ES2281991A1 - Sistema portatil de analisis para la elaboracion de mapas de contaminantes y olores. - Google Patents

Abstract

Sistema portátil de análisis para la elaboración de mapas de contaminantes y olores. La presente invención detalla un sistema portátil para el análisis de contaminantes y olores en tiempo real con posibilidad de elaboración automática de un mapa de olores. La medida de contaminación y olores solo se puede realizar en pocos puntos actualmente debido al volumen y coste de los equipos. Con el instrumento objeto de la invención se pueden realizar medidas continuas en multitud de puntos y por tanto elaborar mapas detallados de contaminantes y olores en tiempo real. Partes básicas del invento en el que i es el ordenador, ii el sistema de nariz electrónica y iii el sistema de posicionamiento por satélite.

Description

Sistema portátil de análisis para la elaboración de mapas de contaminantes y olores.

Sector de la técnica

La presente invención concierne a un instrumento para la medida de olores y contaminantes para aplicaciones medioambientales.

Estado de la técnica

Está generalmente aceptado que niveles altos de contaminación atmosférica se asocian con un exceso de morbi-mortalidad. Por ello las autoridades se plantean la necesidad de limitar la emisión de contaminantes a la atmósfera y, sobre todo, de acometer actuaciones de vigilancia de la calidad del aire ambiente. En España, actualmente, existe un conjunto de redes de vigilancia de la contaminación atmosférica, dependientes de Comunidades Autónomas y Ayuntamientos, que miden valores de inmisión de los principales contaminantes en áreas urbanas y zonas industriales. Los datos registrados en estas redes son suministrados a la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental del Ministerio de Medio Ambiente que, a su vez, los remite a la Unión Europea. El número de estaciones se incrementa cada año, así como la cantidad de contaminantes analizados.

Los métodos de captación y análisis de los contaminantes atmosféricos pueden ser manuales o automáticos. Los captadores manuales aspiran a lo largo del día una muestra que posteriormente se analiza en laboratorio. Por su parte, los captadores automáticos aspiran una muestra de aire en intervalos de tiempo más cortos, generalmente cada tres minutos, que se analizan en la propia estación. Los datos de estos analizadores se remiten cada media hora a la estación central de la red, donde son almacenados los 48 valores semihorarios diarios.

Los principales contaminantes atmosféricos aparte de las partículas en suspensión son SO_{2}, NO_{x}, ozono y CO entre los inorgánicos y tolueno y benceno entre los orgánicos. El método utilizado para las muestras de SO_{2} por las estaciones manuales es la espectrofotometría con el método de Thorina o el de la pararosanilina, mientras que las estaciones automáticas usan la fluorescencia ultravioleta. La técnica de medida de los óxidos de nitrógeno es la quimiluminiscencia, de referencia para la vigilancia de este contaminante recogida en la Directiva de la Comunidad Europea. El principio de medida se basa en la reacción del NO con el O_{3} para formar NO_{2}. En el caso del CO, la determinación se hace por absorción infrarroja. Se detecta la energía de absorción característica de la molécula de CO. Las líneas del espectro permiten distinguir al CO de otras sustancias interferentes (dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno). Por último, el método usado en la medición de ozono es la absorción de la radiación ultravioleta, basado en los cambios de intensidad de un haz de luz ultravioleta al atravesar un cierto volumen de gas que contiene moléculas de O_{3}. Aunque existen equipos móviles para las medidas de estos contaminantes en puntos fuera de la red fija, dichos equipos requieren un gran volumen y generadores eléctricos auxiliares debido a su gran consumo. Suelen ir instalados en camiones o furgonetas.

El control de olores es un problema complicado por muchas razones; una de las más importantes es la dificultad para medirlos de manera objetiva, pero esta y otras dificultades se encuentran en vías de solución, por lo que pronto podremos encontrarnos con normas legales que establezcan límites a la emisión de olores. Como la medida de olores está íntimamente ligada a la medida de compuestos orgánicos volátiles, generalmente se recurre a métodos como la cromatografía de gases-espectrometría de masas. Estos sistemas presentan problemas de tamaño, coste y facilidad de operación.

