DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE DISPOSITIVO DE SEGURIDAD PARA LA APERTURA Y CIERRE DE VÁLVULAS DE GAS RESIDENCIALES SAFE GAS Resumen — Un total de 6.877.023 conexiones de gas natural residencial posee el territorio Colombiano según el ministerio de minas y energía, este a su vez, está relacionado con los casos en aumento de Intoxicaciones por Monóxido de Carbono registrando 169 casos, para el año 2013. El Monóxido de carbono es producido por la combustión incompleta de combustibles fósiles, es un gas incoloro, inodoro y no causa alergia o irritación, en otras palabras debido a las dificultades para detectar su presencia en el ambiente es conocido como el asesino silencioso. Al entrar al organismo el monóxido causa dolor de cabeza, fatiga, náuseas, vértigo, confusión, dificultad respiratoria e incluso la muerte. Por las razones mencionadas anteriormente se ha desarrollado un dispositivo de seguridad electrónico que estará ubicado en la válvula principal del gasodomestico para que actue de manera eficiente cuando los niveles de gas asciendan a más de 50 partículas por millón (ppm) el cual es un nivel determinado como de intoxicación y crítico establecidos por el MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO en la resolución 1509 dicho volumen de concentración esta determinado para niños y adultos, el dispositivo integra el sensor MQ-9 sensor de Monóxido de Carbono (CO) y gases combustibles: Metano (CH4), Propano (C3H8) etc, con la utilización de un microcontrolador y un servomotor. Aporte al conocimiento El aporte al conocimiento del proyecto presentado se evidencia en varios aspectos entre los cuales están: Sensado de Gases, Seguridad Residencial, Domótica, y control de procesos. Con respecto al sensado de gases, se hace un estado del arte de los principales dispositivos utilizados para tal fin y teóricamente se comprueba como pueden ser utilizados para medir las variables Monóxido de Carbono y Gases combustibles lo cual suministra una base confiable y completa de consulta para desarrollos futuros. En el área de seguridad Residencial, se hacen aportes de modelos de implementación de dispositivos para seguridad en redes gasodomesticas e incluso industriales y aplicables a domótica, donde ya se cuenta con una vigilancia tecnológica la cual evidenció la carencia de dispositivos que integren un sistema de monitoreo y control en uno solo. Adicional al aporte técnico dado por el desarrollo del dispositivo el trabajo muestra la problemática del control de redes gasodomesticas domiciliarias e Industriales desde varias perspectivas con lo cual se da un estudio serio que muestra entre otros los accidentes causados, el incrementos de los incidentes y como estos están directamente relacionados con el incremento de acometidas de gas evidenciando

además que el porcentaje más alto de acometidas se concentran en los estratos más bajos (2 y 3) Aporte al sector energético Los aportes que realiza SAFE GAS al sector energético son principalmente la disminución de pérdidas de energía y combustible en general, SAFE GAS como dispositivo que permite detectar gas combustible, actúa como alarma que evidencia los escapes de cualquier gasodomestico, similar al goteo de una llave de agua en el hogar, al percatarse de la fuga el usuario atenderá esta situación solucionando el problema de escape, si esto se realiza en cada hogar que tenga una conexión de gas a lo largo del territorio colombiano, se evidenciará una disminución por perdidas. Por ende se observará ganancias en el sector energético del país. Asimismo otro de los aportes principales al sector energético de SAFE GAS es que genera confiabilidad en el uso de cualquier gasodomestico que se encuentra en el mercado. Actualmente los medios de comunicación impactan de forma negativa a todos los gasodomestico que están en el hogar debido a los escapes que generan combustión y a la intoxicación por monóxido de carbono, al utilizar un dispositivo como SAFE GAS este solucionará los accidentes, de esta manera, cambiará la perspectiva de la población en cuanto al uso de los gasodomesticos lo cual conllevará a una mayor venta de gasodomesticos y por otro lado, venta mayor combustible. Finalmente SAFE GAS aporta a los proveedores y distribuidores de combustible generándoles protección judicial y constitucional de los posibles accidentes que se puedan presentar en los hogares e industria, SAFE GAS evita accidentes y las posibles demandas que se generen. Potencial de Innovación El Manual de Oslo hace referencia a varios tipos de innovación, entre los cuales están: Innovación en producto, servicio, gestión y proceso. En el trabajo desarrollado, luego del proceso de vigilancia tecnológica, se evidenció, que no hay dispositivos que integren en uno solo, la parte de monitoreo de este tipo de gases y que generen una acción de cierre sobre la válvula de la acometida de gas, por tanto el dispositivo presentado en este trabajo tiene un alto componente de innovación en producto, pero también en servicio, ya que optimiza el servicio prestado por las empresas distribuidoras de gas, y finalmente genera una mejor gestión tanto a las empresas prestadoras del servicio de gas residencial, como a las empresas que hacen mantenimiento. Desde la perspectiva planteada, SAFE GAS genera un potencial de innovación ya que este lo focaliza como una solución rápida a los problemas que se presentan en los hogares e industria, de esta maneta

