Disseny i implementació d'un sistema d'adquisició de dades químiques
Abstract
NORI és un sistema d’adquisició i anàlisi de dades provinents de sensors analògics. Durant el desenvolupament d’aquest projecte, s’ha implementat tant el hardware com el software d’aquesta eina, enfocada en el tractament de senyals generats per un detector d’absorbància d’un sistema cromatogràfic. Gràcies a l’optimització dels diferents algoritmes que la conformen, NORI és capaç d’obtenir masses moleculars de polímers i transmetre aquesta informació a un altre ordinador fix del laboratori. Des d’un punt de vista electrònic, el nucli de NORI és un ordinador de placa única Raspberry Pi, que executa les accions juntament amb els seus perifèrics. Les dades entren al sistema i són transformades en bits mitjançant el xip MCP3008, un convertidor analògic- digital ubicat entre el sensor i la placa. Els components del hardware de NORI operen a partir de les instruccions que obtenen dels diferents programes desenvolupats en Python. Aquests programes conformen una interfície gràfica anomenada CODIUM, que permet la comunicació entre el sistema i l’usuari. Gràcies a CODIUM, l’usuari és capaç de configurar els paràmetres de cada experiment i analitzar els resultats de manera automatitzada. A més, s’ha desenvolupat CODIUM File Transfer, una extensió de la interfície que permet enviar els resultats de manera segura, senzilla i eficient. Aquests desenvolupaments s’han posat a prova en diferents entorns de treball amb múltiples sensors i condicions experimentals. D’aquesta manera, s’ha pogut demostrar que NORI permet adquirir dades provinents d’una gran varietat de sensors i que constitueix una solució viable per a equips de cromatografia
Full text
Treball de Fi de Grau Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials Disseny i implementació d'un sistema d'adquisició de dades químiques MEMÒRIA Autor/a: Alexandre Pech Alòs Director/a: Jordi Bou Serra Convocatòria: Juny 2023 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona
Pàg. 2 Memòria
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 3 Resum NORI és un sistema d’adquisició i anàlisi de dades provinents de sensors analògics. Durant el desenvolupament d’aquest projecte, s’ha implementat tant el hardware com el software d’aquesta eina, enfocada en el tractament de senyals generats per un detector d’absorbància d’un sistema cromatogràfic. Gràcies a l’optimització dels diferents algoritmes que la conformen, NORI és capaç d’obtenir masses moleculars de polímers i transmetre aquesta informació a un altre ordinador fix del laboratori. Des d’un punt de vista electrònic, el nucli de NORI és un ordinador de placa única Raspberry Pi, que executa les accions juntament amb els seus perifèrics. Les dades entren al sistema i són transformades en bits mitjançant el xip MCP3008, un convertidor analògicdigital ubicat entre el sensor i la placa. Els components del hardware de NORI operen a partir de les instruccions que obtenen dels diferents programes desenvolupats en Python. Aquests programes conformen una interfície gràfica anomenada CODIUM, que permet la comunicació entre el sistema i l’usuari. Gràcies a CODIUM, l’usuari és capaç de configurar els paràmetres de cada experiment i analitzar els resultats de manera automatitzada. A més, s’ha desenvolupat CODIUM File Transfer, una extensió de la interfície que permet enviar els resultats de manera segura, senzilla i eficient. Aquests desenvolupaments s’han posat a prova en diferents entorns de treball amb múltiples sensors i condicions experimentals. D’aquesta manera, s’ha pogut demostrar que NORI permet adquirir dades provinents d’una gran varietat de sensors i que constitueix una solució viable per a equips de cromatografia.
Pàg. 4 Memòria Resumen NORI es un sistema de adquisición y análisis de datos provenientes de sensores analógicos. Durante el desarrollo de este proyecto, se ha implementado tanto el hardware como el software de esta herramienta, enfocada en el tratamiento de señales generadas mediante un detector de absorbancia de un sistema cromatográfico. Mediante la optimización de los distintos algoritmos que la conforman, NORI es capaz de obtener masas moleculares de polímeros y transmitir esta información a otro ordenador fijo del laboratorio. Des de un punto de vista electrónico, el núcleo de NORI es un ordenador de placa única Raspberry Pi, que ejecuta las acciones junto con sus periféricos. Los datos ingresan al sistema y son transformados en bits mediante el chip MCP3008, un convertidor analógicodigital ubicado entre el sensor y la placa. Los componentes del hardware de NORI operan a partir de las instrucciones que obtienen de los distintos programas desarrollados en Python. Estos programas conforman una interfaz gráfica llamada CODIUM, que permite la comunicación entre el sistema y el usuario. Gracias a CODIUM, el usuario es capaz de configurar los parámetros de cada experimento y analizar los resultados de manera automatizada. Además, se ha desarrollado CODIUM File Transfer, una extensión de la interfaz que permite enviar los resultados de manera segura, sencilla y eficaz. Estos desarrollos se han puesto a prueba en distintos entornos de trabajo con múltiples sensores y condiciones experimentales. De esta manera, se ha podido demostrar que NORI permite adquirir datos provenientes de una gran variedad de sensores y que constituye una solución viable para equipos de cromatografía.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 5 Abstract NORI is a data acquisition system capable of obtaining and analyzing information from analog sensors. During the course of this project, both the hardware and software of the tool have been implemented, with a focus on processing signals generated by an absorbance detector in a chromatographic system. By optimizing the various algorithms that comprise NORI, it can accurately determine the molecular mass of polymers and transmit this information to another computer within the laboratory. From an electronic perspective, NORI's core is a Raspberry Pi single-board computer that executes actions together with its peripherals. Data enters the system and converts into bits using the MCP3008 chip, an analog-to-digital converter located between the sensor and the board. NORI's hardware components operate based on instructions derived from various programs developed in Python. These programs collectively form a graphical interface called CODIUM, facilitating communication between the system and the user. Through CODIUM, users can configure experiment parameters and automate result analysis. Additionally, CODIUM File Transfer, an extension of the main interface, has been developed to transmit results securely, simply, and efficiently. The implemented technology has been thoroughly tested in diverse environments, utilizing multiple sensors and experimental conditions. This testing has not only demonstrated NORI's capability to acquire data from a wide variety of sensors but also validated its suitability as a viable solution for chromatography equipment.
Pàg. 6 Memòria
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 7 Contingut RESUM ____________________________________________________ 3 RESUMEN _________________________________________________ 4 ABSTRACT _________________________________________________ 5 CONTINGUT ________________________________________________ 7 GLOSSARI I NOMENCLATURA _______________________________ 10 LLISTAT DE FIGURES _______________________________________ 12 LLISTAT DE TAULES _______________________________________ 15 1. PREFACI ______________________________________________ 16 2. INTRODUCCIÓ _________________________________________ 17 2.1. Motivació .................................................................................................. 17 2.2. Abast del treball ....................................................................................... 17 2.2.1. Abast segons les fases de la gestió de projectes ........................................ 17 2.2.2. Limitacions del projecte ............................................................................... 18 2.3. Objectius del treball .................................................................................. 20 3. INTRODUCCIÓ TEÒRICA. ________________________________ 22 3.1. Tractament de senyals. ............................................................................ 22 3.1.1. Classificació dels senyals en funció de la seva naturalesa ......................... 22 3.1.2. Anàlisi de senyals analògics i digitals per computador. ............................... 24 3.1.3. Procés de transformació de la naturalesa d’un senyal ................................ 26 3.2. Determinació dels pesos moleculars de polímers per cromatografia líquida. ................................................................................................................. 27 3.2.1. Càlcul teòric del pes molecular dels polímers ............................................. 27 3.2.2. Cromatografia líquida HPLC ....................................................................... 29 3.2.3. Equips de cromatografia HPLC ................................................................... 31 3.3. Estat de la qüestió.................................................................................... 32 4. EQUIPAMENT TÈCNIC I METODOLOGIA ___________________ 34 4.1. Disseny i implementació del hardware de NORI ..................................... 34 4.1.1. Equipament electrònic ................................................................................. 34 4.1.1.1. La Raspberry Pi com a computador ........................................... 34 4.1.1.2. Elements d’interacció de l’usuari amb el computador ................. 39 4.1.1.3. El xip MCP3008 com a convertidor ADC .................................... 39 4.1.1.4. Connexions entre dispositius ...................................................... 41
Pàg. 8 Memòria 4.1.2. Hardware del sistema d’adquisició de dades .............................................. 42 4.1.3. Hardware del sistema de transferència de dades ....................................... 43 4.1.3.1. Transmissió mitjançant un Pen-Drive ......................................... 43 4.1.3.2. Transmissió mitjançant Google Drive ......................................... 44 4.1.3.3. Transmissió via SCP .................................................................. 44 4.2. Disseny i implementació del software de NORI ....................................... 47 4.2.1. CODIUM ..................................................................................................... 48 4.2.1.1. Frontend de CODIUM ................................................................ 49 4.2.1.2. Backend de CODIUM ................................................................. 50 4.2.2. CODIUM FT ................................................................................................ 52 4.3. Experimentació i verificació. Aplicació de NORI amb diversos sensors. . 53 4.3.1. Primers sensors. Adquisició de dades. ....................................................... 53 4.3.1.1. Potenciòmetre. ........................................................................... 54 4.3.1.2. Diversos sensors al mateix temps. ............................................. 56 4.3.2. Muntatge de NORI amb el detector en sec. ................................................ 59 4.3.3. Muntatge humit de NORI amb el detector 785A d’Applied Biosystems. ...... 61 4.3.3.1. Sense columna de separació ..................................................... 63 4.3.3.2. Amb columna de separació ........................................................ 65 4.3.3.3. Experimentació amb estàndards per trobar la corba de calibratge ................................................................................................... 68 4.3.3.4. Experimentació final amb SMA .................................................. 70 4.3.4. Implementació del sistema de transferència de dades. ............................... 72 4.3.4.1. Connexió a la mateixa xarxa local .............................................. 72 4.3.4.2. Transferència dels fitxers ........................................................... 72 5. RESULTATS ___________________________________________ 73 5.1. Especificacions tècniques de NORI ......................................................... 73 5.2. Interfície CODIUM .................................................................................... 75 5.3. Interfície CODIUM FT .............................................................................. 78 5.4. NORI en l’entorn de treball ...................................................................... 79 5.5. Resultats de proves en entorn real .......................................................... 80 5.6. Taula de falles .......................................................................................... 81 6. PLANIFICACIÓ _________________________________________ 83 7. ESTUDI ECONÒMIC ____________________________________ 85 8. ESTUDI AMBIENTAL ____________________________________ 87
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 9 9. ESTUDI SOCIAL I D’IGUALTAT DE GÈNERE ________________ 88 10. CONCLUSIONS ________________________________________ 89 11. AGRAÏMENTS _________________________________________ 91 12. BIBLIOGRAFIA ________________________________________ 92 Referències bibliogràfiques ............................................................................... 92 Bibliografia complementària .............................................................................. 95 13. ANNEXOS _____________________________________________ 96 Annex I – Manual de NORI ............................................................................... 96 Annex II – Codis informàtics de NORI ............................................................... 96
Pàg. 16 Memòria 1. Prefaci Aquest treball s’ha desenvolupat juntament amb l’estudiant Elena Magrinyà. Entre els dos, hem dissenyat i implementat el projecte que es mostra a continuació, realitzant el treball de laboratori amb la supervisió del professor Jordi Bou. La meva dedicació ha estat més enfocada en el desenvolupament del hardware i el disseny dels diferents mòduls.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 17 2. Introducció 2.1. Motivació El departament d’enginyeria química de la ETSEIB utilitza els cromatògrafs per analitzar els pesos moleculars dels polímers, un camp d’àmplia aplicació dins de l’enginyeria. Tot i això, gran part de l’equip de cromatografia de la universitat no s’utilitza degut a que no hi ha cap element capaç d’adquirir i analitzar els senyals que s’emeten de manera versàtil. Actualment, la majoria dels equips d’adquisició de dades cromatogràfiques són exclusius d’una casa en concret i queden obsolets al cap d’un cert temps. Aquest projecte pretén resoldre aquesta problemàtica implementant un dispositiu universal i econòmic adequat per obtenir i processar els senyals, millorant així l’equipament tècnic de la universitat. El resultat d’aquest projecte queda en codi obert disponible per futures aplicacions dins de l’ETSEIB. 2.2. Abast del treball Aquest projecte abasta el disseny i la implementació d’un sistema d’adquisició i anàlisi de dades, anomenat NORI, des de les etapes inicials fins a l'obtenció d'un prototip funcional. El resultat final del projecte inclou tant el hardware com el software de NORI, ja que cap dels dos pot funcionar sense l'altre. Per aquest motiu, no té sentit presentar el sistema de manera parcial. No obstant això, aquest Treball de Fi de Grau es centra en l'explicació del hardware, posant especial èmfasi en els seus components i les connexions entre els elements. No s'hi proporciona, però, una explicació detallada del software, així com la majoria de justificacions relacionades amb aquest aspecte, que queden fora de l’abast. 2.2.1. Abast segons les fases de la gestió de projectes L’escala a la que es desenvolupa NORI és de prototipus no comercialitzable ni explotable. El projecte es centra en posar en manifest les fases més creatives del modelatge de la màquina, on inicialment es plantegen unes especificacions (a mode d’objectius) que el dispositiu va adquirint durant aquest procés. Cal remarcar que aquests requeriments poden variar lleugerament a mesura que es va avançant en el projecte. També és possible que n’apareguin de nous, en relació a noves funcionalitats que esdevinguin d’unes anteriors. També s’engloba la fase de construcció, on es verifica que el producte estigui en funcionament i donant els resultats esperats. En aquesta etapa, les funcions de revisió, planificació, seguiment, control, i revaluació de les especificacions són crucials. És per aquest motiu que el desenvolupament del hardware i del software és realitza sota un constant procés de depuració. Aquest procés pretén donar abast a assegurar que el
