Incubadora Artificial

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Introducción

El proyecto que hemos realizado consiste en el control temperatura de una incubadora artificial para aves de corral. El control está compuesto por un PID analógico, realizado a partir de amplificadores operacionales, una etapa de potencia, que es comandada mediante una señal PWM, para entregar el calor a través de alambre resistivo y un sensor de temperatura que determina la temperatura dentro de la incubadora.

Objetivos del proyecto

El objetivo de este proyecto es aplicar conceptos adquiridos en el control de variables, como así también presentar el proceso en etapas, para una compresión más eficiente y didáctica.

Descripción del sistema

El sistema está basado en siguiente esquema:

La señal de error se compone de la salida de un comparador, que toma las señales del set point y la señal medida a través del sensor. Que forma el lazo de realimentación del PID. Esta señal de error es la que ingresa a la etapa del PID y el generador diente de sierra.

La modulación del ancho del pulso PWM en la parte del proceso, está compuesta por el controlador PID y el generador de una señal diente de sierra (generada) que son los que actúan para generar el PWM, que actúa sobre la etapa de potencia, variando el ángulo de disparo del triac. Haciéndolo trabajar en On-Off.

La acción controladora viene actuada debido a la modulación de ancho de pulso que hace disparar el triac. El cual permite conducir o no corriente a través del alambre resistivo.

La estructura del PID utilizado para el proyecto, es de un sistema en paralelo de las etapas. Es decir proporcional, integral, derivativa. Esta estructura permite obtener una mejor regulación del mismo, sobre todo en el momento de su

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sintonización debido que al estar los bloques en paralelo se pueden conectar los mimos uno a la vez. (Control Proporcional, Integral, Derivativo).

Su función de transferencia será:

( ) [

] ( )

Donde Kp es la constante de acción proporcional, Ti es la constante de tiempo de la acción integral, Td es la constante de tiempo de la acción derivativa, E(s) es la señal de error y U(s) es la señal de control.

El sistema está compuesto por 4 etapas, antes de llegar al dispositivo que proporciona el calor, en nuestro caso alambre resistivo. La realimentación está compuesta por un sensor que toma la temperatura en el interior de la incubadora e introduce la misma como una señal eléctrica al proceso y es comparada con un señal de referencia (o set point) para lograr la estabilización del sistema con el valor deseado de temperatura.

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Marco Teórico

Incubación artificial

La cría de aves es considerada una fuente alternativa de ingresos económicos; por tales motivo se presenta como una eficiente alternativa, el uso de las incubadoras artificiales de tipo casero, para el proceso de incubación de huevos, estas tienen una capacidad de incubar hasta 70 huevos por cada proceso de incubación, siendo bien manejadas se ha logrado obtener hasta el 85% de eficiencia; claro está, realizando una buena selección de huevos. El tamaño y el tipo de incubadora seleccionados depende de las necesidades y de los planes futuros de cada productor.

Los huevos de gallina pueden ser incubados de manera artificial con resultados satisfactorios. Prácticamente todos los pollos saldrán del cascarón en aproximadamente 21 días en condiciones apropiadas de temperatura (37 ºC) y humedad relativa (55%, elevándola hasta el 70% en los tres últimos días para ablandar la cáscara).

Hay básicamente dos tipos de incubadoras las incubadoras de aire forzado y ventilación natural. Las incubadoras con aire forzado tienen ventiladores que proporcionan la circulación de aire interna. La capacidad de estas unidades puede ser muy grande. Las incubadoras de ventilación natural son generalmente pequeñas. Sin ventiladores para la circulación del aire. El intercambio de aire es logrado por la subida y el escape del aire caliente, viciado y la entrada de aire fresco por la parte baja de la incubadora. Las temperaturas recomendadas varían entre los dos tipos de incubadoras.

Además del calor constante, lo más importante para conseguir que los pollos nazcan, es estar volteando los huevos diario, por la mañana y en la noche. Para llevar el control de los días y de las volteadas que llevan se marcan con un crayón o con carbón. Al final de la incubación el huevo debe tener 22 marcas.

En tiempos de mucho calor se recomienda humedecer los huevos cada semana. Cuando nacen los pollitos todavía necesitan de calor al menos dos días, pero ya no tan intenso, por eso se debe reducir la temperatura interior, y aumentando el flujo de aire en la caja para que se ventile. Al día siguiente de nacer ya se sacan de la caja para enseñarles a comer. A los dos días ya se les podrá apagar la luz y poner su cajita en un rinconcito para que se sientan protegidos y con calor.

