Mejora de un sensor basado en la diferencia de dilución de gases en agua para la medición de la fracción de metano contenido en un flujo de biogás generado en un proceso de digestión anaerobia

Este trabajo presenta el desarrollo de un medidor de flujo de biogás para un proceso de digestión anaerobia, así como de un sensor de la fracción de metano contenida en el flujo de biogás. Dicho trabajo se encuentra dividido en ocho partes principales que son: etapa de medición de flujo de gas, etapa de separación de gases, etapa de adquisición y distribución de datos, comunicación con la computadora, comunicación con ADCs, comunicación con DACs, y la etapa de dispositivos para poder probar el sensor como son un controlador PID digital y un reactor de digestión anaerobia. Como objetivos se logró diseñar, construir y probar un sensor complejo para la medición de la fracción de metano contenida en un flujo de biogás generado en un proceso de digestión anaerobia. Esto dividido en objetivos particulares que son diseñar los diversos componentes e interconexiones entre los mismos que integran el sensor, así como los sistemas necesarios de obtención y/o repartición de datos, transformación y comunicación. Construir y ensamblar los diversos componentes antes mencionados. Probar el sensor en un proceso real. Esto basado en la hipótesis de que la diferencia en solubilidad en agua del metano y del bióxido de carbono es un principio que permite la separación eficiente de estas especies en una mezcla, por lo que, si la mezcla es desconocida se puede conocer la fracción de ambos gases en dicha mezcla. El principal aporte de esta investigación, es la utilización del principio de diferencia de dilución en agua del metano y del bióxido de carbono para poder conocer la fracción de metano en un flujo de biogás. Un aporte secundario fue el diseño e implementación de un sistema de adquisición y distribución de datos en el sensor, así como de un controlador PID digital, cuya implementación se basa en un FPGA. Esta investigación nos permitió además, el poder desarrollar un sensor de construcción sencilla y sin la utilización de materiales especiales, o difíciles de adquirir.

This work presents the development of a biogas flow meter applied in an anaerobic digestion process, including a sensor of methane fraction contained in biogas. Which work is divided in eight main sections which are: gas flow measurement, gas separation, data adquisition and data distribution, computer communication, ADCs interface, DACs interface, and complementary devices to test the sensor as a digital PID and anaerobic digestion reactor. The objectives reached are, design, build, and test a complex sensor to measure methane fraction of a biogas flow generated in anaerobic digestion process. All this is divided in separated objectives as design the variety of components and interconnections among them, all these forming the sensor, and the complementary systems to get or give data, transformation and communication. Build and join the various components before described. Test the sensor in a real process. All this based in the next assumption: the water solubility difference between methane and carbon dioxide, is an efficient way to separate this two species if mixed, if the mix is unknown you can know the fraction of each one contained in the mix. The main relevance of this investigation, is the using the principle of water solubility difference of methane and carbon dioxide, in order to know the methane fraction contained in a biogas flow. A secondary issue is the design and implementation of a data acquisition system in the sensor, as a digital PID controller, which implementation was realized using an FPGA. This research, give us the opportunity to develop an easy-to-build sensor and without applying specialized or hard-to-find materials.