Pàg. 18 Memòria producte pugui connectar-se i funcionar òptimament en diferents entorns, corregint possibles errors i problemes de funcionament. Així doncs, el producte final ha de ser coherent amb els requisits que s’imposen inicialment o durant el procés d’implementació, el qual està recolzat per diverses proves de sistema on es comproven diferents paràmetres. Al ser un projecte en constant evolució, s’espera que les diferents fases no es realitzin en ordre, sinó de manera quasi simultània. No queda contemplada l’etapa d’explotació (producció a gran escala, distribució, consum, etc.) ni la comercialització. 2.2.2. Limitacions del projecte De manera més específica, NORI està sotmesa a certes limitacions tècniques que condicionen alguns paràmetres del seu funcionament, i el seu canvi no es contempla dins d’aquest projecte. Entorn de treball: • El sistema es desenvolupa al Laboratori Químic 25-39 de l'ETSEIB, pel que no pot superar les limitacions físiques que aquest imposa, com per exemple la configuració de les rosetes, que són limitades i d'accés complicat. • El laboratori disposa d'una sèrie d'ordinadors de torre dels quals el sistema operatiu més recent és Windows 7. No obstant això, els ordinadors portàtils que s’utilitzen tenen Windows 10 o 11. NORI ha de ser capaç de funcionar amb qualsevol d’aquests sistemes operatius. • Es dona ús a tots els elements inclosos al laboratori abans de comprar-ne de nous. Això suposa que NORI ha de treballar amb dispositius antics i adaptar-se a alguns aspectes d’aquests, com ara la connexió a pantalla o a internet. Tot i això, considerem que aprofitar l’equip tècnic és una acció positiva pel medi ambient, en termes econòmics i funcional a l’hora de provar el prototip. Escala temporal: • Com s'ha mencionat anteriorment, NORI és un sistema versàtil que es pot aplicar en altres àmbits a part de la cromatografia, i seria interessant provar-lo. No obstant això, el temps disponible per a l'experimentació està limitat i finalitza a principis de juny de 2023. Aspecte econòmic: • NORI està finançada a través del grup de recerca dirigit pel professor de l’escola Jordi Bou. El resultat final ha de ser rentable per a la universitat en comparació amb altres opcions del mercat, així que el pressupost pel prototip està acotat.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 19 Limitacions tècniques: • Es realitza un sol prototip de NORI. Es a dir, els components electrònics que formen part de l’ordinador central RPi com el processador, targeta gràfica, memòria interna, etc. no es modifiquen durant el transcurs d’aquest projecte. Tampoc s’afegeixen o es canvien els diferents perifèrics del prototip un cop aquest està establert. • Per realitzar el prototipatge es consideren unions electròniques amb cables mitjançant una placa “protoboard”. No s’abasta qualsevol altre procés de fabricació per donar un acabat més compacte i comercialitzable al prototip. • Un cop NORI està implementada, es treballa amb els senyals obtinguts directament dels diferents sensors. La seva configuració queda dins de l’abast del projecte, però no la transformació del hardware o del software d’aquests. • Per separat, els diferents components electrònics de NORI són productes comercials que es poden obtenir sense massa complicació. Així doncs, la fabricació pròpia d’algun component de NORI no queda inclòs al projecte i aquest s’ajusta al mercat, que ja té una oferta molt àmplia. • Pel que fa al software, aquest es desenvolupa en Python, ja que és un llenguatge adequat per generar interfícies gràfiques i programar les accions de la RPi. Tot i això, al ser un llenguatge interpretat, presenta algunes restriccions quant a la velocitat d’execució. Aquestes restriccions s’assumeixen com fixes en el projecte i no s’abasta un canvi en el llenguatge de programació.
Pàg. 20 Memòria 2.3. Objectius del treball L’objectiu general d’aquest projecte és desenvolupar NORI, un sistema d’adquisició i anàlisi de dades universal, de baix cost i de fàcil manipulació, que permeti processar diferents senyals analògics procedents de sensors electrònics. Posteriorment, fer-lo servir per analitzar els outputs dels detectors del laboratori d’EQ 25-39, a partir d’un algoritme propi en Python, que permetrà calcular de manera indirecta el pes molecular de polímers. Els objectius específics que s’engloben en el disseny i implementació del sistema d’adquisició de dades NORI són: • Disseny electrònic del sistema, tant la projecció inicial en un esquemàtic com la implementació física en un prototip. • Per tal que l’usuari pugui interactuar amb la unitat central del sistema, dur a terme un entorn de treball format per diversos perifèrics (pantalla, teclat, ratolí, etc.) que ajudin a que l’ús de NORI sigui més senzill. • Implementar en NORI la funcionalitat de poder transferir les dades obtingudes a altres ordinadors mitjançant un mètode ràpid i segur. • Comprovació del funcionament del prototip de NORI amb altres sensors diferents als detectors cromatogràfics. Es vol caracteritzar el sistema de la manera més acurada possible. • Sotmetre cada característica de NORI a un procés constant de verificació i validació a partir de diverses proves de sistema. Els objectius particulars de la implementació del sistema juntament amb l’equip de cromatografia del laboratori són: • Realitzar el disseny i el desenvolupament de NORI al laboratori d’EQ 25-39, ja que és una oportunitat per: - Familiaritzar-se amb l’entorn de treball d’un laboratori d’enginyeria química. - Aprendre de la mà del professor Jordi Bou a manipular els diferents paràmetres d’un detector. - Muntar i desmuntar els equips de cromatografia per ajustar el seu funcionament a totes les etapes de l’experimentació. - Manipular les mostres de polímer i injectar-les al circuit cromatogràfic. - En general, formar-se en aquesta branca de l’enginyeria.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 21 • Aconseguir resultats coherents en forma de valors numèrics dels diferents pesos moleculars dels polímers problema. En el conjunt dels dos treballs, també es proposa com a objectiu la programació d’un software capaç d’executar la recollida de dades i que doni suport visual a totes les funcionalitats del sistema, ajudant a l’usuari a executar l’anàlisi del senyal.
Pàg. 22 Memòria 3. Introducció teòrica. En aquest capítol es recullen els fonaments teòrics més significatius en els que es basa aquest projecte. En primer lloc, es tracta sobre la naturalesa dels senyals i com es capturen i es processen a partir de tècniques pròpies de l’enginyeria fins a arribar a un computador. Al segon bloc, es parla sobre la cromatografia i l’obtenció de pesos moleculars de polímers, ja que és l’aplicació directa del dispositiu que s’implementa. 3.1. Tractament de senyals. Un senyal és una magnitud físico-química variable en el temps. L’anàlisi de senyals és una tecnologia present en molts àmbits de la ciència i les matemàtiques, que té com a objectiu mesurar, modificar i controlar aquests senyals mitjançant diversos dispositius i metodologies. En l’enginyeria, sovint s’estudien senyals que provenen de sistemes que emeten informació durant el seu funcionament. A través de l'anàlisi d’aquesta informació, és possible comprendre i controlar millor els processos que es realitzen. De manera més general, la majoria dels senyals són intrínsecs a processos naturals i representen magnituds no artificials. En el camp de la medicina, per exemple, es poden mesurar senyals com les ones cerebrals, el ritme cardíac o l'activitat muscular. Per a poder manipular els senyals naturals és imprescindible l’ús de transductors, que converteixen la variable a mesurar en electricitat o viceversa. Els transductors que permeten transformar un senyal natural a senyal elèctric s’anomenen sensors [1], i són una part clau en la majoria de sistemes de control i monitoratge. Dins dels sensors, n’hi ha de diferents tipus en funció de quin sigui el senyal que es vol captar. Per exemple, si es vol mesurar la quantitat de vapor d'aigua en l'aire, els sensors més comuns són els higròmetres. 3.1.1. Classificació dels senyals en funció de la seva naturalesa Dins de la gran varietat de senyals que existeixen, se’n diferencien dos classes en funció del tipus d’informació que contenen: els senyals analògics i els senyals digitals. - Un senyal és analògic quan, en un instant de temps qualsevol, es considera que la informació que presenta està associada al valor real del senyal. Així doncs, una petita variació d’aquest pot tenir un significat notable en l’anàlisi del seu comportament [1]. - Per altra banda, un senyal és digital quan, en un instant de temps qualsevol, es considera que la informació està associada a l'interval de valors en el que es troba el valor del senyal, d’entre un conjunt finit d'intervals possibles [1].
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 23 Figura 1. Font pròpia. Esquema Analògic-Digital Per exemple, en la figura anterior, quan el senyal es considera analògic, aquest té valor 7,65, que és la magnitud real. En canvi, si s’està tractant en digital, li correspon un interval “H”, que està entre 7 i 8. Aquest exemple evidencia que digitalitzant un senyal aquest perd resolució, que és idealment infinita en el tractament analògic. Habitualment, els senyals analògics també són continus en el temps, és a dir, poden presentar variacions en el seu valor en qualsevol instant. Aquests tipus de senyals es poden representar mitjançant una funció matemàtica continua. Contràriament als analògics, és habitual que els senyals digitals siguin discrets en el temps, el que significa que el valor es pren cada un determinat període de mostratge (Ts). Aquest valor mesurat s’acostuma a mantenir fins a la següent detecció, formant un esglaó (mantenidor d’ordre zero). Això permet reconstruir el senyal original parcialment. Figura 2. Font pròpia generada amb Matlab. Comparació entre el mateix senyal analògic continu i digital discret. Es pot observar que el senyal digital discret només canvia de valor quan passen Ts segons.
Pàg. 24 Memòria 3.1.2. Anàlisi de senyals analògics i digitals per computador Com s’ha comentat anteriorment, molts sistemes físics i químics són analògics, degut a que segueixen lleis naturals. Aquestes es poden descriure mitjançant equacions diferencials continues que poden presentar qualsevol valor dins del seu rang de funcionament. [2] És per això que, anteriorment, l'estudi d'aquests sistemes s'efectuava amb components analògics, que permetien controlar els senyals. Tot i això, el processament analògic presenta una sèrie de problemes, alguns dels quals es descriuen a continuació: • La precisió és baixa a causa de l’existència de soroll (per causes externes al sistema, com ara radiacions electromagnètiques que interfereixin). • La implementació d'aquests sistemes és difícil i costosa. • L'ús de components analògics per muntar circuits és poc versàtil i té una alta complexitat. És per aquests motius que el processament i control dels sistemes ha anat migrant cap al conegut anàlisi per computador. Mitjançant un ordinador, és possible realitzar de manera similar les mateixes accions que es realitzaven amb la instrumentació analògica, ara de manera digital. El processament digital implica l'ús d'algorismes computacionals (codi informàtic) per manipular els senyals. Aquests senyals es digitalitzen, es processen en forma de bits i, a continuació, es realitzen les operacions necessàries per al control i la manipulació del sistema. El processament digital presenta els següents avantatges respecte a l’analògic [1]: • Ofereix una millor immunitat al soroll fins a un cert llindar, ja que les pertorbacions analògiques poden ser eliminades amb filtratge digital. • Permet realitzar processaments molt complexos a un cost relativament baix, degut a que les operacions digitals es poden executar a través d’un codi informàtic. • Proporciona una alta versatilitat dels muntatges, ja que es poden modificar les funcions i algorismes directament al software sense haver de canviar components físics (hardware). Tot i això, no totes les característiques del processament digital són senzilles. Un aspecte clau d’aquest tipus de tractament és escollir un període de mostratge correcte, ja que sinó es pot arribar a mal interpretar la informació que s’està analitzant. Teòricament, per saber si un senyal analògic està sent correctament mostrejat es considera el Teorema de Shannon o Teorema del mostreig. Aquest diu que: • Es té un senyal modelat matemàticament depenent del temps, y(t). • Aquest senyal es discretitza prenent mostres amb un període de mostratge, Ts. • Els mostratges que s’efectuen són a l’instant K·Ts, amb K essent un nombre natural. • La freqüència natural continguda pel senyal analitzat és wp.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 25 Aleshores, un cop mostrejat el senyal, es pot recuperar el senyal original y(t) a partir de les seves mostres si es compleix que: 𝑤𝑠=2𝜋 𝑇𝑠>2𝑤𝑝 (Eq. 1) Per exemple, es pren el senyal teòric descrit a la Figura 2: 𝑦(𝑡)=sin (5𝑡). Per trobar la freqüència continguda per aquest senyal s’ha de realitzar la transformada de Laplace, que és: 𝑌(𝑠)=5 𝑠2+52 (Eq. 2) Els pols del quals (en s) són: ±5𝑗 i, per tant, la seva pulsació és 5 rad/s. Així doncs, sabem que: 𝑤𝑠=2𝜋 𝑇𝑠>10𝑟𝑎𝑑 𝑠, 𝑇𝑠<0,628 𝑠 (Eq. 3) Aquest resultat indica que si s’utilitzen valors de mostratge més grans que 0,628 no es pot tornar al senyal original unívocament, ja que altres senyals comparteixen els mateixos punts. De fet, és fàcil notar que com més gran sigui el període de mostratge, més s’allunya del comportament analògic. Figura 3. Pont pròpia generada amb Matlab. Comparació del senyal amb diferents períodes de mostratges (n=K·Ts). De cara a aquest projecte, interessa que el període de mostratge sigui el suficientment petit per a reproduir amb exactitud la corba analògica que s’estudia. Tot i això, com més petit sigui Ts, més retard es genera, degut a que el PC no és capaç de compilar el codi de manera tant ràpida. Aquestes limitacions es tenen en consideració a l’hora del disseny i l’anàlisi dels resultats.