El diseño de una incubadora es en esencia una solución de ingeniería a los parámetros biológicos de temperatura, humedad, recambio de aire y volteo. Previamente a la introducción de los huevos en la incubadora hemos de graduar perfectamente la temperatura y la humedad ya que una vez introducidos es más difícil graduar estos parámetros. Es recomendable que la incubadora esté colocada en una habitación que tenga una buena ventilación pero sin corrientes de aire.

Calentamiento de los huevos antes de la incubación

Antes de introducir los huevos en la incubadora es conveniente someterlos a un período de aclimatación. De esta manera, evitaremos variaciones bruscas de temperatura y que el vapor de agua se condense en la cáscara, taponando los poros. Los huevos se pueden pre-incubar para aumentar el porcentaje de incubabilidad. Se someten a una temperatura de 38 ºC durante 2 horas, y después se enfrían a

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temperatura ambiente antes de colocarlos en las incubadoras.

Temperatura

El calentamiento de los huevos durante la incubación artificial se produce mediante el intercambio de calor entre el aire y los huevos. De ahí se deriva, que la temperatura del aire se constituye en el factor fundamental en este proceso.

La temperatura de las incubadoras como ya se enfatizó, se enmarca entre 37 y 38 grados C. No obstante, es necesario disminuir el nivel de temperatura durante los últimos días (2 a 3) de incubación, es decir, que la temperatura se ajusta según las etapas de incubación.

Al final de la incubación, cuando ya la emisión de calor por parte del huevo es alta, la disminución de la temperatura (dentro de los límites normales) actúa, por su parte, de forma completamente inversa; estimula el consumo de los nutrientes o lo que es lo mismo, acelera el metabolismo y el desarrollo en los embriones.

Control de la temperatura durante el proceso de incubación

Mantener el nivel de temperatura en un valor estable durante el proceso de incubación no es fácil. Para lograr esta exigencia se necesita un ajuste casi perfecto de todos los sistemas de la incubadora y un trabajo eficiente de los instrumentos de control de los factores de incubación. Para que se mantenga un nivel óptimo de temperatura en el interior del gabinete de incubación es necesario contar con una interrelación muy estrecha entre los sistemas de humedad, ventilación por un lado y la temperatura por el otro. La temperatura ideal es de 37,7º C (100º F).

El nivel máximo de tolerancia debe ser de 38 º C

El nivel mínimo de tolerancia debe ser de 37 º C

Problemas con la temperatura

Mayor de lo normal:

Se adelanta el desarrollo embrionario Hay posiciones anormales de los embriones Hay gran mortalidad a partir del día 18 Más de 40°C hay gran mortalidad

Menor de lo normal:

Se retrasa el desarrollo del embrionario Hay muchas bajas en los días 3 y 4

Humedad

De la humedad del aire depende el calentamiento y la evaporación de agua de los huevos. A mayor temperatura del aire, mayor será la cantidad de vapores de agua que el mismo puede llegar a contener. Por otra parte, el aire seco es mal conductor de calor y, por tanto, se hace necesario humedecerlo a fin de lograr el necesario calentamiento de los huevos.

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De los huevos se evapora agua durante la incubación, más o menos en función de la etapa de incubación. Durante la incubación el huevo pierde agua constantemente, lo que es imposible de evitar, no obstante, el régimen de humedad que se establezca ha de ir dirigido a disminuir la evaporación de agua de los huevos durante la primera semana de incubación y acelerarla a partir de la mitad de la incubación. La pérdida de agua por evaporación ocasiona también la pérdida de calor de los huevos. De esto se infiere que, en los primeros días de incubación resulta desventajosa una evaporación excesiva de agua, en tanto que durante la segunda mitad de la incubación, la evaporación de agua es necesaria al contribuir a la eliminación del calor excesivo contenido en el huevo.