En los últimos años se han desarrollado alternativas a los métodos convencionales de análisis mediante los sensores de gases. Existen multitud de tipos de sensores de gases dependiendo en su principio de operación: calorimétricos, resistivos, electroquímicos, gravimétricos, etc. De todos ellos los más utilizados son los resistivos en los que la resistencia del material cambia al absorber moléculas gaseosas. Con la integración de estos dispositivos en silicio y su reducción de tamaño y potencia se han convertido en candidatos ideales para aplicaciones portátiles [I. Gràcia, J. Santander, C. Cané, M. C. Horrillo, I. Sayago and J. Gutierrez, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 77, 1-2(2001), pp. 409-415]. Los sensores resitivos han demostrado ser candidatos eficaces para la medida de bajas concentraciones de contaminante atmosféricos inorgánicos [J. Santos, P. Serrini, B. O'Beirn and L. Manes, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 43, 1-3(1997), pp. 154-160] y orgánicos [M. Aleixandre, I. Sayago, M. C. Horrillo, M. J. Fernández, L. Arés, M. García, J. P. Santos and J. Gutiérrez, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 103, 1-2(2004), pp. 122-128]. Otros dispositivos como microbalanzas de cuarzo y sensores de ondas acústicas superficiales se utilizan para la detección de gas. En estos tipos de dispositivos gravimétricos las moléculas de gas se absorben reversiblemente sobre una capa de material polimérico. Estos sensores presentan una gran sensibilidad a compuestos orgánicos volátiles pero tienen el inconveniente del tamaño. Por otra parte actualmente se están desarrollando otros dispositivos gravimétricos de reducidas dimensiones tipo microvigas donde una viga de silicio se hace oscilar a una frecuencia determinada. Cuando las moléculas gaseosas se absorben sobre la película sensible se obtiene un cambio en la frecuencia de resonancia.

Cuando se necesita identificar o cuantificar los componentes de una mezcla compleja se recurre a un conjunto de sensores no específicos conjuntamente con técnicas de reconocimiento de patrones. A esto es lo que comúnmente se le llama "nariz electrónica". Existen en la actualidad un gran número de grupos dedicados a la investigación en dichas narices electrónicas. Una revisión del estado actual de las narices electrónicas aplicadas a productos frescos se encuentra en [S. Ampuero and J. O. Bosset, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 94, 1(2003), pp. 1-12]. Incluso hoy en día se pueden encontrar algunos ejemplos comerciales. En aplicaciones de sobremesa podemos encontrar aparatos como los de Aromascan (patente WO9600896). Entre las narices portátiles destaca la patente US6085576 de Cyrano Sciences Inc. que describe un aparato portátil para la identificación de vapores y el sistema PEN de AirSENSE Analytics (EP1058846). La mayoría de estas narices se utilizan para la detección de compuestos orgánicos volátiles siendo su aplicación principal en el campo de la alimentación. Algunos pocos modelos tienen aplicaciones ambientales para detección de compuestos orgánicos volátiles como la zNose de Electronic Sensor Technology (US5289715). Esta nariz está basada en microbalanzas de cuarzo y dispositivos SAW e incorpora una columna cromatográfica para la separación de compuestos. El hecho de incorporar una columna para la separación de compuestos y del elevado peso total del sistema hace que este aparato deba considerarse más como un cromatógrafo portátil que como una nariz electrónica. En ninguna de las patentes citadas se menciona la posibilidad de conectar el aparato a una red informática para efectuar un control o medidas remotas.

Por otra parte existen varias patentes españolas entre las que cabe destacar la del propio grupo de investigación (ES 2 121 699 B1) que consiste en un sistema portátil para determinar compuestos orgánicos volátiles en suelos y la de la Universidad de Barcelona (ES 2 173 048 A1) en la que se describe un instrumento y método para el análisis identificación y cuantificación de gases y líquidos. Esta última es la única que propone la conexión del aparato a una red informática para el control y la medida, aunque su uso principal es para sistemas estáticos. De hecho no se menciona la posibilidad de conexión inalámbrica y tampoco la posibilidad de uso de sensores gravimétricos tipo microvigas de silicio. Tampoco se especifica la posibilidad de detección de contaminantes inorgánicos.