Pàg. 32 Memòria 3.3. Estat de la qüestió Actualment existeixen productes que integren software i hardware capaços d’adquirir i tractar dades analògiques per computador (DAS). En concret en l’àmbit de la cromatografia, que és en el que es centra aquest projecte, es poden trobar al mercat diversos equips d’adquisició de senyals destinats a treballar amb la informació emesa pels detectors. Aquests productes incorporen interfícies desenvolupades per un únic fi, que és el de donar suport a l’adquisició i tractament de les dades obtingudes pels detectors de la mateixa casa. Habitualment, les empreses que necessiten d’aquesta tecnologia adquireixen de cop tot l’equip cromatogràfic, inclòs el DAS, que s’instal·la a l’ordinador de l’usuari i s’opera des d’allà per obtenir els resultats. Això implica que cada software d’adquisició i tractament de dades és específic per cada un dels detectors, i generalment incompatibles entre ells, causant la necessitat d’adquirir un programa específic per cada dispositiu detector diferent del laboratori. A més, l’alt nivell d’especificació i privacitat del codi informàtic de backend, no permet interactuar amb el software més enllà del que està previst a les funcions del producte. Al passar un determinat període de temps, aquests es queden obsolets per incompatibilitats amb els sistemes operatius dels ordinadors i requereixen d’una renovació (nova compra íntegra del DAS, o fins i tot del detector sencer). Per un equip d’investigació universitari que realitza projectes de durada indeterminada en els quals no s’està utilitzant l’equip de cromatografia a temps complet, una inversió recurrent d’aquest nivell suposa un problema. Alguns exemples de productes en el camp de la cromatografia actualment al mercat són els que es mostren a la taula següent: Taula 3. Diferents alternatives actuals de DAS al mercat, amb les seves especificacions. Marca Model Preu Especificacions destacades Waters [5] Empower personal GPC/SEC Option 3.675,00 € • Inclou el càlcul dels resultats típics del GPC: Mn, Mw, Mp, Mz, Mz+1. • Crea la corba de calibratge i mostra gràfiques de distribució amb els resultats de fàcil interpretació. ADC/Labs [6] Spectrus Processor 1.890,00 € / 1 any 2.205,00 € / 2 anys 2.520,00 € / 3 anys • Efectua l’anàlisi de dades prèviament obtingudes. • Detecta el pic més alt, redueix el soroll, aplana la corba i calcula àrees. • Permet visualitzar els cromatogrames. BIO-RAD [7] ChromLab Software 1.236,00 € • Visualització en temps real del cromatograma. • Càlcul automàtic dels principals paràmetres per obtenir els pesos moleculars.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 33 DataApex [8] Clarity Chromatography Software 3.350,00 € (segona mà) • Control integrats dels instruments (bomba, detector, mostrejadors, etc.) • Permet fer tècniques de separació, anàlisi de GPC o espectrometria de massa. Com es pot observar a la taula anterior, algunes d’aquestes solucions només presenten un seguit de característiques de les moltes que es requereixen. Per exemple, l’ADC/Labs només realitza la part de l’anàlisi de les dades, no l’adquisició d’aquestes. Alguns altres, com el DataApex, inclouen funcionalitats extres que no són necessàries pel tipus d’experiments que es duen a terme a l’ETSEIB. L’eina desenvolupada en aquest treball pretén resoldre aquesta problemàtica sent de codi obert, universal i econòmica; permetent al grup d’investigació del professor Jordi Bou incorporar el dispositiu amb els diferents detectors cromatogràfics funcionals que tenen al laboratori. Aquesta s’ha d’ajustar en la millor manera possible a les necessitats específiques del professor Bou.
Pàg. 34 Memòria 4. Equipament tècnic i metodologia En aquest capítol es tracta la fase de disseny dels diferents components de NORI, tant físics com computacionals. És fa incís sobre la part del hardware, que és la que abasta aquest treball. Un cop el sistema està materialitzat i en funcionament, es realitzen diversos processos experimentals per estudiar el seu comportament i definir les seves limitacions funcionals, tals com proves exploratòries o d’interoperabilitat. Posteriorment, es realitza el muntatge i experimentació amb el detector i es tracten les dades dels polímers amb l’objectiu de determinar el seu pes molecular. 4.1. Disseny i implementació del hardware de NORI El hardware del dispositiu d’adquisició de dades és el conjunt d’elements físics que permeten el seu funcionament. Inclou tots aquells elements tangibles manipulats i connectats de manera que el sistema compleixi les especificacions. L’objectiu d’aquesta secció és determinar els components que conformen el hardware de NORI i realitzar les connexions electròniques i elèctriques entre ells per obtenir un conjunt funcional. 4.1.1. Equipament electrònic Com s’ha vist a l’apartat 3.1.3, per poder agafar senyals analògics del món i analitzar-los mitjançant un ordinador es requereix de 3 elements principals: un sensor, un convertidor ADC i un computador. Aquests elements son components electrònics que poden variar en funció del senyal que es vol analitzar i conformen el hardware de la màquina que s’està implementant. 4.1.1.1. La Raspberry Pi com a computador L’element més important de NORI és el propi computador, que s’encarrega d’executar les accions que se li demanen a partir d’un codi informàtic. Sobre el PC també recauen altres funcionalitats addicionals, tals com la connexió a internet i l’emmagatzematge de les dades que es processen. Els requeriments que es demanen a aquest dispositiu per a la realització de NORI són els que es detallen a continuació: • Habilitat per connectar-se a dispositius externs d’instrumentació electrònica, és a dir, connectar-se al sensor o detector elèctricament, així com als perifèrics.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 35 • Compatibilitat del computador amb elements auxiliars de visualització i navegació tals com pantalla, teclat, ratolí, etc. per la interacció amb l’usuari. • Capacitat d’emmagatzemar dades i de processar-les mitjançant l’execució de codi informàtic propi, preferiblement en Python, ja que és el llenguatge de programació més utilitzat al llarg del GETI. A més, és un llenguatge d’alt nivell amb molt bona llegibilitat, que inclou una gran quantitat de llibreries que permeten agilitzar la programació. • El preu de l’ordinador ha de ser el més reduït possible, sempre intentant cobrir les altres especificacions. • L’ordinador també ha de ser capaç d’establir una connexió a internet per interactuar amb altres dispositius. Tenint en compte aquestes especificacions, es descarten els ordinadors de sobre taula o portàtils, ja que en la seva majoria no es poden connectar elèctricament al sensor ni al ADC. A més, aquests presenten un cost elevat en relació a l’aprofitament de funcions que se’n faria en aquest projecte. Les dos alternatives que es poden trobar al mercat i que presenten unes característiques adequades pel desenvolupament del projecte són l’Arduino i l’ordinador de placa única (SBC, en anglès Single Board Computer) Raspberry Pi. L’Arduino és una plataforma de hardware i de software que està dissenyada per la realització de petits projectes de robòtica així com màquines de complexitat baixa (com rellotges, sensors de moviments, etc.). En general, l’aplicació principal d’aquesta placa és la de poder-se connectar a diversos perifèrics i controlar-los, però enfocada en muntatges que requereixen de poc emmagatzematge i capacitat de processament de dades. El nucli de l’Arduino és un microcontrolador que té la capacitat de connectar-se tant a perifèrics digitals com analògics. Presenta una entrada USB per poder-se connectar a un PC extern d’on rep els algorismes per funcionar. Les connexions estan optimitzades gràcies a Arduino IDE (Entorn de Desenvolupament Integrat), un entorn de programació compatible amb qualsevol plataforma (Windows, Linux i macOS), que a més presenta una interfície amb varies biblioteques que faciliten la programació. Tot i això, aquest entorn de desenvolupament està limitat a causa que l’Arduino presenta memòries de programa (flaix) que oscil·len entre 32 KB i 256 KB [9] i RAM (estàtiques) entre 2 KB i 32KB a la seva última versió [10]. Aquests valors són baixos per l’execució de programes que treballin amb grans quantitats de dades o per aplicacions complexes. A més, els algorismes amb els que treballa Arduino estan basats en C/C++, fet que complica la programació.
Pàg. 36 Memòria Per altra banda, la Raspberry Pi és un ordinador monoplaca que opera sense la necessitat d’estar connectada a un altre ordinador extern. Es tracta d'una placa de circuit imprès que conté tots els components d'un ordinador en una sola peça: el processador, la memòria, els connectors d'entrada/sortida, els controladors de dispositius, els ports d'expansió, etc. Aquesta opció té les connexions elèctriques adequades per funcionar com un sistema d’adquisició de dades. En general, la RPi funciona com un petit ordinador, amb un sistema operatiu propi semblant a Linux, que li dona molta flexibilitat i versatilitat a l’hora del disseny d’aplicacions, desenvolupades habitualment en Python. La Raspberry Pi presenta una major capacitat de processament, així com més memòria RAM (en la majoria de models és 1 GB) i freqüència de rellotge (depenent del model). A més, les versions més comunes disposen de 4 ports USB, 1 port HDMI i connexió Ethernet, entre altres. Gràcies a la connexió a internet, la RPi és capaç d’accedir i transferir dades al núvol. Per últim, la RPi inclou un suport físic per incorporar una targeta microSD, fet que li permet augmentar la capacitat d’emmagatzematge. Aquesta s’utilitza per carregar el sistema operatiu i com a memòria flash. Com a comparativa, es mostra una taula amb les característiques més importants dels dos dispositius, de forma general: Taula 4. Comparativa general entre Arduino i RPi. Arduino (microcontrolador) Raspberry Pi (ordinador monoplaca) Sistema de funcionament general Es connecta l’Arduino a un PC i als perifèrics que ha de controlar, a partir de la programació en IDE (C/C++). Serveix per petits projectes de robòtica o màquines electròniques simples. És un petit ordinador, que presenta ports per connectar-hi una pantalla, ratolí, teclat, USB i els perifèrics. Es poden desenvolupar algorismes complexes en Python dins del seu sistema operatiu i treballar amb grans quantitats de dades. Processador Poc potent (8 bits, fins a 32 bits en alguns models ampliats) Més potent (entre 32 i 64 bits els models més habituals) Freqüència de rellotge Baixa (16 HMz la més comuna) Alta (entre 900 MHz i 1,8 GHz) Memòria RAM Baixa (2 KB, fins a 32 KB en alguns models ampliats) Alta (1 GB, fins a 8 GB en alguns models ampliats) Memòria Flash Baixa (32 KB, fins a 256 KB en alguns models ampliats) Targeta microSD Connexions amb altres dispositius Habitualment: 1 port USB i els pins pels perifèrics. Habitualment: 4 ports USB, 1 port HDMI, 1 port Ethernet i els pins pels perifèrics