Al final del proceso de incubación se hace necesario elevar la humedad a fin de facilitar el reblandecimiento de las membranas de la cáscara y, con ello, el picaje de la misma. Por tanto en los últimos días de incubación, cuando las reservas de agua en el huevo han sido agotadas, es necesario elevar la humedad relativa del aire en el gabinete a fin de evitar el desecamiento de las membranas de la cáscara y del plumón de los pollitos en fase de eclosión. El límite mínimo de humedad para el termómetro húmedo debe ser de 26.6 º C y el máximo de 35ºC. Un método excelente para determinar humedad correcta es el observar a trasluz los huevos en las distintas etapas de la incubación.

Problemas con la humedad

Exceso de humedad: pollitos blandos y débiles Falta de humedad: pollitos adheridos a la cascara

Ventilación

La ventilación es muy importante durante el proceso de la incubación. Mientras que el embrión se está desarrollando, el oxígeno entra en el huevo a través de la cáscara y el bióxido de carbono se escapa de manera igual. Mientras que los polluelos nacen, requieren de una fuente creciente de oxígeno fresco. Mientras que los embriones crecen, las aberturas de la salida de aire se abren gradualmente para satisfacer la demanda embrionaria creciente de oxígeno. Se debe de tener cuidado para mantener la humedad durante el período del nacimiento. Los agujeros de ventilación no deben de tener obstrucciones, para poder llevar aire puro sobre y debajo de los huevos, esencial para el intercambio apropiado de Oxigeno por bióxido de Carbono.

El problema de la ventilación debe ser abordado desde dos ángulos: la circulación de aire propiamente dicha y la re-ventilación o recambio de aire. Mediante el aire que circula en el interior llega a los huevos el calor y la humedad necesaria. Por otra parte, el recambio de aire constante es necesario para la extracción del exceso de calor que pudiera acumularse en el interior del gabinete de incubación y asegurar la pureza del aire.

Durante la incubación el huevo absorbe oxígeno y elimina anhídrido carbónico en gran cantidad. Una adecuada re-ventilación es necesaria para eliminar el agua que produce el huevo por transpiración, renovar el oxígeno imprescindible para la respiración del embrión y eliminar el CO 2. La correcta circulación de aire en la incubadora se garantiza mediante el funcionamiento de los ventiladores, los inyectores o los extractores de aire, las compuertas u orificios de entrada y salida, etc. La temperatura del aire que penetra en la incubadora ha de estar siempre por debajo de los 28 ºC.

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Problemas con la ventilación

La falta de ventilación: produce pollitos débiles y blandos que tienen gran dificultad para salir del cascarón.

Consejos para una buena ventilación

1.- Aumentar la ventilación cuando los embriones estén en etapas avanzadas de desarrollo.

2.- Asegurarse de que la ventilación de entrada y de salida para la máquina sea la misma.

3.- Prestar tanta atención a la apropiada ventilación, como a la temperatura y a la humedad

4.- Asegurarse de que se está eliminando el aire viciado, especialmente en cuartos pequeños o cerrados, de manera que la máquina pueda tomar aire limpio y fresco.

Se debe dar vuelta a los huevos por lo menos 2 a 3 veces al día durante el período de la incubación. No dé vuelta a los huevos durante los tres días anteriores al nacimiento. Pues los embriones se estarán moviendo para buscar la posición del nacimiento y no necesitan que se les de vuelta. Mantenga la incubadora cerrada durante el nacimiento para mantener temperatura y humedad apropiadas. Las salidas de aire deben estar casi completamente abiertas durante las últimas etapas del nacimiento.

Los huevos se colocan inicialmente en la incubadora con el extremo grande para arriba u horizontalmente con el extremo grande elevado levemente. Esto permite al embrión seguir orientado en una posición apropiada para el nacimiento. Nunca coloque los huevos con el extremo pequeño para arriba.

En una incubadora de ventilación natural, donde se da vuelta a mano a los huevos, puede ser provechoso poner una "X" en un lado de cada huevo y un "O" en el otro lado, utilizando un lápiz. Esto sirve como ayuda para determinar si a todos los huevos se les dio vuelta. Al darles vuelta, este seguro de tener las manos bien limpias. Los huevos manchados con aceite tendrán posibilidades reducidas de eclosionar. Tome precauciones adicionales al dar vuelta a los huevos durante la primera semana de incubación. Los embriones que se desarrollan tienen vasos sanguíneos delicados que se rompen fácilmente cuando son sacudidos bruscamente o golpeados, matándose así al embrión.

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Descripción del dispositivo

El proyecto está constituido, en general, por dos partes: la incubadora y el control de temperatura.

