parámetros de funcionamiento tales como precisión, facilidad de manejo, y bajo costo.
3. METODOLOGIA DE DISEÑO
La metodología a seguir basa su funcionamiento en la división del sistema por etapas. Cada etapa se encarga de mejorar el rendimiento del sistema para determinado parámetro. El diagrama de bloques se muestra en la Figura 2. El diseño en general se realiza para obtener una herramienta portátil, confiable y con gran autonomía. Como se observa se muestran cinco etapas claramente diferenciadas, las cuales se explican a continuación.
Figura 2. Diagrama
de bloques del prototipo
Figure 2. Prototype block diagram
Con todos los criterios anteriores se escoge el sensor fabricado por la empresa francesa CAPTEC, cuyas características se listan en la tabla 1.
Tabla 1 Características
del sensor de flujo de calor
Table 1. Heat flow sensor characteristics
En este trabajo se utiliza un sensor con sensibilidad
de 10,7 , de tal
forma que se trabaje con el valor medio. Este valor, unido con las herramientas
computacionales descritas posteriormente ofrece una herramienta adecuada para
la medición de variaciones en el flujo de calor. Tomando este valor en cuenta,
y mediante pruebas de laboratorio se tienen caracterizados los niveles de salida
del sensor en el rango de los cientos de
, y las
variaciones en las decenas de
. Estos
resultados imponen un reto para el diseño del resto de la topología del módulo,
toda vez que hace necesario tener en cuenta una serie de consideraciones que
permitan adquirir señales de esta magnitud.
Las anteriores implicaciones llevan a la selección del uso de amplificadores de instrumentación encapsulados, con lo cual se logra las siguientes ventajas de funcionamiento: Alta linealidad y precisión en la ganancia, alto factor de rechazo en modo común CMRR, alto factor de rechazo a variaciones de la Fuente (PSRR), y finalmente bajo consumo de potencia. Todas estas características unidas contribuyen a los criterios generales de diseño expuestos anteriormente. La configuración seleccionada expresa su ganancia por medio de la ecuación 3. En el equipo, el valor de ganancia se fija en 105 V/V, con la que es posible llevar la señal a niveles de decenas de mV. Si bien este valor puede parecer bajo, es necesario tener en mente que ajustar un valor mas grande de ganancia amplifica tanto la señal como el ruido, por ende puede verse comprometida la integridad de la señal.
Finalmente se decide ajustar el offset a un valor que permita un amplio rango de excursión a la señal de flujo de calor. Este valor se fija en 1.47 V, permitiendo la máxima excursión de señal posible gracias a que el amplificador seleccionado permite variaciones hasta niveles cercanos al valor de alimentación.
3.3 Etapa De FiltradoEste ruido se presenta debido a la red eléctrica con la que trabajan los aparatos, y si bien el equipo evita ese problema al usar baterías como fuente de alimentación, es posible que funcione en un entorno en el cual el ruido de 60 Hz sea perceptible. La Topología seleccionada es la mostrada en la Figura 3 .
Figura 3 Topología
filtro pasabajas
Figure 3. Low pass filter topology
Las pruebas de laboratorio arrojan los resultados de la relación salida/entrada cuando se varía la frecuencia de la señal de entrada. Estos resultados muestran una frecuencia de corte 52 Hz, acorde con los criterios de diseño planteados.
3.4 Conversión análoga digitalLas especificaciones que se tienen en cuenta para el desarrollo de esta etapa son las siguientes:
Una vez se selecciona el conversor[11] con los parámetros delimitados anteriormente, se procede al montaje del circuito correspondiente a partir del diagrama mostrado en la Figura 4.
Figura 4 Circuito
de conexión del conversor análogo digital.
Figure 4. Circuital connection
of the A/D converter
Esta topología es diseñada para un voltaje de referencia de 2.5 V, con lo cual el valor del Bit menos significativo es de:
Este valor, con
relación directa
a la señal del sensor representa un nivel de 6,105 . En pruebas
de laboratorio, el error presentado es, en promedio, de tres LSB. Este es
un resultado bastante aceptable, ya que, en función de la señal medida, y teniendo
en cuenta la ganancia que se introduce en la primera etapa representa un valor
real de aproximadamente 18,31
, bastante
bajo, al punto de ser considerado despreciable en la presente aplicación.
Las anteriores
funciones son cumplidas en su totalidad por el microcontrolador. La primera
función la hace por medio de la implementación
del protocolo , la última
se soluciona realizando la programación del protocolo SCI. Con ello la conexión
al computador se realiza por medio de módulos de comunicación bluetooth.
El sistema completo es configurado para trabajar a 9600 Bauds, con un bajo consumo de potencia y una autonomía aproximada de 8 horas, trabajando con una batería recargable protegida contra cortocircuitos con el fin de hacer mas seguro el diseño para su futuro uso en personas.
Al momento de
realizar medidas con el equipo se logra adquirir un mínimo de señal de 12 , valor
acorde con los resultados esperados para realizar una futura aplicación en
pacientes.
Otro punto importante a tener en cuenta en esta etapa es la necesidad de crear la opción de una conexión simultánea de múltiples equipos de medición de flujo de calor. Para permitir esta característica se diseña una red con la topología mostrada en la figura 5.
Figura 5.
Topología de red de comunicación
implementada
Figure 5. Communications network topology
Las pruebas realizadas demostraron la posibilidad de conectar hasta un máximo de seis módulos. Sin embargo, para este trabajo se pusieron en funcionamiento de manera simultánea tres módulos
3.7 Programa
de visualización
El software de visualización se
realiza con el objetivo de proveer al proyecto de una herramienta que facilite
la interacción con el usuario, así
como la calibración del equipo y la visualización y manipulación de los datos
obtenidos de las etapas anteriores del proyecto.