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 37 Connexió a internet No directament (el PC al que està connectat sí). Alguns models ampliats poden incorporar-ne. Sí (depenent del model també pot ser inalàmbrica). Programació IDE (C/C++) amb biblioteques ja desenvolupades. Limitacions a l’hora d’executar programes complexes o amb tractament de moltes dades Més flexible. Habitualment en Python. Apte pel tractament i anàlisi de grans quantitats de dades o algoritmes amb operacions complexes. Preu de mercat Preu models intermitjos recomanat pel fabricant: 24,00€ - 47,00€ ( [11] data 07/06/2023) Preu models intermitjos recomanat pel fabricant: 39,87€ - 52,51 € ( [12] data 07/06/2023) El preu pot ser més car degut a la forta demanda i l’escassetat de components. Per l’anàlisi i tractament de grans blocs de dades en el rang d’aquest projecte (que és el cas d’un sistema DAS), la Raspberry Pi presenta millors característiques, ja que aquesta incorpora un processador més potent, així com més memòria RAM i d’emmagatzematge microSD. En canvi, l’Arduino és més lent, presenta menys capacitat d’executar aplicacions i els algoritmes s’han de desenvolupar en l’entorn limitat IDE. Això significa que pot presentar problemes a l’hora d’executar programes en temps real que suposin càlculs complexos o especificacions concretes, com ara crear un fitxer d’Excel automàtic amb el resultat de l’anàlisi de les dades. A més, l’Arduino està més limitat a l’hora de realitzar processos de depuració, el que dificulta el seguiment i correcció d’error al codi. Per últim, la RPi presenta més escalabilitat, el que significa que és més fàcil expandir o modificar dràsticament algun dels mòduls dels software. En canvi, amb l’Arduino pot passar que apareguin limitacions tant de hardware com de software que no permetin realitzar aquests canvis de manera tant ràpida i efectiva. Així doncs, el computador escollit és la Raspberry Pi (RPi), desenvolupat per la Raspberry Pi Foundation al Regne Unit. Les característiques específiques d’aquest computador depenen del model que s’estigui utilitzant, tot i que hi ha aspectes que no varien entre les versions més noves. Per aquest projecte, s’ha utilitzat tant la Raspberry Pi 2B com la Raspberry Pi 3B+ per temes de disponibilitat. El primer model només es va utilitzar per a adquirir dades de senyals no gaire complexos i sense necessitat d’un gran rendiment, en els primers muntatges de NORI. Les diferències entre aquests 2 dispositius es troben, principalment, en aspectes de connectivitat i processament. Es mostren a la taula següent:
Pàg. 38 Memòria Taula 5. Comparació entre els dos tipus de Raspberry Pi utilitzats al projecte. Tal com s’indica a la Taula 5, aquests dos models de Raspberry Pi tenen els mateixos pins de connectivitat (GPIO). Els GPIO (General Purpose Input/Output) són pins genèrics situats al xip del computador, dels quals se’n pot programar el seu comportament (incloent si es tracta d’un pin d’entrada o sortida). La Raspberry Pi inclou 40 d’aquests pins digitals connectats a la CPU. Els seus nivells de voltatge són 0V (GND) pel bit 0 i 3,3V (3V3) pel bit 1 i tenen una freqüència màxima de 22MHz. Els GPIO son de gran importància per aquest projecte, ja que a partir de la capacitat que tenen per ser programats, es poden utilitzar per rebre dades i enviar-les cap on es vulgui. També se’ls pot programar per a comunicar-se amb altres dispositius. Figura 7. Esquema dels GPIO de la Raspberry Pi. [15] Raspberry Pi 2B [13] Raspberry Pi 3B+ [14] Processador ARM Cortex A-7, de 32 bits i 900MHz ARM Cortex A-53, de 64 bits i 1,4GHz Memòria RAM 1GB 1GB Connectivitat Wi-Fi No inalàmbric Inalàmbric, amb bandes de freqüència de 2,4GHz i 5GHz Bluetooth No 4.2 Ethernet Gigabit Ethernet (100Mbit/s) Gigabit Ethernet (300Mbit/s) Potència consumida mitja 1,8W (360mA a 5V) 3,5W (700mA a 5V) Preu del fabricant 35$ 35$ GPIO 40 40
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 39 4.1.1.2. Elements d’interacció de l’usuari amb el computador Un cop situada la Raspberry Pi com el computador de NORI, es necessiten dispositius addicionals per a que l’usuari pugui interactuar amb aquest de manera més còmoda i eficient. Aquests són: • Monitor: és l’element que s’encarrega de mostrar la informació que es processa a l’ordinador. • Ratolí: permet als usuaris moure el cursor a la pantalla i fer clic en botons per seleccionar opcions i realitzar accions. • Teclat: és l’element que permet introduir text i comandaments a l'ordinador. Així doncs, es connecten el monitor, teclat i ratolí a la RPi mitjançant els ports de connectivitat que porta incorporat aquest petit ordinador. En concret, s’utilitzen dos dels quatre ports USB de la Raspberry Pi per a fer les connexions del teclat i el ratolí, mentre que la pantalla s’enllaça amb el port HDMI, que també inclou la RPi (tant el model RPi2B com el RPi3B+). A part d’aquests elements d’interacció amb l’usuari, també s’utilitza una targeta externa microSD (de 8 GB). La targeta microSD permet instal·lar el sistema operatiu de la Raspberry Pi, que és Raspberry Pi OS, anteriorment anomenat Raspbian, un sistema operatiu d’ús gratuït basat en Debian, que està optimitzat per la placa. Pel model RPi3B+ no és explícitament necessari aquest element, però permet emmagatzemar tant els codis com els documents de dades que es generen. Un cop implementats tots els accessoris al computador, resten desocupats dos dels quatre ports USB, independentment de la versió RPi que s’estigui fent servir. En el cas del model 2B, un d’aquests es fa servir per a connectar l’adaptador de xarxa inalàmbrica USB, que permet que l’ordinador tingui accés a internet sense fils. 4.1.1.3. El xip MCP3008 com a convertidor ADC Com s’ha esmentat anteriorment, els GPIO de la Raspberry Pi son els pins pels que entra i surt la informació digital que processa el computador. Aquesta informació en cap dels casos pot ser analògica, ja que l’ordinador treballa en bits. És per això que es requereix d’un convertidor analògic-digital (ADC) que converteix el senyal adquirit analògic en un senyal digital. En el cas d’aquest muntatge s’ha escollit el xip MCP3008 de de Microxip Technology Inc. [16] A continuació, es detallen algunes de les característiques principals del MCP3008 que han fet que s’hagi escollit per aquest projecte:
Pàg. 40 Memòria • Resolució: L’MCP3008 té una resolució de 10 bits, el que significa que pot llegir fins a 1024 valors diferents. Això ofereix una mesura més precisa dels senyals analògics en comparació a altres ADC de resolució més baixa. Si per exemple s’està mesurant un valor de 0 a 5 V, això vol dir que entre mesures hi haurà un pas de 0,0048828125 V. • Interfície compatible: L’MCP3008 utilitza una interfície SPI (Serial Peripheral Interface) que és compatible amb la Raspberry Pi. Això fa que sigui fàcil de connectar i integrar en un projecte. • Disponibilitat: El xip MCP3008 és una solució econòmica i de fàcil accés a funcionar com a ADC en aquest projecte, ja que es pot trobar fàcilment en línia i en botigues de components electrònics. • Flexibilitat: L’MCP3008 disposa de 8 entrades que permeten connectar múltiples canals de senyal analògic per a la lectura simultània de diferents sensors o dispositius de mesura del senyal. Es pot observar del datasheet del ADC MCP3008 [16] la configuració dels 16 pins que el conformen. El xip té 8 canals d’entrada per rebre la informació analògica (CH0 a CH7) que surt transformada en digital pel canal de sortida (pin 12, DOUT). L’alimentació del xip es realitza al valor nominal de 5V (pin 16), mateix valor al que es connecta la referència (pin 15). El punt de massa (AGND, DGND) correspon als pin 14 i pin 9, respectivament. S’aprofiten els canals pertinents de la Raspberry Pi per realitzar aquestes alimentacions. Com s’ha esmentat a les característiques del xip, per poder enviar la senyal que surt del pin 12 (DOUT) a la Raspberry Pi, s’utilitza un bus SPI (que permet fer arribar la informació digital del ADC a la PC). Els pins restants (pin 13, pin 11, pin 10 i, de fet, el propi pin 12) serveixen per dur a terme aquesta connexió: • El pin 13 (CLK) es correspon al senyal de rellotge del SPI. Al ser un mètode síncron, la transmissió de cada una de les mostres es produeix a cada cop de rellotge. Aquest pin del ADC es connecta al GPIO11 de la Raspberry Pi, que està dissenyat per enviar una senyal de rellotge. • Pel que fa el pin CS/SHDN (pin 10) del ADC, aquest serveix per connectar o desconnectar la comunicació entre el xip i la RPi. Correspon a la línia “SS/Select” del mètode SPI i va connectat al GPIO8, que és una de les dues sortides de la Raspberry Pi que permeten aquesta funcionalitat. • Per últim, el pin 11 i pin 12 (DIN i DOUT) tenen com a objectiu rebre i enviar informació a la Raspberry Pi. Es connecten als pins GPIO10 i GPIO9 de la RPi respectivament, que estan dissenyats especialment per a aquest objectiu.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 41 4.1.1.4. Connexions entre dispositius Per realitzar les connexions elèctriques entre els dispositius electrònics del sistema de NORI s’utilitza una protoboard de 400 punts. Aquesta serveix per donar un suport físic a les connexions entre el xip i la RPi. Els cables elèctrics són “jumpers” del tipus mascle-mascle o mascle-femella, ja que la Raspberry Pi té connexió femella i el xip mascle. El model que s’utilitza és MIKROE-516. [17] Els cables tipus jumpers son cables utilitzats en circuits electrònics que inclouen connectors a cada un dels seus extrems. Això permet que la connexió a la protoboard sigui senzilla i sense necessitat de soldadura. Així doncs, les connexions són fàcils de canviar, fent que aquest tipus de cable tingui un paper molt important en la confecció de prototips. Com s’ha vist, la Raspberry Pi també permet altres connexions tals com HDMI, USB o la pròpia alimentació (micro-USB). Aquestes es realitzen amb el cablejat pertinent per aquests tipus de connexions. Per connectar-se a internet, es fa servir cable Ethernet.
Pàg. 48 Memòria 4.2.1. CODIUM El desenvolupament del software de NORI va evolucionant a mesura que es va experimentant amb els diversos sensors o s’afegeixen especificacions que no estaven inicialment previstes. Finalment, per l’experimentació amb els detectors cromatogràfics, es reorganitza tot el codi existent i s’agrupa de tal manera que el seu ús sigui senzill i intuïtiu per l’usuari. Això es fa maquetant el codi amb una interfície gràfica pròpia, CODIUM, que permet connectar el software amb el hardware. CODIUM és una eina que generalitza el software, el en el sentit que permet a l’usuari configurar paràmetres mitjançant la introducció de dades o selecció d’opcions que abans eren fixes dins del codi. A més, inclou totes les funcionalitats del processament de dades cromatogràfiques i la programació de la RPi per a que adquireixi les dades del detector. En concret, té com a funcionalitats: • Adquirir les dades del detector. • Analitzar-les obtenint com a resultat el cromatograma i els pesos moleculars de la mostra injectada. • Crear un full de càlcul d’Excel amb les dades adquirides, tractades i els resultats. Durant el desenvolupament de CODIUM es tracten casuístiques tant en la banda del servidor (backend) com en la de l’usuari (frontend). Els desenvolupaments de software per part del backend inclouen els algoritmes amb els que a priori l’usuari no interactua, com ara l’arquitectura d’adquisició de les dades, creació de funcions auxiliars o la metodologia de càlcul dels pesos moleculars. Tot i això, al ser un programa de codi obert, l’usuari té sempre la capacitat per modificar aquests elements del sistema. Per altra banda, al ser una interfície gràfica, CODIUM inclou elements que faciliten la interacció del programa amb l’usuari. Aquests formen part del frontend. Alguns dels desenvolupaments que s’han fet en relació amb el frontend son el disseny de la icona, aspecte dels botons digitals, color de fons, tipografia, etc. Totes aquestes implementacions permeten un ambient de treball més agradable i senzill.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 49 4.2.1.1. Frontend de CODIUM Els desenvolupaments de cara a l’usuari que es duen a terme en aquest projecte són els que es descriuen a continuació. Principalment, consisteixen en implementacions cosmètiques, és a dir, dissenys gràfics dels diferents elements que formen part de la interfície de CODIUM. • Disseny de la icona del programa CODIUM: Per poder executar el programa directament des de l’escriptori de la Raspberry Pi a través d’un arxiu .desktop sense la necessitat d’obrir el terminal o el Shell de Python era necessari el disseny d’una icona. Aquesta havia de: • Mostrar de manera completa o parcial el nom de CODIUM. • Ser agradable a la vista, amb un disseny senzill. • Incorporar colors plans i complementaris entre si. Finalment el disseny és el que es mostra a continuació: Figura 12. Font pròpia. Icona del programa CODIUM. Disseny realitzat en Power Point. • Disseny de la interfície gràfica CODIUM: Pel disseny de la interfície gràfica es van utilitzar els següents estils: • Font de text: “Aparajita”. • Color de fons de les finestres i els botons: “HEX #F2F2F2”. • Mida de la lletra: Variable depenent de la finestra (entre 9 i 24). • Estil de botons: Plans i rectangulars. • Marges dels “widgets”: Normalment 5 píxels en padx i pady. Figura 13. Font pròpia. Disseny d’algunes de les Finestres de CODIUM.