brinda un punto de partida a nuevos productos y gasodemesticos que integren el principio de este proyecto. Los nuevos dispositivos que compongan esta tecnología desde la construcción de un hogar o industria, fácilmente adquieren una gran ventaja competitiva en el mercado global. Potencial de Aplicación: Según cifras del ministerio de minas y energía sobre cobertura de gas natural a lo largo del territorio Colombiano, se encuentra que hasta marzo 2014, existe un total de 7.248.482 conexiones residenciales de gas natural, el cual ha aumentado desde los últimos 7 años en una proporción de más de 60%, Además las conexiones de Gas licuado de Petróleo (GLP) ascienden 1.013.501 conexiones. Con lo cual se evidencia la gran cantidad de potenciales usuarios para el sistema propuesto, lo anterior con respecto al territorio Colombiano, en consecuencia SAFE GAS, se puede encontrar a nivel mundial en cualquier instalación de gas como solución para los casos de explosiones y/o intoxicaciones en las residenciales e industria.

La cobertura del servicio de gas natural se mide a través del número de instalaciones domiciliarias, es decir representa la cantidad de hogares que efectivamente recibe el servicio. Dentro de dicho análisis también está incluido el GLP (Gas licuado de Petróleo) que en su mayoría se encuentra en los sectores residenciales y comerciales para cocción de alimento y calentamiento de agua. Se encuentra que para el año 1997 fue de 18.9% de cobertura de gas residencial en el país, en su proporción, para el año 2010 la cantidad de hogares conectados era de 4.6 millones, actualmente el servicio de gas natural residencial a lo largo del territorio Colombiano es de 6.877.023.[1], [2] De acuerdo con las notificaciones de casos de Intoxicaciones Intramural por Monóxido de Carbono, solo en Bogotá se ha reportado 169 casos para el año 2013[3] con una tendencia en aumento como se muestra en la Figura 1 Casos de Intoxicaciones Intramural por Monóxido de Carbono, para el año 2013 se registraron 169 casos[4]

