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Wireless temperature sensing in hostile environments using a microcontroller powered by optical fiber

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2017
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2017-10-02
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Uno de los mayores riegos del mundo industrial es el fallo de las maquinarias y aparatos que los forman. Un error, provocado por la causa que sea, puede tener consecuencias fatales, no solo para la empresa sino también para todo su entorno. Estas máquinas trabajan con altas cantidades de energía, por lo que su control y monitoreo disminuye los riesgos y asegura una mayor seguridad a la hora de trabajar con ellos. Un ejemplo de este tipo de máquinas son los transformadores. Estos dispositivos trabajan con circuitos eléctricos que intercambian altas cantidades de potencia para el funcionamiento y distribución eléctrica. Existen distintos parámetros a medir para poder monitorear el estado en que se encuentran estas máquinas, pero uno de los principales es la temperatura, y en ese se va a basar este proyecto. Controlar la temperatura de un transformador supone controlar el interior del mismo, y con ello asegurarse de que funciona correctamente, y que sigue en el periodo de su vida útil, ya que el envejecimiento y desgaste de esta puede llegar a generar graves consecuencias. La temperatura se va a medir utilizando un sensor de instrumentación. Para su diseño, la principal característica a tener en cuenta es la necesidad de que se adapte al entorno hostil que rodea a los transformadores. Es por ello que se va a utilizar un sensor de fibra óptica, inmune a las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, y garantizando un bajo coste. La información del sensor se va a obtener con un microprocesador, conectado en el punto de salida de señal del sensor. Este dispositivo va a obtener la data correspondiente y la va a transmitir al módulo de comunicación, encargado de emitir los resultados a la unidad de control. Como sistema de comunicación, se va a utilizar un protocolo inalámbrico. El protocolo ZigBee asegura una robustez y rápido start-up, así como un diseño simple y sencillo. Finalmente, la interfaz de ordenador se va a diseñar con el programa LabView. Va a tener la funcionalidad de punto de control, con la capacidad de activar el funcionamiento de la red sensorial, y su casi inmediato monitoreo. Eso es, que la interfaz estará diseñada para obtener la data emitida por el sensor, y analizarla, dándole al usuario la información correspondiente, casi en tiempo inmediato. Por lo que es posible conocer, casi al momento, la temperatura a la que se encuentra el sensor, por ende la temperatura en el transformador. En caso de requerir un sistema totalmente inmune a las interferencias electromagnéticas, la alimentación del sensor se podría hacer a través de la tecnología PoF (Power over Fiber). Utilizando un sistema ya diseñado e implementado de la universidad, se van a adaptar sus parámetros a los requerimientos del sistema para observar sus resultados, tanto teórica como experimentalmente. Este proyecto consiste en el diseño e implementación de todos los distintos componentes del sensor de temperatura, es decir, la fibra óptica y sus circuitos de adaptación, la programación del microprocesador, el establecimiento de la comunicación inalámbrica, y el diseño de la interfaz. Una vez implementado todo el sistema, se van a realizar distintas pruebas, donde se va a someter al sensor a bruscas variaciones de temperaturas para estudiar su respuesta. Y una vez comprobado que todo el sistema funciona correctamente, se va a sustituir la fuente de tensión, por la tecnología PoF, observando los resultados y su posible futura inclusión en el desarrollo de sensores.
One of the greatest risks of the industrial area is the failure of the machines and devices composing in. Any mistake may have fatal consequences, not only for the industry but also for its environment. These machines work with high quantities of energy, so its control and monitoring decreases the risks and guarantees a greater security when working with them The transformers are an example of these machines. These devices work with electrical circuits exchanging great amounts of energy for the electrical distribution. There are different parameters that will enable the monitoring of the machine´s state, but one of the main ones is the temperature, and it is what this project will focus on. In order to control the temperature of the transformer, the sensor must be placed inside of it. This means one of the main characteristics of the designed sensor has to be its immunity to electromagnetic and radiofrequency interferences, this is why it the selected sensor uses optical fiber. The data acquisition is going to be done with a microprocessor, which will be connected to the sensor and programed to obtain the results and transmit them to communication module, which is set to emit them to the control unit. The communication is going to use a wireless protocol. The ZigBee protocol is going to provide roughness and fast commissioning, as well as a simple and nice design. The control unit is going to be designed with the LabView program. Its programming include the acquisition of the data received from the sensor and its analysis. This means it will take the results and give the user its equivalent temperature value, almost immediately to the response of the sensor. This way it is possible to know the temperature the sensor is at, hence the temperature of the transformer. In case of requiring a system totally immune to interferences, the system will have to be powered with a PoF technology. A PoF system already designed and implemented is going to be adapted to the system, and tested to read its response. The project consists on the design and implementation of the sensor temperature, and all its components, this is the optical fiber and its adaptation circuits, the microprocessor´s programming, the communication and the interface design. Once the whole system is implemented, different tests are going to be done where the sensor is going to be submitted to abrupt temperature variations and its response studied. Once checked the system is working correctly the power source will be replaced with the PoF, analyzing its results and future inclusion on the sensors development.
Description
Keywords
Transformadores, Protocolo Zig Bee, LabView, Radiocomunicación, PoF (Power over Fiber) technology, Optical fiber
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