Pàg. 50 Memòria 4.2.1.2. Backend de CODIUM Pel que fa l’arquitectura del software desenvolupat a la part del servidor (a partir de les dades que l’usuari introdueix en el frontend de CODIUM) és la que es mostra a continuació: Figura 14. Font pròpia. Arquitectura de la secció “Record” de CODIUM. Inici programa Generació finestra principal Botó RECORD Botó ANAL E Generació finestra Introducció del temps de gravació Introducció del nom del fitxer Introducció del període de mostratge Introducció del canal d entrada de l ADC Botó O Execució funció record Execució funció lectura sg Setup GPIO per la connexió amb MCP3008 Creació barra progrés i botó STOP RECORDING T Pendre una nova mostra del detector Afegir la mostra al fitxer .txt Cleanup GPIO Creació del fitxer auxiliar d informació Ts Canal 2 None N 800 ó Ts 0,5 Creació fitxer .txt de dades Pulsar SR Execució funció lectura Setup GPIO per la connexió amb MCP3008 Inicialització del cromatograma Creació barra progrés i botó STOP RECORDING T Pendre una nova mostra del detector Afegir la mostra al fitxer .txt Ts Creació fitxer .txt de dades Pulsar SR Execució funció lectura sg Setup GPIO per la connexió amb MCP3008 Creació barra progrés i botó STOP RECORDING T Pendre una nova mostra de cada detector Afegir les mostres al fitxer .txt Ts Creació fitxer .txt de dades Pulsar SR Afegir la mostra al cromatograma N 600 ó Ts 0,5 Execució funció lectura Setup GPIO per la connexió amb MCP3008 Inicialització del cromatograma Creació barra progrés i botó STOP RECORDING T Pendre una nova mostra del detector Afegir la mostra al fitxer .txt Ts Creació fitxer .txt de dades Pulsar SR Afegir la mostra al cromatograma Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si No No No No No No No No No No No No No No
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 51 Figura 15. Font pròpia. Arquitectura de la secció “Analyse” de CODIUM. Com es pot veure de manera general a l’esquema de blocs, CODIUM està dividit en 2 seccions funcionals diferents: • Bloc “Record”: Permet a l’usuari realitzar l’adquisició de dades d’un experiment de fins a dos sensors alhora. Automàticament, el programa detecta si hi haurà un volum gran o petit de dades. En el primer cas mostra una barra de progrés i en el segon el gràfic en temps real dels valors detectats. • Bloc “Analyse”: A partir de les dades introduïdes per l’usuari, calcula automàticament els pesos moleculars d’un experiment realitzat amb anterioritat i genera el fitxer Excel amb els resultats. Generació finestra Botó RO SE Generació explorador arxius RPi Selecció del fitxer a analitzar Generació finestra Introducció del punt final Introducció del punt inicial Introducció del selector del detector Introducció de les constants de la corba de calibratge Botó O Execució funció analit a Obtenció regressió lineal de la línia base Aplanament i ajust del zero de les dades Retall de les dades segons f i i introduïts Càlcul dels pesos moleculars Càlcul de l àrea sota la corba Graficar resultats de l anàlisi Creació del fitxer Excel en blanc Afegit de la capçalera Inserció de les dades prèvies al tractament Inserció de les dades tractades Càlcul i inserció dels pesos moleculars Graficar el cromatograma Graficar el cromatograma Guardar l arxiu al directori corresponent inal programa Inserció dels pesos moleculars Execució de la funció crea e cel Si Si No No
Pàg. 52 Memòria 4.2.2. CODIUM FT CODIUM FT (“CODIUM File Transfer”) és el software que dona recolzament al sistema de transferència de dades dissenyat en detall a la secció 4.1.3 d’aquest treball. Aquest es basa en el protocol de còpia segura SCP (SSH), que permet a la RPi enviar arxius a l’ordinador fix del laboratori 25-39 d’EQ de manera efectiva i protegida per contrasenya. L’arquitectura és la següent: Figura 16. Font pròpia. Arquitectura de CODIUM FT. L’aspecte de les diverses finestres del programa són iguals que per CODIUM. Tot i això, per aquest programa auxiliar es dissenya una nova icona, que és: Figura 17. Font pròpia. Icona del programa CODIUM FT. Disseny realitzat en PWP. Inici programa Definició dades client: ost Port Username Pas ord Creació de la finestra CODIUM ile Transfer Botó Select ile Generació explorador arxius RPi Selecció del fitxer a analitzar Botó Send ile Connexió SSH amb el client Enviament fitxer seleccionat Desconnexió SSH amb el client Missatge amb el fitxer seleccionat Missatge de fitxer enviat al client inal programa Si Si No No
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 53 4.3. Experimentació i verificació. Aplicació de NORI amb diversos sensors. Simultàniament al disseny i a la implementació de la gran majoria del software de NORI es realitzen proves de verificació, que busquen millorar el sistema i exposar els defectes que existeixen. Aquesta depuració es realitza, en gran part, provant les diverses funcionalitats del sistema amb un seguit de sensors analògics, de diferents tipus. També és comprova el funcionament del sistema de transferència de dades a través de tests d’interoperabilitat per veure que tot el producte funciona segons les especificacions. Tot aquest procés té com a objectiu que NORI sigui capaç de rebre i processar els senyals de qualsevol detector que se li pugui connectar. Així doncs, finalment es realitza l’anàlisi experimental amb els equips cromatogràfics. En concret, el detector amb el que s’experimenta és el model 785A d’Applied Biosystems. 4.3.1. Primers sensors. Adquisició de dades. La primera funcionalitat que es verifica és la capacitat de NORI per adquirir les dades analògiques que pot rebre de diferents tipus de sensors. Aquesta experimentació es va dur a terme simultàniament al desenvolupament del primer software del DAS. Així doncs, l’objectiu d’aquests experiments és enregistrar les dades (inicialment analògiques) i guardar-les a la memòria de la Raspberry Pi en format de fitxers .xlsx i .txt, ja convertides a digital. En concret, es realitzen diverses proves funcionals que pretenen estudiar el comportament del sistema i són: 1. Realització de casos de prova amb diferents entrades analògiques per verificar que tant el hardware com el software inicials son funcionals i no presenten errors en la seva execució. 2. Anàlisi exhaustiu del codi informàtic que permet l’adquisició de dades. Correccions dels defectes que apareixen a l’executar-lo, com errors tipogràfics o conceptuals. 3. Prova experimental per captar algunes primeres limitacions en l’adquisició de dades de NORI: limitacions en el temps de mostratge, entrades múltiples simultànies, retards en l’arribada del senyal, etc. 4. Finalment, un cop revisades les especificacions bàsiques, es realitza una prova exploratòria que te com a objectiu observar com els usuaris reals podrien utilitzar el sistema. Això serveix per identificar problemes que no han estat definits en altres proves més específiques i millorar la qualitat del software.
Pàg. 54 Memòria 4.3.1.1. Potenciòmetre La primera experimentació que s’ha realitzat ha sigut a partir d’un potenciòmetre. En aquest cas s’ha utilitzat el model PT10V103 [20]. El potenciòmetre és un dispositiu electrònic que es caracteritza per presentar una resistència variable, que per el model utilitzat va des de 0 Ω a 10.000 Ω, idealment. Aquesta es pot regular girant la pestanya rotativa del centre del potenciòmetre (cursor), que abasta 235º. 𝑅 =𝑓(𝜃) , 𝜃 ∈ (0°,235°) (Eq. 10) En circuits elèctrics, els potenciòmetres es fan servir habitualment per controlar la caiguda de tensió (connectant-los en sèrie) o la intensitat de corrent, fent-ho en paral·lel. En el cas d’aquest experiment, però, l’únic que es busca és veure com varia la caiguda de tensió a mesura que varia l’angle del cursor, i comprovar que el muntatge és funcional. El senyal analògic que es captura és justament el potencial elèctric que genera el dispositiu. Mecànicament, el potenciòmetre presenta 3 potes o terminals, que serveixen per fer les connexions d’alimentació, punt de massa i mesura del senyal. Al connectar el potenciòmetre a la protoboard, ja es disposa de manera que les dues potes d’alimentació i posada a terra quedin connectades als seus respectius punts (amb l’ajuda de cables). El terminal restant, que és a partir del qual es mesura el senyal, es connecta al CH7 del ADC per convertir-lo en digital i processar-lo amb el computador. La tensió que es mesura és una fracció de la total que pot suportar el potenciòmetre. Al fer l’alimentació entre 5 V i 0 V, idealment les mesures que s’han de registrar són, precisament, un rang de valors de tensió compresos entre 0 i 5 V. El potenciòmetre es pot modelar com dues resistències variables, el valor de les quals canvia al girar el cursor. El valor de la suma d’aquetes és sempre igual a la resistència total (que en aquest cas és de 10.000Ω). Quan una de les residències augmenta de valor, l’altra disminueix per a seguir sumant Rtotal. Les equacions són: 𝑅1=𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·(1− 𝜃 235) (Eq. 11) 𝑅2=𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·𝜃 235 (Eq. 12) 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑅1+𝑅2 (Eq. 13) El potenciòmetre es comporta realment com un divisor de tensió. Essent R1 connectada a VCC (5 V) i R2 connectada a terra (0 V), l’equació que regeix el potencial de la tercera pota (cable central entre les dues resistències) és: Figura 18. Font pròpia. Esquemàtic del potenciòmetre.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 55 𝑉𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟𝑎 =𝑉𝐶𝐶 ·𝑅2 𝑅1+𝑅2=𝑉𝐶𝐶 ·𝑅2 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (Eq. 14) Així doncs, el DAS ha de ser capaç d’enregistrar les dades Vmesura mentre va variant R2. A continuació es mostra l’esquemàtic del muntatge. Aquest correspon al sistema d’adquisició de dades de NORI (hardware) al qual s’ha connectat el potenciòmetre. Els terminals del potenciòmetre estan connectats a 5 V i a massa, i el senyal a mesurar al CH7 del ADC. Figura 19. Font pròpia. Esquemàtic amb OrCad Capture del muntatge que transforma Vmesurada del potenciòmetre en un senyal digital, a través de xip MCP3008, i que processa la Raspberry Pi. Després d’executar l’algoritme, el que s’obté és, com era d’esperar, dos fitxers de dades numèriques digitals. Un primer en format Excel i un altre de text. A partir del fitxer .xlsx, es poden manipular les dades i fer-ne un gràfic per a analitzar-ne l’evolució temporal (a mesura que es modifica el cursor).
Pàg. 56 Memòria El gràfic que s’obté és: Figura 20. Font pròpia. Vmesurada a mesura que varia R2. D’aquest experiment es conclou que: • El sistema d’adquisició de dades de NORI (hardware i software) és funcional a un nivell bàsic. • Les dades es prenen i es transformen a digitals a temps real sense un retard aparent. • Els valors obtinguts en cada mesura són múltiples de 0,0048828125, que té sentit al estar mesurant en una escala de 0 V a 5 V i el xip MCP3008 té una resolució de 10 bits (5 / 210). • El comportament del potenciòmetre és també el que s’esperava. El següent pas de l’experimentació consisteix en comprovar si aquesta detecció també es pot fer amb més d’un sensor alhora. Això és una funcionalitat important de cara a treballar amb els detectors cromatogràfics, ja que moltes vegades es requereix una doble detecció. 4.3.1.2. Diversos sensors al mateix temps Un cop verificat que el sistema d’adquisició de dades de NORI és funcional es comproven un seguit de característiques secundàries per poder caracteritzar de manera més acurada el sistema. Això es fa partir d’una prova exploratòria consistent en connectar simultàniament al DAS tres sensors diferents, i anar variant els senyals naturals captats per aquests per veure com evoluciona el sistema davant dels canvis. En concret: • Comprovar que el DAS de NORI és capaç de registrar, al mateix temps, més d’un senyal analògic captat per diferents sensors. • Estudiar quin és el comportament quan un d’aquests senyals es modifica al canviar la variable natural que està sent mesurada: si el retard és significatiu ara que hi ha diversos sensors, si hi ha interferències entre senyals, etc. • Validar el muntatge del sistema a l’hora de connectar més d’un sensor al xip ADC. Disseny del hardware per poder realitzar la prova tenint en consideració les especificacions dels datasheet dels sensors.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 57 Els sensors que s’hi connecten son: • Sensor SHARP GP2Y0A21YKOF [21]: Sensor de distància, format per una combinació integrada de PSD (detector sensible a la posició), IRLED (díode emissor d'infrarojos) i circuit de processament de senyal. Teòricament, es capaç de mesurar la distància a objectes que es troben de 10 a 80 cm del sensor. El mode de funcionament consisteix en que el IRLED emet llum infraroja, que si rebota en un objecte (amb més o menys intensitat depenent la distància), aquesta va a parar al PSD, fa variar la intensitat captada i emet un senyal ajustat respecte la distància a l’objecte. Figura 21. Font pròpia. Esquema de funcionament del sensor SHARP. • Sensor WHADDA WPM407 [22]: Sensor d’intensitat lumínica basat en un fototransistor, que converteix l’energia de la llum en un potencial elèctric proporcional. La llum és una ona electromagnètica que transporta energia en paquets anomenats fotons. Quan un d’aquests fotons de llum incideix sobre el semiconductor (del qual està format el transistor), la seva energia pot transferir-se a un electró que passa a un estat energètic més alt. A més, el dispositiu incorpora, al seu interior, una resistència de pull-down de 10.000 Ω. La funció d’aquesta resistència és la de mantenir el valor de la caiguda de tensió a 0 V quan no està rebent llum. • Sensor LM335 [23]: és un sensor de temperatura que opera com un díode Zener. Segons el datasheet del component, aquest es pot connectar de diverses maneres per aconseguir una major precisió en la mesura de la temperatura, així com realitzar diverses calibracions per ajustar el seu comportament. Tot i això, per aquesta experimentació només es vol per comprovar que el DAS de NORI funciona segons les especificacions, pel que es munta seguint l’esquema recomanat pel fabricant “Basic temperature sensor”.