Sin embargo lo que realmente diferencia nuestro instrumento de los citados anteriormente es su capacidad de elaborar mapas de olores o contaminantes debido al sistema de información geográfica integrado en el mismo. Gracias a la inclusión de un receptor de goeposicionamiento mediante satélite y el programa adecuado se pueden relacionar las medidas químicas con medidas de posición.

Compendio

La presente invención detalla un sistema portátil para el análisis de contaminantes y olores en tiempo real con posibilidad de elaboración automática de un mapa de olores. Este sistema podría ser de gran utilidad en las ciudades donde generalmente la contaminación atmosférica se mide en muy pocos puntos debido al tamaño y coste de los sistemas analíticos empleados.

El sistema comprende las siguientes partes principales:

a) Un conjunto de sensores químicos sensibles a contaminantes y olores (compuestos orgánicos volátiles). Dichos sensores pueden ser resistivos, como microsensores de óxido de estaño, o gravimétricos como microvigas.

b) Una celda de material inerte que alberga los sensores.

c) Un sistema de tubos, bombas y válvulas para la introducción de muestras hacia los sensores.

d) Un conjunto de placas electrónicas para proporcionar potencia de calefacción y señales de excitación a los sensores así como a las válvulas y bombas.

e) una carcasa metálica que contiene las placas electrónicas y los conectores de entrada y salida del gas.

f) Un sistema automático de control y proceso con tarjetas de adquisición de datos y de comunicación. Asimismo dispondrá de tarjetas de comunicación inalámbrica

g) Un dispositivo geoposicionamiento por satélite para la localización geográfica del aparato.

h) Un software de adquisición y control y un software de proceso de datos y generación de mapas.

Breve explicación de las figuras

En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del analizador con las tres partes principales: celda de medida con los sensores químicos, electrónica y sistema fluídico y sistema automático de control y proceso portátil con periféricos de medida. 1 Tarjeta de entradas analógicas. 2 Tarjeta de salidas analógicas y digitales. 3 Receptor GPS. 4 MODEM GSM o red inalámbrica. 5 Cable USB. 6 Cable PCMCIA 7 Placa de amplificadores calefacción y polarización de los sensores. 8 Fuentes de alimentación, batería y cargador. 9 Circuito interfaz de medida de los sensores. 10 Placa de control. 11 Bomba de aire. 12 Filtro de aire. 13 Válvula de selección del camino de aire. 14 Entrada de calibración. 15 Sistema de extracción de olores. 16 Entrada de medida.

En la figura 2 se muestra la celda de medida fabricada en acero inoxidable donde se encuentran alojados los sensores. 2a Planta y el alzado de la celda de medida. 2b Corte longitudinal de dicha celda. 17 Tapa de la celda de medida con entrada y salida de gas. 18 Parte central que contiene los sensores. 19 Parte inferior con las conexiones eléctricas. 20 Zócalos para los módulos de los sensores. 21 Placa impresa que une los zócalos con las conexiones eléctricas. 22 Cable de conexión eléctrica. 23 Conector pasante.

En la figura 3 se muestra la respuesta en forma de gráfico PCA del instrumento a varias sustancias volátiles. Los ejes PC1 y PC2 se corresponden con los dos primeros componentes principales de dicho análisis.

En la figura 4 se muestra la respuesta del instrumento en forma de gráfico PCA a contaminantes orgánicos e inorgánicos. Los ejes llamados factor 1 y 3 se corresponden con los factores 1 y 3 de dicho análisis.

En la figura 5 se muestra un mapa de contaminantes de una zona de Madrid con la ayuda del instrumento. Alto medio y bajo referido al nivel de contaminación detectado.