SAFE GAS marca la pauta en la realización de nuevos dispositivos tecnológicos vinculados a la seguridad de gasodomesticos y calidad del aire, al igual que sensores de humo que son instalados por normativa de seguridad en construcciones, SAFE GAS podrá ser instalado en cada nueva construcción que se realice con el objetivo de salvaguardar vidas humanas y posibles daños materiales por explosiones. Como dispositivo que constantemente está tomando muestras de aire mediante sensores, su potencial de aplicación podrá ser utilizado para garantizar la calidad de aire de diversas áreas. Valor social y/o ambiental del trabajo Desde su ideación SAFE GAS fue orientado para brindar a la comunidad protección en el hogar contra posibles explosiones e intoxicaciones por monóxido de carbono. El monóxido de carbono al ser un gas incoloro y el cual no tiene olor es un agente silencioso que puede causar varios síntomas e incluso la muerte, este se produce por la combustión indebida del gas que se encuentra en los hogares. Por otro lado los escapes de gas residencial que se presentan son causados por no contar con un mantenimiento preventivo de la instalación, en este sentido este proyecto puede estar orientado como sistema de detección de fallas tempranas. La contaminación del aire actualmente representa un importante riesgo para la salud, el material particulado en el medio ambiente puede en algunos casos causar enfermedades respiratorias, con la implementación de dispositivos como SAFE GAS se puede medir la calidad de aire que se está respirando, con la incorporación de otros dispositivos de control, se puede asegurar la calidad del aire que se respira en los hogares y en sectores públicos. Mención de publicaciones— SAFE GAS participó en Bogotá Robótica 2014 como ponente, en el Pabellón de Emprendetronika.

II. DESARROLLO DE CONTENIDOS A. Introducción En Colombia las conexiones de gas residencial en los últimos 7 años han aumentado cerca de un 60% según el análisis del ministerio de minas y energía [1], por lo cual y en consecuencia, está relacionado con los casos de intoxicaciones por monóxido de carbono y los incidentes domésticos debido a escapes de gas.

Figura 1 Casos de Intoxicaciones Intramural por Monóxido de Carbono Fuente: Observatorio Ambiental de Bogotá

Se considera al Monóxido de Carbono como el contaminante principal de la atmosfera, el 80% es emitido por los automóviles con motores que utilizan combustible gasolina o diésel además de las industrias que utilizan dichos combustibles para sus procesos con la utilización del carbono. El monóxido de carbono es un gas toxico producido por la combustión incompleta de combustibles fósiles como petróleo, carbón, madera, gas natural y querosene, dicho gas es imperceptible para el paciente, pues es incoloro, inodoro, insípido y un gas no irritante lo cual le facilita el proceso de intoxicación ya que, no despierta fenómenos de alergia o irritación. Después de haber entrado al organismo, el monóxido de carbono disminuye la capacidad de los glóbulos rojos para transportar oxigeno debido a que se une a la hemoglobina con una afinidad 250 veces mayor que el oxígeno como resultante de una saturación reducida de la oxihemoglobina. La toxicidad es una consecuencia de hipoxia celular e isquemia, por lo que no importa el peso corporal de la persona que esté expuesta, ni tampoco el número de personas presentes, sino que cada uno de ellos está expuesto al riesgo. Dicho de otro modo en sus diferentes proporciones de dosis puede causar dolor de cabeza, fatiga, náuseas, vértigo, confusión, dificultad respiratoria e incluso la muerte, En términos técnicos la dosis

no mortal que causan dichos síntomas son las registradas en un rango de 25 partículas por millón (ppm) en un término de 8 horas, La dosis mortal es de 1000 a 1200 ppm.[3], [5], [6] tal cual como se muestra en la Figura 2

Figura 3 Límites de Inflamabilidad de los gases[7]

Figura 2 Efectos de la exposición al monóxido de carbono[4]