Pàg. 64 Memòria Prova amb polímer Un cop vist que el detector és capaç de captar la mostra i enviar la informació a NORI, es realitza el mateix experiment, però ara essent l’analit el polímer “Copolímer estirè anhídrid maleic, hidrolitzat en medi bàsic (SMA)” . Figura 29. Font pròpia. Fórmula química del SMA. Això serveix per comprovar si es dona la detecció amb un compost d’interès al circuit. Al ser el polímer menys fosc que la Coca-Cola, és més difícil de detectar i, en conseqüència, s’ha de baixar la longitud d’ona. Per aquest experiment es puja el període de mostratge a 0,5 segons, per posar a prova si aquest paràmetre és signifcatiu. Figura 30. Detecció de NORI al pas del polímer pel detector. Extret del fitxer obtingut per CODIUM. D’aquest experiment podem concloure que: • Baixant la longitud d’ona, el detector és capaç de percebre el polímer. Com que l’experiment consta de poques dades, no es nota el soroll. • L’experiment consta de massa poques deteccions. En 30 segons amb un Ts de 0,5s, només s’han obtingut 4 valors diferents de zero. Això és degut a que s’ha triat un període de mostratge massa gran, i s’ha perdut part del senyal al digitalitzar-lo. Per determinar com es comporta el sistema segons la longitud d’ona es realitzen quatre experiments on només es varia aquest paràmetre:
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 65 Figura 31. Font pròpia. Quàdruple comparativa entre diferents longituds d’ona (en nm). Com es pot veure en aquesta comparativa, al augmentar la longitud d’ona la detecció es fa més dèbil, mentre que apareix menys soroll. Aquest s’observa clarament en forma de cresta a la corba amb una WL de 200 nm i, de manera més subtil, a les de 215 nm i 220 nm. Un altre aspecte a tenir en consideració és que si la longitud d’ona és massa petita, el detector es satura (ja no detecta valors més grans) i la corba queda tallada per dalt. Contràriament, si s’escull una WL massa elevada, les deteccions son molt suaus i es perd informació. 4.3.3.2. Amb columna de separació Algunes de les restriccions observades amb les proves sense la columna són fàcilment solucionables en experimentacions reals. Això es deu a que, habitualment, un anàlisi GPC dura uns 20 minuts, amb un temps de mostratge d’un o dos segons. Aquestes característiques donen un bon balanç entre temps de mostratge i nombre de deteccions diferents a zero. Els primers experiments sota aquestes condicions van resultar en una detecció continua de zeros, sense que aparegués el polímer. Això es deu a que la concentració d’aquest era massa petita. Per solucionar aquesta problemàtica es baixa la longitud d’ona a 190. El resultat d’aquest experiment és el que es mostra a continuació: • Al ser un volum de dades grans (+800), CODIUM no és capaç d’executar el gràfic en temps real de l’experiment. Aquest problema es té en compte al Backend.
Pàg. 66 Memòria Figura 32. Resultat de la detecció amb columna (20 minuts) i WL=190 nm. Extret del fitxer obtingut per CODIUM. Com es pot observar del detall de la corba, aquesta presenta força soroll al tenir un paràmetre de WL tant reduït. Per solucionar aquesta casuística sense baixar tant la longitud d’ona es canvia el conducte d’injecció del cromatògraf per un que permet un cabal major d’analit. Això ajuda a que passi pel detector més quantitat de polímer i es detecti amb més facilitat. No obstant, a l’hora de fer aquest canvi la columna cromatogràfica va quedar obstruïda, pel que vam haver de parar l’experimentació i esperar a que la neteja fes efecte. Figura 33. Resultat de la detecció amb columna (20 minuts), WL=190 nm i 0,2 ml de mostra. Extret del fitxer obtingut per CODIUM. Com es pot veure a la Figura 33, amb una longitud d’ona de 220 nm apareix més cresta que per l’experiment previ (amb WL de 190 nm). Si a més ens fixem amb el temps on es comença a detectar la mostra, és clarament visible com aquest és major a l’anterior. Per últim, la pressió que dona la bomba de pistons augmenta, al dificultar-se el pas per la columna. Aquests tres factors indiquen que la columna cromatogràfica està obstruïda. El procés de neteja de la columna pot trigar diversos dies si aquesta està força obturada. Mentre no es podia avançar en l’experimentació amb els polímers reals es van realitzar un seguit de proves per comprovar el comportament de NORI davant de dues deteccions simultànies. Aquestes consisteixen en veure si NORI enregistra les dades d’un potenciòmetre alhora que els del detector (que dona un seguit de zeros, ja que no està funcional).
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 67 Figura 34. Resultat de la detecció simultània de dos sensors. Extret del fitxer obtingut per CODIUM. D’aquests experiment es deriven les següents conclusions: • El nou software de NORI és funcional a l’hora de fer l’adquisició simultània de dos sensors: - L’usuari pot indicar a CODIUM de quins canals del xip MCP3008 vol que s’enregistrin les dades (un o dos sensors). - A l’hora de fer l’anàlisi dels resultats, l’usuari indica a CODIUM quina detecció és la que ha de tractar. • Tot i això, quan es realitza una doble adquisició amb un volum gran de dades (+600), CODIUM no és capaç de realitzar el gràfic en temps real del cromatograma. Aquestes limitacions es tenen en compte al backend de CODIUM. Com s’ha vist, una limitació de NORI és realitzar el gràfic en temps real quan aquest està format per un gran bloc de dades. Quan la informació rebuda supera un cert nombre (800 dades per 1 detector, 600 per 2 detectors), CODIUM genera una barra de progrés enlloc del gràfic en línia. Per tenir aquest paràmetre sota control es realitzen una sèrie de proves de verificació. També és verifica el botó que permet parar l’experiment integrat en CODIUM (Stop Recording). Taula 7. Font pròpia. Proves per modelar el gràfic de CODIUM. Nombre detectors Ts (s) Tmax (min) Mostres Gràfic Stop. Rec. Progressbar 1 1,00 13,00 780,00 Passed Passed Not apply 1 1,50 20,00 800,00 Passed Passed Not apply 2 2,50 20,00 480,00 Passed Passed Not apply 2 1,00 20,00 1.200,00 Not apply Passed Passed 1 0,50 10,00 1.200,00 Not apply Passed Passed
Pàg. 68 Memòria 4.3.3.3. Experimentació amb estàndards per trobar la corba de calibratge La corba de calibratge del sistema de cromatografia és una funció matemàtica que relaciona els pesos moleculars dels polímers amb el temps en que surten de la columna i són detectats pel detector. Per a que NORI sigui capaç de determinar el pes molecular de les mostres que se li poden injectar a posteriori, és necessari saber els valors que ajusten aquesta corba. L’expressió matemàtica és la següent: 𝑙𝑜𝑔10 [𝑀𝑖]=𝐴+𝐵·𝑇𝑟+𝐶·𝑇𝑟2+𝐷·𝑇𝑟3 (Eq. 15) On Mi és el pes molecular de la cadena “i” i Tr és el temps de retenció (en el que s’ha detectat la cadena “i”). Per trobar els valors de les constants A, B, C, D és necessiten diverses mostres d’un polímer estàndard, on cada mostra conté una llargada de cadena idealment única (monodispers) i que és coneguda. Tot seguit, es passen aquestes mostres pel cromatògraf 785A per trobar-ne el seu temps de retenció. En aquest cas, es disposa de tres mostres del polímer Poliestiresulfonat, sal sòdica (Figura 35), amb un pes molecular de 150 kg/mol, 17 kg/mol i 4,3 kg/mol, respectivament. Aquests es dilueixen amb aigua al 0,5% en volum (5 mg/ml) per fer l’experimentació. Com més gran és la massa molecular de la mostra que s’injecta al detector, menor ha de ser el seu temps de retenció, ja que s’elueix abans. Gràcies a CODIUM, s’obtenen els resultats dels tres experiments en tres fitxers d’Excel fàcils de manipular. Mitjançant CODIUM FT, s’envien a l’ordinador fix del laboratori per poder-los superposar i veure el resultat de l’experimentació globalment. El resultat és el que es mostra a continuació: Figura 36. Font pròpia. Triple comparativa dels estàndards. Figura 35.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 69 D’aquesta triple comparativa se’n pot concloure que: • Les mostres es separen segons el seu pes molecular, verificant que les de major mida tenen un temps de retenció menor (387 s) que les més petites (415 s). • Tot i això, la mostra de 150 kg/mol és força polidispersa, ja que l’amplitud de la corba és pròxima a 80 segons, que és aproximadament el doble que la de les altres dues mostres. Això és degut a que les condicions cromatogràfiques no són ideals i que aquest estàndard és defectuós. • La concentració amb la que s’ha introduït els estàndards és pràcticament la mateixa, ja que el valor màxim dels tres ronda els 2 V. • Al haver-hi poc temps entre la sortida de les mostres, augmenta la sensibilitat del sistema de mesura. Assumint un possible error acumulat al no comportar-se els estàndards idealment, es calculen els coeficients A, B, C i D amb aquests resultats, tenint en consideració les masses moleculars de les tres mostres i el temps de retenció corresponent al pic més alt del cromatograma. Taula 8. Font pròpia. Dades experimentals per trobar la corba de calibratge. Massa molar (g/mol) Temps retenció (min) Temps retenció (s) Log10 (Mi) 150000 6,450 387 5,176 17000 6,700 402 4,230 4300 6,917 415 3,633 Figura 37. Font pròpia. Recta de calibratge del GPC. Com es pot veure de la Figura 37, l’expressió matemàtica que regeix la relació entre la massa del polímer i el temps de retenció és quasi lineal (R2 de 0,9922). Així doncs, s’escullen els següents valors per la corba de calibratge: 𝑙𝑜𝑔10 [𝑀𝑖]=26,539−3,3178·𝑇𝑟 (Eq. 16) Al eliminar els termes de C i de D, els càlculs s’agilitzen de manera general. Com que el comportament és pràcticament lineal, aquesta aproximació es pot agafar com a vàlida. A
Pàg. 70 Memòria més, cal tenir en consideració que l’objectiu d’aquesta experimentació no és calcular de manera exacta els pesos moleculars dels polímers, sinó comprovar el funcionament de NORI. 4.3.3.4. Experimentació final amb SMA Un cop determinada la corba de calibratge, es passa pel cromatògraf el polímer SMA una altra vegada, ja que per poder determinar la massa molar que té amb CODIUM, l’únic que es necessita és trobar el seu temps de retenció. L’experiment es realitza amb la mateixa concentració amb que s’han introduït prèviament els estàndards (5 mg/ml) i WL de 215 nm. Figura 38. Font pròpia. Resultats extrets de CODIUM. Cromatogrames de SMA. El cromatograma mostra la sortida de l’SMA (de 5,933 minuts a 7,20 minuts, amb un màxim en 6,533 minuts). Això correspon a una amplada de la corba cromatogràfica de 101,36 segons, que és més gran que la dels estàndards, ja que aquesta mostra és més polidispersa (conté cadenes de varies mides). CODIUM també proporciona els valors de Mn i Mw, que són de 16.084 g/mol i 540.797 g/mol respectivament, amb un valor de polidispersitat de 33,6. Utilitzant la corba de calibratge i el temps de retenció del pic més alt, podem trobar la massa de la cadena de SMA amb més presencia a la mostra, que és de 73 kg/mol. Segons la informació proporcionada pel professor Jordi Bou, aquesta hauria de ser, aproximadament, d’uns 88 kg/mol. Així doncs, en relació a aquest experiment: • La mostra de SMA pot no ser exacta i està parcialment contaminada, ja que després del polímer es detecta un pic, que segurament pertany a una petita molècula no desitjada. • Les condicions cromatogràfiques no són ideals, com ara una alta temperatura del laboratori, que genera petites bombolles de vapor dins de la bomba de pistons. • La corba de calibratge és molt sensible. Com que l’estàndard defectuós té el pic de sortida a 6,45 minuts i la mostra de SMA comença a sortir a 5,933 minuts, el valor de Mw és força elevat (detecta cadenes molt llargues, de masses molars molt superiors a 150 kg/mol).
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 71 • Malgrat els punts anteriors, el resultat és de l’ordre esperat. El cromatograma també presenta la forma teòrica. Això evidencia el bon funcionament de NORI i CODIUM en aquest tipus d’aplicacions. Finalment, es realitza una altra experimentació per estudiar si NORI detecta novament la mostra de contaminant que presenta el SMA. En aquest cas el que s’obté és: Figura 39. Font pròpia, extret de CODIUM. Al segon experiment amb l’SMA, apareix de nou la cadena de contaminant. Figura 40. Font pròpia. Detall del pic de contaminant de la mostra d’SMA. El segon pic, corresponent a la presència d’algun contaminant, també es pot analitzar amb CODIUM, obtenint un resultat de Mn=27,01 g/mol i Mw=28,81 g/mol, amb una polidispersitat de 1,07. El pic més alt d’aquesta mostra és a 0,1 V, pel que es pot determinar que la concentració és menor que el de la mostra principal de SMA, que sobrepassa els 2 V. Aquests resultats són coherents amb el temps de retenció del contaminant (màxim a 7,66 minuts). Finalment, d’aquesta última prova se’n pot concloure que: • El contaminant correspon a una molècula petita de baixes concentracions. • Tot i que la corba de contaminant presenta poques dades (degut a que el període de mostratge és massa gran), NORI també es capaç de captar molècules petites de contaminants a les mostres.