Descripción detallada de la invención

El instrumento de análisis de olores y contaminantes comprende:

a)

Al menos un sensor químico. Dichos sensores son preferentemente multisensores integrados en un chip de silicio o también sensores individuales.

b)

Al menos una celda de análisis que alberga los sensores químicos. Dicha celda está construida con un material inerte.

c)

Un sistema fluídico, compuesto por al menos un sistema de extracción de olores, un filtro, una bomba y una electroválvula y sus correspondientes tubos de conexión, con el cual se introducen las muestras gaseosas en la cámara de análisis.

d)

Electrónica asociada a los sensores y sistema fluídico que comprende al menos un módulo electrónico de potencia para la calefacción o excitación de los sensores químicos, un módulo de activación del sistema fluídico y un módulo de medida de la respuesta de los sensores.

e)

Una carcasa metálica que contiene el sistema fluídico, los módulos electrónicos, los conectores de entrada y salida de la muestra y los conectores de entrada y salida de señales eléctricas.

f)

Un sistema automático de control y proceso portátil que contiene al menos una tarjeta de entrada/salida para el control de calefacciones, sistema hidráulico y adquisición de datos y una tarjeta de comunicación inalámbrica (Wi-Fi, MODEM GSM o GPRS, etc.).

g)

Un dispositivo geoposicionamiento por satélite para la localización geográfica del aparato conectado a un puerto de E/S del sistema automático de control y proceso portátil.

h)

Un software de adquisición, control y comunicaciones, un software de reconocimiento de patrones y un sistema de información geográfica (SIG). Este software permite la medida en tiempo real de las respuestas de lo sensores, el control de los distintos módulos electrónicos y la adquisición de la coordenada geográfica actual del aparato. El software de reconocimiento de patrones clasifica y/o cuantifica la muestra analizada. El SIG permite la creación de un mapa de olores y/o contaminantes con los datos geográficos y la respuesta de los sensores.

i)

Un método para el entrenamiento de las técnicas de reconocimiento de patrones. En el caso de contaminantes se presentarán repetidamente concentraciones conocidas de los gases. En el caso de olores el entrenamiento se hará a partir de los datos obtenidos de un panel humano.

El uso de un ordenador portátil como sistema automático de control y proceso confiere gran flexibilidad al sistema pues permite el uso de lenguajes de programación de alto nivel, la disponibilidad de hardware de entrada y salida como puertos serie, paralelos, USB, módems, tarjetas de comunicación inalámbrica, etc. y el almacenamiento de gran cantidad de medidas y programas para reconocimiento de patrones en el disco duro.

El instrumento está enfocado para su uso en un sistema móvil con la finalidad de elaborar mapas de contaminantes y olores. Su campo de aplicación natural será por tanto el ambiente urbano contaminado aunque también puede usarse en ambientes rurales con problemas de olores debidos a vertederos, granjas agrícolas, etc.

También puede usarse el instrumento como una nariz electrónica fija convencional para el análisis de muestras gaseosas complejas con aplicaciones en el campo industrial, alimentario, etc.

Ejemplos de realización

En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del analizador con las tres partes principales: A) Carcasa metálica que incluye las tarjetas electrónicas, la fuente de alimentación, el sistema fluídico y los conectores de entrada y salida; B) Ordenador portátil con tarjetas PCMCIA de entrada y salida, una tarjeta de comunicaciones y un dispositivo receptor de geoposicionamiento por satélite; C) Celda de medida donde se alojan los sensores químicos. La función de cada elemento se especifica a continuación. En el bloque A los elementos 14 y 16 son las entradas de los gases de calibración y muestreo y se seleccionan mediante la electroválvula 13. Un sistema de extracción de olores 15 (por ejemplo un preconcentrador de ténax u otro absorbente dependiendo de la aplicación) puede ser introducido entre la entrada de la muestra y la electroválvula de selección. Las muestras pasan por un filtro de humedad 12. La bomba 11, cuyo caudal se controla en tensión, arrastra los gases hasta la salida conectada a la entrada de la cámara de sensores.

El bloque electrónico está formado por una fuente de alimentación de 12 V con batería y cargador 8, una tarjeta con buffers para la calefacción y excitación de los sensores 7, una tarjeta con puentes de resistencias y amplificadores para la medida de la respuesta de los sensores 9 y una tarjeta con buffers y transistores de potencia para el accionamiento de la electroválvula y el control de la bomba 10. A todas las tarjetas llegan las señales de control provenientes de la tarjeta PCMCIA de salidas analógicas y digitales. De la tarjeta de medida salen las señales correspondientes a la tarjeta PCMCIA de entrada analógica para la adquisición de las respuestas de los sensores. Todas estas señales se distribuyen en los conectores 6.

