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.
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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!
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