Pàg. 72 Memòria 4.3.4. Implementació del sistema de transferència de dades. Paral·lelament a l’experimentació del sistema d’adquisició de dades, es realitza el muntatge de transferència de dades descrit a la secció 4.1.3 i es desenvolupa la interfície gràfica CODIUM FT (veure secció 4.2.2). 4.3.4.1. Connexió a la mateixa xarxa local Per poder enviar els fitxers entre la RPi i l’ordinador fix del laboratori amb el protocol de copia segura SCP, cal que els dos estiguin connectats a la mateixa xarxa local. Les primeres proves que es realitzen tenen per objectiu aconseguir aquesta connexió. 1. Xarxa Eduroam: La opció més senzilla a primera vista és que la xarxa sigui Eduroam, pública pels estudiants (cal usuari i contrasenya). Ara bé, Eduroam està protegida per una seguretat no compatible amb la RPi. També presenta problemes per la connexió SCP. 2. Xarxa Wi-Fi al laboratori: Una altra opció és crear una xarxa local a partir d’un router antic del professor Bou, a partir dels punts d’internet del laboratori (rosetes). Els motius que no van permetre aquesta via són els següents: • Està prohibida la creació d’una xarxa Wi-Fi local multiusuari a la ETSEIB. • Els punts d’internet del laboratori no estaven operatius. Gràcies a l’ajuda dels Serveis TIC de l’escola, s’arreglen i s’habiliten les rosetes per poder realitzar una tercera prova: 3. Connexió a la xarxa local del departament d’EQ: Es connecta l’ordinador fix i la RPi directament via cable Ethernet al switch del departament d’EQ. A més, a cada dispositiu se li atorga una IP estàtica (20.5.22.92 i 20.5.22.91, respectivament) que facilita la transferència de fitxers per SCP. El muntatge es pot trobar a la Figura 11. 4.3.4.2. Transferència dels fitxers Abans d’implementar el punt 3, es comprova que la transferència és viable en una xarxa local a la qual es pot accedir fàcilment. Per això, es porta la RPi a casa i es verifica aquesta acció en un entorn de treball amb Windows 11. Malgrat això, la versió del sistema operatiu del laboratori és Windows 7, fet que obliga a instal·lar un client de SCP per efectuar la comanda. Això permet enviar fitxers des de la RPi a l’ordinador, escrivint la comanda al ordinador. En canvi, no es pot realitzar a l’inrevés ja que hi ha problemes amb els permisos dels usuaris de l’ordinador. Gràcies als serveis TIC novament es soluciona aquesta problemàtica. Això permet desenvolupar CODIUM FT actuant des de la RPi, com una extensió de CODIUM.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 73 5. Resultats NORI és un dispositiu d’adquisició, transmissió i anàlisi de dades que permet treballar amb senyals analògics procedents de diversos sensors a partir d’un ordinador de placa única Raspberry Pi i els seus perifèrics. El prototip en la seva presentació global respon a un patró clàssic integrat de màquina de control (PC) juntament a màquina de procés (instrument), especialitzat en el tractament de dades cromatogràfiques. Els components de hardware del sistema operen a partir de les instruccions que obtenen dels diferents algorismes que es programen en Python. A més, NORI presenta CODIUM, una interfície intuïtiva, còmoda i eficient destinada a operar amb equips de cromatografia per l’anàlisi de pesos moleculars de polímers. Els resultats poden ser enviats a un altre ordinador del laboratori gràcies a CODIUM FT, una extensió del programa que permet la transmissió d’arxius. El manual de NORI es pot trobar a l’Annex I d’aquest treball. 5.1. Especificacions tècniques de NORI Les taules que es presenten a continuació fan referència a les especificacions tècniques del hardware de NORI com a conjunt operatiu. Algunes d’aquestes característiques estan condicionades pels diversos components electrònics que la conformen (el microcomputador RPi 3B+ i el xip MCP3008). Les especificacions d’aquests dispositius estan disponibles a [14] i [16]. Els esquemes i descripcions dels muntatges del hardware es poden trobar a la secció 4.1 d’aquest treball. Taula 9. Font pròpia. Alimentacions externes de NORI Alimentacions externes Paràmetre Valor Unitat Comentaris Tensió d’alimentació microcomputador RPi 5,0 VdC Mitjançant convertidor de 220 V (50 Hz) a 5 V/2,5 A. Intensitat d’alimentació microcomputador RPi 2,5 A Monitor 220 V El model del monitor depèn de l’usuari, sempre que es pugui connectar a la RPi per HDMI. Taula 10. Font pròpia. Connexions internes de NORI Connexions internes NORI Xip MCP3008 Pin Paràmetre Valor Unitat Comentaris 16 Alimentació xip MCP3008 (VDD) 5,0 VdC Connexió elèctrica al pin 2 de RPi (5 VdC). 15 Voltatge de referència xip MCP3008 (VREF) 5,0 VdC 14 Massa analògica (AGND) 0 VdC Connexió elèctrica al pin 6 de RPi (0 VdC). 13 Senyal de rellotge (CLK) 3,6 (màx.) MHz La RPi actua de màster. 12 Sortida del senyal binari (DOUT) - bit 10 bits enviats bit a bit al pin 21 de la RPi (GPIO9). 11 Entrada de configuració (DIN) - bit 5 bits enviats bit a bit al pin 19 (GPIO10).
Pàg. 80 Memòria 5.5. Resultats de proves en entorn real Com s’ha vist durant el capítol 4.3 d’aquesta memòria, el comportament de NORI s’ha posat a prova en múltiples escenaris a mode de DAS. També s’ha avaluat la seva capacitat per analitzar les dades cromatogràfiques enregistrades a partir de CODIUM i enviar-les mitjançant CODIUM FT a l’ordinador del laboratori. Les experimentacions amb els polímers han estat positives en el sentit que s’han obtingut els resultats de l’ordre que s’esperaven, així com que NORI ha sigut capaç d’identificar contaminants de les mostres. Essent més exigents, es realitza una comparativa entre els valors mostrats pel detector 785A i els enregistrats per NORI al mateix instant. Els valors de la detecció del 785A es mouen en un rang entre 0 i 3,325 V. Aquesta tensió es transmet al xip MCP3008, que permet rebre valors de tensió entre 0,6 i 5 V [16]. Al xip, aquest valor es transforma a binari de 10 bits de resolució, és a dir, un nombre entre 0 i 1023, que finalment es processa a la RPi per escalar-lo en un interval [0,10] V. Aquest resultat és proporcional a la primera detecció, pel que és vàlid per l’anàlisi cromatogràfic. Així doncs, a cada valor detectat durant la GPC li correspon un valor enregistrat per CODIUM, seguint una relació lineal ideal (recta groga de la Figura 43). Els punts blaus permeten veure, per diferents entrades, els valors reals que s’ha enregistrat. Figura 43. Font pròpia. Comparativa de dades enregistrades vs recta ideal de correspondència. Com es pot observar, els valors adquirits s’acosten al comportament ideal del sistema, tot i que tots es troben lleugerament per sota de la recta ideal. Això pot ser degut a una pèrdua de tensió en algun punt del muntatge, que probablement sigui a la sortida del detector. Tot i així, aquestes diferències són poc significatives i és pot afirmar que NORI s’ha comportat dintre de l’esperat en les proves en un entorn de treball real.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 81 5.6. Taula de falles A continuació és recullen les principals falles que poden sorgir de l’ús de NORI en format de taula: Taula 15. Font pròpia. Taula de falles en l’ús de NORI. Categoria Títol Probabilitat Impacte Descripció Mitigació SOFTWARE CODIUM No generació d’una finestra 4 3 L’algorisme que ha de generar una finestra de CODIUM presenta un error. Revisar els inputs de les diferents entrades de dades. Si el problema persisteix, revisar el codi. SOFTWARE CODIUM Generació incorrecta d’una finestra 6 2 L’algorisme que ha de generar una finestra de CODIUM presenta un error. Revisar els inputs de les diferents entrades de dades. Si el problema persisteix, revisar el codi. SOFTWARE CODIUM Lentitud del gràfic en temps real 3 4 El gràfic en temps real de la detecció s’alenteix quan el nombre de dades a detectar augmenta. Canviar els valors límits de dades per mostrar el gràfic als programes de lectura. SOFTWARE CODIUM Valors sense sentit químic dels pesos moleculars a la pantalla de resultats 7 2 Degut a que les unitats dels paràmetres (A, B, C, D) de la corba de calibratge no coincideixen amb les unitats dels càlculs Comprovar que les unitats amb les que s’ha calculat A, B, C, D són minuts. Si l’error persisteix, repetir l’experiment. SOFTWARE CODIUM La fulla de càlcul de Excel no es genera. 6 3 Al calcular els pesos moleculars donen valors infinits o incorrectes degut a que els paràmetres A, B, C, D no són correctes. Aleshores l’Excel no es crea. Canviar els valors de A, B, C, D. Si l’error persisteix, revisar el codi. SOFTWARE CODIUM FT El fitxer a transmetre no es rep a l’ordinador destí. 3 6 Quan es selecciona un fitxer per enviar a l’ordinador destí aquest no es rep després de fer clic a “Send File” Comprovar la connexió a la xarxa dels dos dispositius. Comprovar que el fitxer s’ha seleccionat correctament. Comprovar que el nom d’usuari, contrasenya i direcció IP estan ben introduïts al codi. HARDWARE NORI RPi danyada. 1 10 La RPi es pot trencar per un cop, caiguda o per algun defecte de fabricació que no es tenia en consideració. NORI deixaria de funcionar automàticament i és possible que es perdés part de la informació que conté. És per això que es recomana anar fent còpies de seguretat. HARDWARE NORI Xip MCP3008 danyat. 1 8 El xip MCP3008 es pot trencar per un cop, caiguda o per algun defecte de fabricació que no es tenia en consideració NORI deixaria de funcionar automàticament i s’hauria de canviar el xip. Tot i això, no es perdria la informació continguda a la RPi. HARDWARE NORI Les alimentacions no són correctes. 2 1 El monitor, teclat, ratolí o RPi no s’encenen, degut a que no estan degudament endollats. Comprovar les alimentacions i realitzar aquelles que no estiguin correctament fetes. HARDWARE Errada en la 3 8 El senyal es perd en alguna Comprovar les connexions entre
Pàg. 82 Memòria NORI detecció del senyal. part del sistema de NORI. els diferents components i que no hi hagi cap element fet malbé. HARDWARE NORI NORI es sobreescalfa. 3 6 La RPi es sobreescalfa degut a un ús massa continuat de NORI. Parar l’experimentació i deixar que NORI es refredi. Si cal, desendollar l’aparell. HARDWARE NORI Bloqueig del monitor 8 1 El monitor es posa de color negre i apareix el missatge “Sin señal” Moure el ratolí fins que torni a l’estat inicial. HARDWARE NORI Alentiment del monitor 5 4 El monitor s’alenteix ja que la RPi té massa processos executant-se paral·lelament Tancar finestres, sobretot si hi ha alguna d’internet (com Google Drive, Duck Duck Go, etc). EXTERN Pressió de la bomba massa elevada (> 50 bar) 2 9 A causa de partícules retingudes massa temps a la columna, aquesta s’obstrueix. Això provoca que la pressió de la bomba de pistons augmenti. NORI no detecta el polímer. Netejar la columna de separació. Per això s’ha de desmuntar i sotmetre al procés recomanat pel fabricant. Aquest procediment pot trigar diversos dies. EXTERN Degoteig pel circuit del cromatògraf 3 6 A causa d’un petit forat a un conducte o una mala junta dels components del circuit hi ha una fuga de líquid. NORI no detecta el polímer. Revisar els conductes i les juntes. Si el problema és d’un conducte, canviar-lo. Si és d’una junta, collar-la més o canviar-la si el problema persisteix. EXTERN Pèrdua de pressió. 5 5 Durant l’experiment, la pressió baixa de cop. Això és degut a la que la bomba no és capaç de donar el flux escollit. NORI detecta la mostra distorsionada. Ajustar manualment els paràmetres de flux de la bomba. Si l’error persisteix, desmuntar la bomba i tornar-la a muntar. EXTERN Oscil·lació de pressió. 6 5 La bomba de pistons dona una pressió considerablement variable en el temps. Això és degut a que hi ha aire al circuit de la bomba. NORI detecta la mostra distorsionada. Purgar la bomba per treure l’aire existent. Baixar la temperatura del laboratori. Passar el dipòsit per la màquina d’ultrasons per treure les bombolles. Si el problema continua, desmuntar la bomba i tornar-la a muntar. EXTERN Detecció de zeros per mala configuració del detector. 7 3 NORI detecta un seguit de zeros durant l’experimentació ja que el detector no està ben configurat. Baixar el paràmetre “Wave length” perquè la detecció sigui més intensa. Això fa pujar les oscil·lacions en la detecció. Comprovar també que el paràmetre “Range” estigui a 0,1. EXTERN Detecció amb valor massa elevat. 5 3 NORI detecta una corba la qual està retallada per dalt. Això és degut a que el detector està mal configurat o que s’ha introduït una mostra massa gran o massa concentrada de polímer. Refer l’experimentació amb el paràmetre “Wave length” més baix. Refer l’experimentació amb menys concentració de polímer. Refer l’experimentació amb una mostra més petita. EXTERN Aigua a la RPi 1 9 Li cau aigua del cromatògraf a la RPi. Amb un paper, intentar assecarla el més ràpid possible. Si es filtra pot danyar la placa i s’hauria de canviar.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 83 6. Planificació A continuació es mostra la planificació, que s’ha dividit seguint les fases clàssiques de la gestió de projectes. Dins de cada fase s’hi troben les tasques que s’han anat desenvolupant al llarg del projecte, i que són les que s’expliquen a la memòria d’aquest treball. A l’inici del projecte es planteja una organització de les tasques en forma de diagrama de Gantt, que és el següent: Figura 44. Font pròpia. Estudi preliminar. Figura 45. Font pròpia. Projecte preliminar. Figura 46. Font pròpia. Realització (I).