Existen amplias investigaciones acerca de los efectos nocivos que causa este gas en el ser humano como el de consecuencias cardiovasculares y neuropsicológicas a la exposición a largo plazo del monóxido de carbono en el ambiente, cuando la exposición se refiere a espacios cerrados las consecuencias pueden ser hipertensión arterial, aparición de arritmias y signos electrocardiográficos de isquemia, así como la falta de atención, concentración y alteraciones de movimiento tipo parkinsonismo[6] B. Monóxido de Carbono, Metano y Propano Estos gases Monóxido de Carbono, Metano y Propano son los que se encuentran principalmente en los hogares, se darán a conocer algunas características. Dentro de los peligros por gas se encuentra el de gas inflamable en otras palabras el de combustión, la combustión es una reacción química en la que el oxígeno en conjunto con otra sustancia produce una liberación de energía que es en algunos casos es calor en forma de llama. Para que exista combustión se representa mediante el conocido triangulo del fuego, los factores para explosión tienen que ser 1). Oxígeno, 2). Calor, 3) Combustible. De manera que para que no exista una explosión se debe eliminar alguno de estos tres factores mencionados, con la realización de este dispositivo se elimina el factor del combustible. En la Figura 3 se muestra la banda limitada de concentración de gas/aire que producirá una mezcla de combustible. Esta banda es específica para cada gas y vapor, y está vinculada con un nivel superior, conocido como el límite superior de explosividad (LSE) y un nivel inferior, denominado límite inferior de explosividad (LIE).[7]

Si la concentración del gas es menor que el LIE no habrá suficiente combustible para explotar por otro lado si la concentración del gas es mayor que el LSE la mezcla tendrá muy poco oxígeno para ser inflamable. La densidad del Vapor es la determinante para la ubicación del sensor, la densidad de un gas/vapor se compara con el aire, Teniendo en cuenta que el aire = 1,0: La densidad del vapor < 1,0 entonces el gas ascenderá. La densidad del vapor > 1,0 entonces el gas descenderá. C. El sensor MQ-9 El sensor MQ-9 es un sensor a base de dióxido de estaño (SnO2) que tienen una conductividad baja en aire limpio, Cuando detecta el monóxido de Carbono empieza a calentar alrededor de 1.5 volt y enseguida y a medida que las concentraciones de partículas aumenten calienta hasta una temperatura máxima de 5 Volt. Se utiliza una interfaz sencilla para la lectura análoga del sensor. Además detecta gases que contenga la presencia del monóxido de carbono, es económico en el mercado y se puede utilizar en diferentes aplicaciones. Este modelo posee un encapsulado de baquelita y puede leer concentraciones de Monóxido de Carbono entre 10 y 1000 ppm lo cual se determina como suficiente para la aplicación ya que los indicios de problemas con respecto al monóxido de carbono en la salud humana están en el rango de (25 a 50) ppm se recuerda que la dosis mortal es cuando supera las 1000ppm es semejante a que la lectura del sensor este en el rango de 5 volt. Además dicho sensor tiene la capacidad de detectar, entre los gases combustibles, rangos desde 100ppm hasta 10000ppm lo que cubre en gran parte el rango inflamable de estos gases. La estructura y configuración del MQ-9 está compuesta de un tubo de micro cerámica Oxido de Aluminio (AL203) y una capa sensible de dióxido de estaño (SnO2), el electrodo de medición y el calentador se fijan en una corteza fabricada en plástico y acero inoxidable tiene en total 6 Pines los cuales 4 de ellos se utilizan para recoger señales y 2 para proporcionar corriente de calentamiento.

D. Encabezados de Sección Se acondicionó un aditamento que está conectado al motor y este a su vez a la válvula de paso Figura 4.

Figura 4 Válvula de Paso, realizada con Sketchup Fuente Autores

se utilizó las partes que ya vienen con el motor y se adicionó la pieza en mención para que esta manera se aferrara en la válvula, ahora bien, dentro de la pieza se tuvo en cuenta el diseño de dos clases diferentes de válvulas que se encuentran el mercado, difieren particularmente en las aletas son planas como en la mostrada en la Figura 4 o terminar con una inclinación, para esto entoncex|s se diseñó una pieza modelo 3D con la capacidad de ajustarse a dichas características, la cual se prototipó en una impresora 3D a base de Nylon el mismo material utilizado en el servo motor, el acople final es similar al que se muestra en la Figura 5.