El software en
mención está
realizado mediante la herramienta LabView. Los cálculos realizados para recuperar
la señal adquirida por el sensor, se describen a continuación. Primero, se
multiplica la señal recibida por el rango de muestreo y luego se divide en
4095 niveles (que corresponden a ). Seguidamente,
se le resta el valor de referencia utilizado en el amplificador de instrumentación
(1,5) y se divide en la ganancia del modulo de adquisición de la señal (106). En
este punto ya se tiene recuperada la señal original arrojada por el sensor,
en microvotls.
Los cálculos de flujo de calor y potencia son realizados por el programa. Cabe aclarar, que con este sistema solo se considera un dato válido para ser visualizado aquel que tenga un indicador de sensor igualmente válido. Esta característica permite identificar y eliminar errores que se presenten en la etapa de comunicación. La interfaz final es la mostrada en la Figura 6.
Figura 6 Interfaz
de visualización en LABVIEW
Figure 6. LABVIEW user interface
Se toman diferentes valores de potencia suministrada al bombillo. Esto produce una tensión a la salida del sensor, con este valor es posible deducir el flujo de calor mediante la formula dada en (4-1).
Donde:
S = Sensibilidad del Sensor
V= Tensión Arrojada en el Sensor (V)
En este punto es necesario tener en cuenta un aspecto fundamental. Tomando como referente que las pruebas de calibración se realizan sin entrar en contacto directo con la superficie, es de esperarse que el flujo de calor medido no corresponda en su totalidad al emitido por el generador de calor. Estos dos valores se encuentran directamente relacionados entre si por medio de la constante de emisividad, de acuerdo a la relación expresada en la ecuación (8). Este valor de emisividad, para los sensores que se utilizan en la presente aplicación viene definido por el fabricante y es de 0.48.
Donde:
![]()
Una vez se tiene calculado el valor de flujo de calor total, se procede a calcular el valor de la potencia registrada, a fin de realizar análisis comparativo respecto a la potencia suministrada al generador. La ecuación que describe el comportamiento de la potencia en función del flujo de calor, es la dada en (9).
A continuación se muestran los resultados obtenidos para las pruebas realizadas:
Prueba Uno
Potencia Del Generador: 0,7877 (W)
Duración de la Prueba: 35 minutos
Potencia final medida: 0,75539 (W)
Prueba Dos
Potencia Del Generador: 1,2253 (W)
Duración de la Prueba: 36 minutos
Potencia final medida: 1,2027 (W)
Prueba Tres
Potencia Del Generador: 1,5689 (W)
Duración de la Prueba: 32 minutos
Potencia final medida: 1,5375 (W)
Estos errores pueden considerarse manejables dado la variable medida y las variaciones esperadas en la futura aplicación.
Dispositivo final y especificaciones
Figura 7. Dispositivo final
Figure 7. Final dispositive
Tabla 2: Especificaciones
del Hardware de adquisición de flujo de calor
Table 2: Hardware specifications
4. CONCLUSIONES
Con base en los resultados obtenidos en las pruebas de calibración inferimos que es posible utilizar este prototipo para la medición de variaciones de flujo de calor en seres humanos, pasando por un trabajo previo de adecuación del sistema a los materiales que se utilizan a las condiciones higiénicas especificadas para dichas mediciones.
La fortaleza del presente proyecto se basa en la apropiación de tecnologías desarrolladas para diversas aplicaciones. El desarrollo de un sistema con componente hardware y software suficientemente robusto para permitir la medición de variaciones de flujo de calor con el sensor utilizado y sus correspondientes características físicas, consideramos representa un avance en el desarrollo de equipos de instrumentación biomédica y de paso permite pensar, a futuro, en el desarrollo de una metodología válida de diagnostico de variaciones metabólicas, con la misma o mejor precisión de los métodos existentes pero a un costo significativamente menor; todo basado en la utilización del equipo diseñado. Este trabajo se viene desarrollando actualmente.
REFERENCIAS
[1] BARD,
PHILLIP, Fisiología Médica. Prensa Libre Mexicana, 1966.
[2] GUYTON, ARTHUR C. Fisiología y Fisiopatologías Básicas. 10ª ED.
McGraw-Hill, 2000.
[3] VAN WYLEN, GORDON. Fundamentos de termodinámica, 2º edición. 1993.
[4] ORTIZ J, ALVARO. VALDERRAMA G, LEON. Diseño y construcción De Un Prototipo Para la Medición De Flujo De Calor En Pacientes En Estado Post-Operatorio Mediante Calorimetría Directa: Método
De Sensado Por Temperatura. Tesis de Grado, UIS 2006.
[5] VAN DER GRAAF, f. Sensors, Heat flux sensor, Volumen 4, capítulo
8, Editorial VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989.
[6] VATELL CORPORATION, Heat Flux Unit Conversion Table, Vatell Corp.2005
[7] RONCANCIO, RAFAEL. Instrumentación Electrónica. Universidad industrial
de Santander.
[8] FLOYD, THOMAS L. Fundamentos de Sistemas Digitales 7º Edición. Prentice
Hall, 2003.
[9] PHILIPS, SEMICONDUCTOR. The I2C Bus And How To Use It (Include Specifications), Philips Semiconductor, 1995.
[10] TEXAS INSTRUMENTS. 12-Bit, Sampling A/D Converter UIT I2C Interface, ADS7823 Datasheet. Texas Instruments Incorporated, 2003.
[11] MOTOROLA, SEMICONDUCTOR. M68HC08 Microcontrollers, Motorola Semiconductor, 2002.
[12] MARIN, JEISON. Análisis y Medición Del Flujo De Calor Generado En Un Circuito Electrónico. Tesis de Maestría,
Universidad Industrial De Santander, 2005.