En el bloque B se muestra el ordenador portátil junto con los periféricos. En la ejecución de la presente invención los periféricos son los siguientes: una tarjeta PCMCIA de salidas analógicas y digitales 1, una tarjeta PCMCIA de entradas analógicas 2, un receptor de geoposicionamiento por satélite 3, y un módem GSM ó tarjeta de red inalámbrica 4. El módem y el receptor de geoposicionamiento por satélite van conectados a puertos USB 5 del portátil.

En la figura 2a se muestra la planta y el alzado de la celda de medida fabricada en acero inoxidable donde se encuentran alojados los sensores distinguiéndose las tres partes de la que consta: tapa superior 17 con los conectores de entrada y salida de gas (conectores para tubo de acero de 1/8'' de diámetro), parte central 18 que contiene los sensores y parte inferior 19 con el conector eléctrico. La figura 2b es un corte longitudinal de dicha celda donde se puede apreciar una placa de circuito impreso 21 con zócalos TO-8 donde se colocan dos módulos de sensores químicos 20. Dichos módulos pueden estar constituidos por cualquier combinación de multisensores resistivos y gravimétricos. En la realización preferida los dos módulos comprenden cuatro sensores de óxido de estaño sobre silicio cada uno. Las conexiones eléctricas se realizan mediante cable rígido 22 a través de un conector pasante 23.

El software está basado en un sistema operativo diseñado para correr en ordenadores personales. La adquisición de datos y control de la medida se realiza con un programa desarrollado en un entorno de programación orientado a objetos. Para el reconocimiento de patrones y tratamiento de los datos geográficos se ha elegido otro lenguaje de programación orientado a objetos enfocado al tratamiento estadístico de los datos. Se han utilizado módulos de redes neuronales y mapas. Ambos programas pueden intercambiar datos y hacer llamadas a funciones del otro.

El sistema tiene dos modos de operación principales: modo de entrenamiento y modo de clasificación. En el modo de entrenamiento se hace pasar repetidamente muestras de composición conocida al aparato para obtener unas respuestas que se guardan en una base de datos. Esta base de datos sirve para entrenar una red neuronal artificial. En el ejemplo preferido de realización la red entrenada es de tipo probabilística. Una vez que se han obtenido un número suficiente de datos y entrenado la red el sistema puede funcionar en modo clasificación. En este modo se hace pasar por el analizador una muestra desconocida y se obtiene una identificación o incluso una cuantificación de los componentes de la misma. Cuando el sistema se usa para elaborar un mapa de contaminantes u olores, o sea con el sistema en un medio móvil la toma de muestra gaseosa y la medida de la posición con el receptor de geoposicionamiento por satélite se realizan simultáneamente. La salida de la red neuronal junto con la coordenada geográfica es enviada al módulo de procesamiento de datos para generar el punto correspondiente en el mapa. Estos datos pueden ser transmitidos a un ordenador central de proceso a través de la red inalámbrica o módem para posterior tratamiento de los datos como puede ser hacer una interpolación de los puntos de medida.

La respuesta del instrumento se presenta al usuario en forma de gráfico PCA en donde se condensa toda la información de la respuesta de los sensores a un solo punto en una gráfica bidimensional. En este tipo de análisis se fabrican una nueva seria de sensores virtuales (llamados componentes principales, PCs o factores) mediante medias aritméticas ponderadas cuyos coeficientes se calculan mediante el PCA de forma que en los primeros sensores se condense la mayor parte de la información. De esta forma seleccionado los primeros componentes principales permite una representación bidimensional de los datos. Así la figura 3 muestra un ejemplo de una posible respuesta del sistema en forma de gráfico de Análisis de Componentes Principales (PCA). En este gráfico se ven las respuestas de los sensores a los vapores de cinco muestras líquidas simples y complejas: agua destilada, una disolución de etanol en agua al 12% en volumen, disoluciones de acetaldehído y acetato de etilo en agua a 2% en volumen y un vino blanco de la variedad malvar. Los ejes de la figura representan el componente principal 1 (PC1) y el componente principal 2 (PC2) de dicho análisis PCA. Se puede comprobar que los puntos correspondientes a cada sustancia se encuentran agrupados y separados de los de las demás.