Pàg. 84 Memòria Figura 47. Font pròpia. Etapa de realització (II). Figura 48. Font pròpia. Tasques generals del projecte. Primera part. Figura 49. Font pròpia. Tasques generals del projecte. Segona part. En termes generals, s’ha complert la planificació proposada a l’inici del projecte, tot i que hi ha hagut algun contratemps en l’etapa de Realització (II). Aquests han estat durant l’experimentació amb l’equip de cromatografia i els polímers pel que s’ha hagut d’accelerar a les etapes posteriors per arribar a la data d’entrega. • Obstrucció de la columna cromatogràfica (+2 setmanes) • Aparició de bombolles al flux d’aigua passant per la bomba de pistons (+1 dia). Figura 50. Font pròpia. Procés de desmuntatge de la bomba que ha causat retard.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 85 7. Estudi econòmic L’estudi econòmic d’aquest projecte consta de quatre subapartats, que són: - Cost del personal: És el cost de les hores que s’han dedicat al projecte. Aquest és un valor aproximat i teòric, doncs aquest és un projecte universitari. La dedicació ha estat de 300 hores/persona, corresponents a 12 crèdits ETCS. El preu per hora s’ha escollit el recomanat per l’escola, que és de 15€. - Escandall de NORI: Correspon al cost dels elements que conformen el prototip de NORI a data de la seva compra per aquest projecte. - Cost experimental: Cost atribuït a l’etapa experimental: • Cost dels materials que no es recuperen destinats a les experimentacions de cromatografia, com ara la Coca-Cola o els polímers estàndards (material fungible). • Cost dels sensors que es van utilitzar durant les proves de verificació del hardware i software de NORI, però que no formen part de la solució final. - Cost operatiu: Correspon al cost del subministrament, com ara l’electricitat o l’aigua. També inclou les despeses en viatges. La resta d’equipament utilitzat durant les experimentacions (cromatògrafs, ordinadors, monitors, etc...) tenen la suficient antiguitat per considerar-los amortitzats, pel que no computen al pressupost d’aquest projecte. Tampoc s’ha considerat les llicències dels programes utilitzats per documentar el projecte: Office (23 € per 4 mesos [25]), Matlab (87,3 € per 4 mesos [26]) i OrCad (766,7 € per 4 mesos [27]), ja que estan proporcionades per la universitat de manera gratuïta. Segons es pot veure desglossat a la Taula 16: • Pel que fa l’escandall de NORI, aquest dona una suma de 118,63 € (143,54 € amb IVA). Aquest resultat és molt favorable pel projecte, ja que com s’ha vist en l’apartat 3.3, els dispositius actuals que existeixen al mercat amb característiques semblants ronden els 2.500 €. • Tot i que els polímers experimentals no són econòmics, al haver-ne requerit molt poca quantitat per comprovar el comportament de NORI, el cost de l’experimentació no és gaire elevat (0,36% del total del projecte). • El polímer SMA no està comptabilitzat ja que està prèviament desenvolupat per uns alumnes en pràctiques de l’escola, per tant, no s’ha hagut de comprar.
Pàg. 86 Memòria Taula 16. Font pròpia. Extret d’Excel. Taula de costos del projecte NORI. Nota: El preu del kWh s’ha obtingut de [28]. Els altes costos ens els ha proporcionat el professor Jordi Bou a partir dels tiquets de compra. El cost total és de 9.216,59 €, que tenint en consideració l’I A del 21% resulta en un total de . 5 ,07 €. En aquest total es comptabilitza tant el treball de l’Elena com el meu, que representen el 98% del cost del projecte. Component Preu unitari sense IVA Unitats Preu total sense IVA IVA Preu total amb IVA Cost de personal Cost per hora (€/h) Estudi preeliminar 15,00 € 75 1.125,00 € 21% 1.361,25 € Projecte preeliminar 15,00 € 100 1.500,00 € 21% 1.815,00 € Realització (I) 15,00 € 150 2.250,00 € 21% 2.722,50 € Realització(II) 15,00 € 170 2.550,00 € 21% 3.085,50 € Tasques generals del projecte 15,00 € 105 1.575,00 € 21% 1.905,75 € SUBTOTAL 9.000,00 € 0.890,00 € Escandall de NORI Cost unitari (€/unitat) Raspberry Pi model 3B+ 84,71 € 1 84,71 € 21% 102,50 € Microxip MCP3008 9,17 € 1 9,17 € 21% 11,10 € Placa Protoboard 400 punts 3,69 € 1 3,69 € 21% 4,46 € Cables Jumper 2,72 € 3 8,16 € 21% 9,87 € Font d'alimentació 2,5A 12,90 € 1 12,90 € 21% 15,61 € SUBTOTAL 8,6 € 4 ,54 € Costos dels experiments Sensors Cost unitari (€/unitat) Potenciòmetre 10k PT10V103 0,36 € 1 0,36 € 21% 0,44 € Sensor de Temperatura LM335Z 1,17 € 1 1,17 € 21% 1,42 € Sensor de Distància SHARP 11,31 € 1 11,31 € 21% 13,69 € Sensor Fotosensible WPM407 7,75 € 1 7,75 € 21% 9,38 € Material fungible Cost per mg (€/mg) CocaCola 0,001 € 1,2 0,001 € 21% 0,002 € Polímers Poly(styrenesulfonic acid sodium salt) 150k 0,36 € 5 1,80 € 21% 2,18 € Polímers Poly(styrenesulfonic acid sodium salt) 17k 0,36 € 5 1,80 € 21% 2,18 € Polímers Poly(styrenesulfonic acid sodium salt) 4,3k 0,36 € 5 1,80 € 21% 2,18 € Polímers Dextran 120K 1,36 € 5 6,80 € 21% 8,23 € SUBTOTAL ,79 € 9,67 € Costos d'energia i transport Energia Cost per k h (€/k h) Consum llum del laboratori 0,18 € 10,80 1,91 € 21% 2,31 € Consum del detector 785A 0,18 € 1,08 0,20 € 21% 0,24 € Consum de la bomba 515 0,18 € 1,83 0,33 € 21% 0,40 € Consum Rpi 2B 0,18 € 0,08 0,01 € 21% 0,02 € Consum Rpi 3B+ 0,18 € 0,34 0,06 € 21% 0,07 € Consum monitor SUNSTECH TLX1953 0,18 € 8,46 1,52 € 21% 1,84 € Consum monitor 916Swa 0,18 € 0,38 0,07 € 21% 0,08 € Consum ordinador sobretaula HP 0,18 € 3,00 0,54 € 21% 0,65 € Consum ordinador portàtil OMEN 15-dc0009ns 0,18 € 9,50 1,71 € 21% 2,07 € Consum ordinador portàtil LENOVO YOGA 510 0,18 € 2,97 0,53 € 21% 0,65 € Aigua Cost per litre (€/l) Aigua desionitzada 0,53 € 0,50 0,27 € 21% 0,32 € Aigua neteja 0,003 € 15,00 0,04 € 21% 0,05 € Desplaçaments Cost per viatge (€/viatge) Desplaçaments T-Casual 1,01 € 50 50,50 € 21% 61,11 € Desplaçaments Tjove 0,15 € 50 7,48 € 21% 9,05 € SUBTOTAL 65, 7 € 78,86 € TOTAL 9. 6,59 € . 5 ,07 € COSTOS DEL PROJECTE NORI
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 87 8. Estudi ambiental Pel que fa l’estudi ambiental es tenen en consideració els següents factors: • kg de gasos d’efecte hivernacle emesos (kg CO2eq) a causa de la despesa energètica elèctrica: El consum elèctric que s’ha obtingut en aquest projecte és de 38,44 kWh (Taula 16). El mix de la xarxa elèctrica espanyola publicat per la CNMC a l’Acord sobre l’etiquetatge de l’electricitat relatiu a l’energia produïda l’any 2022 en data 3 de maig de 2023 és 273 g CO2eq/kWh. [29] Per tant, s’han emès 10,5 kg de CO2eq. • kg de gasos d’efecte hivernacle emesos (kg CO2eq) a causa de la mobilitat: En total, s’han realitzat 100 viatges, 50 en tramvia i 50 en metro: Taula 17. Font pròpia. Emissions degudes als desplaçaments. Viatges en Tramvia [30] Viatges en Metro [31] Distància recorreguda 1,6 km/viatge 1,4 km/viatge Emissions associades 1,2 gCO2/viatger·km 23,7 gCO2/viatger·km Emissions totals 1,6·50·1,2 = 96 gCO2 1,4·50·23,7 = 1.659 gCO2 Així doncs, a causa de la mobilitat s’emeten un total de 1,75 kg de CO2eq. • Tractament dels residus dels polímers experimentals: La concentració de polímer utilitzat per l’etapa experimental és molt petita (de l’orde de mg/ml), que és semblant a la de contaminants que presenta l’aigua corrent. Un cop utilitzats pel GPC, els polímers es troben dissolts en aigua i es van emmagatzemant en un dipòsit. Quan el dipòsit està ple, es pot llençar el seu contingut a la pica del laboratori, ja que els residus no són nocius. • Despesa d’aigua: Durant el projecte es destaquen dues despeses d’aigua diferents (15,5 litres totals): - Per netejar els equips del laboratori s’utilitza aigua corrent (15 litres). - Per obtenir la fase mòbil dels experiments de cromatografia, es fa servir aigua desionitzada (0,5 litres). Aquests valors són força reduïts per un projecte d’enginyeria i fàcilment mitigables, ja que un arbre és capaç d’absorbir entre 20 i 30 kg de CO2eq mentre creix. Així doncs, es pot afirmar que aquest projecte no genera un impacte negatiu que sigui significatiu pel medi ambient. Per últim, als diversos dispositius electrònics que s’han adquirit per a la realització del projecte se’ls dona un segon ús en futurs projectes personals. Així doncs, es poden considerar reutilitzables.
Pàg. 88 Memòria 9. Estudi social i d’igualtat de gènere Aquest projecte ha estat desenvolupat amb l’estudiant Elena Magrinyà, potenciant la creació d’equips equilibrats en gènere en projectes d’enginyeria. El fet que el software de NORI és de codi obert, facilita l’accés a qualsevol estudiant de l’escola independentment de les seves capacitats econòmiques i situació social. A més, gràcies a que el codi és manipulable, ajuda a la seva implementació en lectors adaptats a usuaris amb disminucions sensorials que en requereixi el seu ús. NORI és universal, funcional per la majoria de sensors i significativament més econòmica que les opcions que hi ha actualment al mercat. Aquestes tres característiques la transformen una opció viable per a persones que necessitin enregistrar les dades d’un o varis detectors alhora. NORI no està subjecte a cap marca comercial, pel que és compatible amb equips de diferents cases. Pel que fa al llenguatge utilitzat per expressar aquest projecte, s'ha pres una abordatge tècnic que evita assumir el gènere dels lectors o les lectores en cap moment. A més, es manté una neutralitat política en tot moment. Això assegura la inclusió i l'equitat en la comunicació de les idees i els principis fonamentals del projecte.
Disseny i implementació d’un sistema d’adquisició de dades Pág. 89 10. CONCLUSIONS Comparant els resultats obtinguts amb els objectius plantejats a l’inici del projecte, se’n pot concloure que el sistema d’adquisició i anàlisi de dades (NORI) ha estat dissenyat i implementat segons les especificacions de manera satisfactòria. En concret: • S’ha realitzat l’arquitectura del sistema i posterior muntatge del prototip, utilitzant els diversos components electrònics i els perifèrics que faciliten la interacció de NORI amb l’usuari. • S’ha comprovat experimentalment la funcionalitat de NORI com a DAS, combinant l’adquisició de diversos sensors analògics alhora i verificant l’enregistrament simultani de les dades. NORI disposa de vuit canals per entrades analògiques. Pel que fa en relació a la implementació de NORI amb els detectors cromatogràfics: • S’ha estudiat teòricament el mètode HPLC i com aquest és útil en la detecció de diverses substàncies, inclòs el càlcul de la massa molecular de polímers. • Pel funcionament del hardware enfocat en aplicacions cromatogràfiques, s’ha dissenyat i programat en Python la interfície CODIUM. Aquesta eina permet: - Executar l’enregistrament de fins a dos detectors al mateix temps, permetent a l’usuari escollir els paràmetres de l’experiment. - Executar l’anàlisi d’un enregistrament anterior, automatitzant els càlculs. Els resultats es mostren a CODIUM i a un fitxer d’Excel generat automàticament. • S’ha millorat el mètode de transmissió dels resultats a un ordinador fix del laboratori gràcies al muntatge i programació de CODIUM FT. • S’han executat diferents experiments GPC amb el detector 785A d’Applied Biosystems, obtenint resultats coherents amb la teoria i experiència del professor Jordi Bou. A més, el professor Jordi Bou ens ha brindat l’oportunitat d’estudiar els cromatògrafs de manera pràctica, manipulant la majoria dels seus components físics per executar les diverses proves amb NORI: - Aprendre a com fer servir una bomba de pistons, ajustant el flux de fase mòbil en funció de la pressió obtinguda, que ha de ser constant. - Aprendre a muntar i desmuntar una bomba de pistons i purgar-la, per així evitar la formació de petites bombolles de vapor al seu interior. - Aprendre a configurar un detector de cromatografia (paràmetres com “Wave Length” o “Range”). - Aprendre el procediment d’injecció de la mostra de polímer, amb la capacitat de decidir quin és el volum adient per a cada experimentació.
Pàg. 96 Memòria 13. Anne os Annex I – Manual de NORI L’Annex I correspon al manual d’usuari de NORI. Annex II – Codis informàtics de NORI Aquest annex inclou cada un dels programes que formen el software de NORI, tant els del mòdul CODIUM com l’extensió CODIUM FT.