La incubadora

La incubadora está realizada en madera prensada, sus medidas son 230 x 410 x 410 [mm]. Tiene una capacidad aproximada de 25 huevos. En su interior se encuentra distribuido alambre resistivo que es el encargo de producir el calor, como así también un depósito de agua que proporciona la humedad la necesaria.

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Control de temperatura

El control de temperatura fue construido en etapas separadas, o sea, se construyó una placa para cada fase del proceso. La razón por la cual se trabajó de ésta manera fue meramente por una asunto de comodidad y tiempo, ya que en caso de cometer un error en alguna fase, es más fácil y rápido corregir un error de manera puntual, que de forma general. Esto acarrea consecuencias, ya que debido al conexionado que debemos realizar el sistema es más vulnerable a los ruidos.

Descripción de las etapas

Comparador y PID

La etapa del comparador es la primera, y es donde entran las señales de Set Point y del sensor. El comparador fue construido con un amplificador operacional (Integrado TL 082) como puede verse en el esquema.

La señal de Set Point es generada por medio de un potenciómetro de 5 [KΩ] conectado como divisor de tensión (+5[V] y GND). Esta señal será traducida mediante una conversión A/D a través de un microcontrolador, para poder ser visualizada en un LCD como temperatura, o sea, mediante el potenciómetro ajustaremos la temperatura deseada.

El sensor es un integrado LM 35DZ, que entrega una señal de 10 [mV] / °C. De esta manera tenemos las dos señales que ingresan al comparador.

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-Esquema 1-

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En el PID se encuentra básicamente el control en sí. O sea los 3 bloques el Proporcional, el Derivativo y el Integrativo*. En nuestro caso se encuentran en paralelo ya que de esta manera la sintonización se realiza más fácilmente.

Los bloques fueron construidos con un integrado TL 084, que contiene internamente 4 amplificadores operacionales. También se utilizó capacitores de tipo polyester y trimpot’s multivueltas de precisión.

Por último se encuentra el bloque sumador, el cual fue realizado con el mismo integrado TL 084 antes descripto.

La salida del sumador es sí misma la salida del PID, la cual se compara con una señal diente de sierra para producir una modulación de ancho de pulso, PWM, que será la encargada de disparar el Triac (mediante un optoacoplador) enviando tensión a la carga, según sea el ángulo de disparo.

*El funcionamiento particular y general de cada bloque será descripto en el Marco Teórico.

Generador de diente de sierra y PWM

El generador de diente de sierra está constituido por un circuito alimentado por tensión.

Dos transistores 2N3904, el primero realiza la sincronización del pulso de señal con que se alimenta, 15 [V] de alterna. Con un pulso de sincronización del transistor T1 se produce la carga del capacitor C2 y a la misma vez se satura la base del transistor T2 permitiendo este conducir y cortar, cuando de conducir T1.

Luego la señal diente de sierra se lleva a una etapa donde puede moverse sobre el eje X. Es decir, se levanta la señal sobre su eje para poder obtener una graduación mejorada con la intersección de la señal del PID.

Por último se compara la señal diente de sierra, con la señal de salida del PID para obtener la PWM. La modulación produce el trabajo del transistor T3, en forma de saturación y corte (On/Off) que permite conectar a GND el optoacoplador cerrando el circuito de la etapa de potencia.

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Etapa de Potencia

Esta etapa consta de un circuito muy sencillo:

Aquí, cuando el transistor T3 pone a tierra el optoacoplador MOC3021, la primera etapa del del circuito se sierra, permitiendo que se dispare el Triac BTB24. Es de suponer que el disparo del Triac es comandado de por la señal de PWM. De esta manera podemos controlar la “potencia” entregada a la carga.

Sensor

El sensor de temperatura permite realizar el lazo de realimentación desde la salida hacia entrada, tomando la variable medida. Como elemento sensor de temperatura se utilizó un circuito integrado LM35D, el cual es un sensor que genera un voltaje proporcional a la temperatura en grados Celsius, opera en un intervalo de 0º a 100 ºC con una no linealidad típica de ±0.2 ºC y una exactitud típica de ±0.9 ºC.

Es decir toma el valor en tiempo real de la temperatura y la envía al comparador de entrada con la señal de referencia o set point. Para que mediante el control PID se estabilice la temperatura en el valor de referencia.