en ese punto no se escucharan más señales de audio pero si se mantendrá una señal intermitente para que el usuario accione de nuevo la apertura de la válvula. De esta manera el dispositivo impedirá con total seguridad las muertes azules que se generan por el monóxido de carbono y en su medida no habrá explosiones pues nunca alcanzará los rangos de inflamabilidad y se determinaran como “sustancia pobre” la cual no causa explosión. F. La instalación Para la instalación del dispositivo es necesario realizar perforaciones básicas en el muro para asegurar el dispositivo a la válvula de paso. Se recuerda que por norma la válvula de paso se encuentra a una distancia no mayor de 2 metros del gasodomestico, una de las ventajas de safe gas es que se puede utilizar en todas las válvulas de paso que se encuentran en el mercado ya que la remoción del aditivo es intercambiable entre las diferentes formas de válvulas. La Figura 6 muestra la disposición de los elementos internos de Safe Gas y el acople que se debe realizar para que funcione correctamente.

Figura 5 Acople con aditamento motor y válvula de paso Fuente: Autores

E. La programación

Figura 6 Disposición de los elementos en conjunto con la válvula de gas de paso

La secuencia lógica de este dispositivo se basa en siempre estar censando el ambiente en el que se encuentre de esta manera tener la certeza y seguridad para la prevención de accidentes, ahora bien se conoce ya, que el sensor en ambiente limpio es decir que no tenga lectura de partículas emite una lectura de análoga de 1.5 voltios. Por otro lado se ha dispuesto un ciclo infinito de programación en el cual alcanza a tomar 50 muestras por segundo, Ahora bien en ese orden de ideas y por las investigaciones realizadas sobre el monóxido de carbono se ha escogido que el rango de alerta este entre las 40ppm y 50ppm emitiendo una señal audible y visual, cuando el rango del sensor supere la barrera de los 50ppm este emitirá una señal directamente al servomotor cerrando de esta manera la válvula,

Teniendo en cuenta una caja genérica de válvula de paso en necesario realizar dos perforaciones en contraposición de esta manera el dispositivo queda fijo y puede asegurar que el movimiento rotatorio no tenga inconvenientes. Enseguida es necesario colocar dos partes metálicas hechas en aluminio que aseguran la caja al muro en este punto es necesario tener en cuenta las posibles conexiones intramurales que tengan los tubos de gas a fin de evitar perforaciones indeseadas. Finalmente se ajusta la caja a las partes metálicas mediante tornillo y tuerca. Ver figura 7

ambientales para la determinación del sensor, puesto que la utilización de Safe Gas en jornadas cotidianas de cocción de alimentos, se evidencia que al cocinar se generan grasas que se alojan en todas las partes de la cocina, inclusive en las válvulas de gas de paso donde está ubicado el desarrollo de este proyecto, para ello, entonces se utilizó una tela que recubre el sensor, dicha tela absorbe las grasas generadas por la cocción de alimentos. En prototipos de fabricación en masa de Safe gas dicha tela puede ser removible y lavable con la utilización de amónico, detergentes y agua y reutilizable, esto con el objetivo de prolongar la vida del dispositivo y segundo siempre esté leyendo valores reales de esta manera afianzando la lectura plena de los gases que surgen en la cocina.