En la figura 4 se puede ver el gráfico del Análisis de Componentes Principales que se hizo de las respuestas del aparato a cuatro contaminantes atmosféricos: dos orgánicos (octano y tolueno) y dos inorgánicos (NO_{2} y CO). Las concentraciones varían entre las 50 y 200 partes por millón en volumen para octano, tolueno y CO y entre 0.5 y 2 ppm para el NO_{2}. En este caso hemos elegido para representar en la figura el componente principal 1, llamado en este caso factor 1, y e en vez del componente principal 2, el componente principal 3 (factor 3) ya que visualmente daba una mejor separación.

El sistema, como se señaló más arriba, suele dar una respuesta en forma de clasificación o de concentración. Para las redes neuronales que se utilizaron para la clasificación de las sustancias de los ejemplos anteriores y usando patrones de calibración obtenidas con el mismo instrumento anteriormente se obtuvo un porcentaje de acierto (número de muestras clasificadas correctamente dividido por número total de muestras) mayor del 90%.

Como la aplicación principal del instrumento es la elaboración de mapas de olores y contaminantes en la figura 5 se muestran los resultados de una serie de medidas en los alrededores de la calle Serrano en Madrid realizadas en un intervalo de dos horas. Se entrenó una red neuronal para que clasificase las muestras en tres niveles de contaminación (contaminación alta, contaminación media y contaminación baja) de contaminación dependiendo de las concentraciones de cuatro contaminantes (NO_{2}, CO, O_{3} y SO_{2}). Aunque se ha mostrado solo un mapa con las medidas puntuales el sistema permite la realización de mapas continuos tipo raster o vectoriales como por ejemplo con curvas de nivel de contaminantes.

Claims (5)

1. Instrumento portátil para el análisis de olores y contaminantes con representación cartográfica de los mismos caracterizado porque está formado por una celda de medida con sensores químicos micromecanizados, una carcasa con el sistema fluídico y electrónico, un sistema automático de control y proceso con módulos periféricos y un receptor de geoposicionamiento por satélite para la localización geográfica del aparato conectado mediante un puerto de E/S (USB o RS232) al sistema automático de control y proceso.

2. Instrumento según la reivindicación 1 caracterizado porque la celda de medida contiene al menos dos conjuntos de sensores químicos micromecanizados, resistivos (basados en óxidos metálicos, nanotubos de carbono o algún otro material) o gravimétricos del tipo membranas o microvigas de silicio de alta velocidad de respuesta, alta sensibilidad a contaminantes orgánicos e inorgánicos (del orden de partes por mil millones, ppbs) y bajo consumo.

3. Instrumento según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema fluídico comprende al menos dos entradas de gases, un módulo de extracción de olores preferentemente por absorbente químico (Ténax, carbón activo u otra sustancia) y desorción térmica, un filtro de humedad para reducir el contenido de vapor de agua de la muestra a niveles menores del 1% y una electroválvula preferentemente de corriente continua y bajo consumo.

4. Instrumento según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema automático de control y proceso contiene al menos una tarjeta de entrada/salida PCMCIA, para bus PCI ó ISA o bien por conexión mediante los puertos USB ó RS232 para el control de calefacciones de los sensores, sistema hidráulico y adquisición de datos y una tarjeta de comunicación inalámbrica basada en alguno de los estándares IEEE 802 (como por ejemplo Wi-Fi ó Bluetooth) ó GPRS.

5. Instrumento portátil para el análisis de olores y contaminantes con representación cartográfica de los mismos según la reivindicación 3 caracterizado porque el SIG permite la creación de un mapa de olores y/o contaminantes a partir de los datos geográficos proporcionados por el receptor de geoposicionamiento y la salida del módulo de reconocimiento de patrones.