Figura 7 Las partes para instalación de Safe Gas. Fuente Autores

G. Datos Técnicos SAFE GAS lleva en su interior un microcontrolador ATmega32u4, el cual opera a 5 volt la tarjeta (PCB) está en la capacidad de recibir hasta 12 Volt gracias al regulador interno. Tiene una fuente voltaje 110/6 volt a 300mA. Safe GAS consume alrededor de 120mA cuando no tiene carga es decir sin la detección del número permitido de partículas, en cambio en el momento que el sensor detecta más de 50 partículas por millón la corriente se eleva alrededor de 300 mA. Posee una batería de Litio de 3500mA por lo que realizando cálculos pertinentes tiene una duración de aproximadamente 18 horas, cuando el suministro de energía se vea afectado o con interrupciones. El motor utilizado es un servomotor con engranaje fabricado en Nylon con engranaje en metal en su interior, pesa alrededor de 43 gramos. El torque máximo es de 51 onzas por pulgada o en otras palabras 3.7 kg por centímetro, además que posee un ensamble de engranajes de tipo transmisión multiplicadora con una proporción mayor a 3 IV. CONCLUSIONES Queda en evidencia que el desarrollo del dispositivo controlado no solo está definido para el sensor utilizado, para este desarrollo se puede emplear para una amplia variedad de aplicaciones que de nuevo convergen en los hogares hasta las industria siguiendo las prescripciones y normas establecidas, gracias a que la versatilidad de los sensores base utilizados también pueden ser implementados en la Industria. Dentro del análisis de adelantos tecnológicos que giran en torno al desarrollo de dispositivos controlados con la utilización de sensores de gas se consideran las condiciones

Ahora bien, al descubrir que las grasas afectaban el dispositivo, cambio considerablemente el planteamiento de escoger un sensor adecuado para el desarrollo de este proyecto, sin embargo como se utilizó una tela especial para que capture esas grasas, se realizaron pruebas pertinentes con el nuevo aditamento. Aunque la lectura de partículas por millón cambió en algo mínimo, se efectuaron de nuevo las pruebas pertinentes para que el aparato consiguiera su misma eficacia al censar. Esto simplemente asumiendo de que la cantidad de partículas por estar afuera de la malla protectora fuera la misma, se realizaron cambios en la conversiones de voltaje Vs partículas por millón. De esta manera de nuevo, adquiriendo la eficacia para tener la confianza con el dispositivo. Se prepara el terreno para que las nuevas válvulas y en especial las válvulas de paso (que son las utilizadas dentro de los hogares) ya traigan integrado un dispositivo como el desarrollado en este documento, de esta manera la válvula no deja de ser manual, pues los casos de emergencia de cualquier clase se pueden presentar, pero si estaría implementado de una mejor forma el acople válvula – motor para que de esta manera pueda estar un dispositivo mucho más compacto y se eviten los problemas mencionados de mortalidad en los hogares Colombianos, en ese sentido es claro, que para convertir este dispositivo en confiable es necesario calibrarlo con los patrones impartidos por las empresas certificadoras, teniendo en cuenta los aditamentos colocados para protección de los vapores generados por la cocción.

BIBLIOGRAFÍA [1]

R. A. Muñoz Tabarquino, “LOS SERVICIOS PÚBLICOS DOMICILIARIOS EN COLOMBIA UNA MIRADA DESDE LA CIENCIA DE LA POLÍTICA PÚBLICA Y LA REGULACIÓN,” Gestión y Políticas Públicas, no. 24, 2011.

[2]

Ministerio de minas y Energía, “Cobertura del servicio de gas natural - iii trimestre de 2013,” Sect. Gas, pp. 1–15, 2013.

[3]

H. D. E. Suba, “30 / Septiembre / 2013 BOLETÍN No . 68 Semana Epidemiológica 36 a 39,” BOLETÍN EPIDEMIOLÓGICO Dist. INTOXICACIONES POR MONÓXIDO CARBONO INTRAMURAL, 2013.

[4]

Observatorio ambiental de Bogotá, “Casos de Intoxicaciones Intramural por Monóxido de Carbono,” 2012. [Online]. Available:

http://oab.ambientebogota.gov.co/index.shtml?s=l&id=531#. [Accessed: 16-Dec-2013]. [5]

“MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO RESOLUCIÓN NÚMERO 1509,” vol. 1509, 2009.

[6]

J. Téllez, A. Rodríguez, and A. Fajardo, “Contaminación por monóxido de carbono: un problema de salud ambiental,” Rev Salud Pública, vol. 8, no. 1, pp. 108–117, 2006.

[7]

Honeywell, El libro del gas: Detección de gas. 2014, p. 59.