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cenidet

Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico

Departamento de Ingeniera Mecatrnica

TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS

Diseo y Construccin de un Prototipo Mecatrnico para Medir y Registrar la Precipitacin Pluvial y su pH

presentada por

Moiss Romn Sedeo Ing. Mecnico por el Instituto Politcnico Nacional

como requisito para la obtencin del grado de:

Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica

Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramrez

Co-Director de tesis:

M. C. Jos Luis Gonzlez Rubio Sandoval

Jurado: Dr. Andrs Blanco Ortega Presidente

M.C. Pedro Rafael Mendoza Escobar Secretario M.C. Jos Luis Gonzlez Rubio Sandoval Vocal Dr. Rigoberto Longoria Ramrez Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, Mxico. 20 de Junio de 2011

Dedicatorias A Dios, por darme la fuerza y la decisin de terminar este trabajo, confiando en su gua fu que pude terminarlo. A mis padres y hermana, Camerino, Rufina y Marlizeth, por apoyarme, guiarme, consolarme, motivarme y tolerarme. A mis familiares, por su cario y aprecio, motivndome a ser mejor.

Agradecimientos A la DGEST, Direccin General de Educacin Superior Tecnolgica, por brindar el apoyo acadmico y econmico necesario para iniciar, cursar y culminar mis estudios de maestra. Al CENIDET, Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, por brindarme la oportunidad de superarme profesionalmente, a travs de sus instalaciones, sus profesores que me impartieron clases, y la obtencin de m grado de maestro en ciencias. A mis asesores, el Dr. Rigoberto Longoria Ramrez y el M.C. Jos Luis Gonzlez Rubio Sandoval, por sus valiosos comentarios, su dedicacin y apoyo para el desarrollo de la tesis. A mis revisores, la Dra. Mara Guadalupe Lpez Lpez, el Dr. Andrs Blanco Ortega y el M.C. Pedro Rafael Mendoza Escobar, por sus comentarios y observaciones que permitieron mejorar esta tesis. Al Dr. Enrique Quintero Mrmol, por su atencin al estar pendiente de mi trabajo de tesis, y al Dr. Marco Antonio Oliver Salazar por brindar su orientacin a mi ingreso, durante sus gestiones como coordinadores del programa de mecatrnica. A todos mis profesores por sus enseanzas y experiencias transmitidas. Entre ellos Dr. Jos Ruiz Ascencio, M.C. Jos Martn Gmez, M.C. Javier Meneses, Dr. Zdzislaw Mazur, Dr. Alberto Lpez, Dr. Moiss Gonzlez, M.C. Wilberth Alcocer, M.C. Guadalupe Madrigal, Dr. Ral Garduo, Dr. Darius Szwedowicz, Dr. Jorge Bedolla y Dr. Vicente Guerrero. A mi amigo y compaero de maestra Enrique, por su amistad y el apoyo escolar, moral y espiritual que me brind. A mis compaeros de maestra Julio Prez, Julio Torres, Romn, Francisco, Felipe, Esteban, Rosendo, Alejandro e Ixchel, por sus consejos y compaerismo.

Resumen En este trabajo se presenta el diseo y la construccin de un prototipo mecatrnico para medir y registrar la precipitacin pluvial y su acidez, la cual est directamente relacionada con el valor de pH. Este dispositivo utiliza un pluvimetro de balancn y un electrodo combinado para medicin de pH como elementos fundamentales. En primer lugar, se realiz una investigacin del estado del arte sobre la medicin del pH de la lluvia en tiempo real, para conocer las instituciones que realizan dicho tipo de mediciones y las caractersticas y condiciones bajo las cuales realizan las mediciones. En segundo lugar, se investig sobre las caractersticas de instrumentos comerciales para medicin de precipitacin pluvial y su pH, denominados analizadores de lluvia cida. Con la informacin obtenida sobre la medicin del pH de la lluvia, los analizadores de lluvia cida, las caractersticas del proceso de medicin de instituciones dedicadas al estudio de la atmsfera, y la aplicacin del prototipo, se establecieron las especificaciones tcnicas del prototipo. En tercer lugar, se realiz el dise conceptual del prototipo, basndose en un enfoque de diseo concurrente. Se dise un mdulo electrnico para adquirir y procesar la informacin de los sensores, se program un microcontrolador y se llev a cabo la integracin de las diversas partes del prototipo. Finalmente, se realizaron pruebas al prototipo para verificar su correcto funcionamiento, y conocer el valor de las mediciones realizadas durante un evento de lluvia real. Los principales desarrollos de este trabajo estn en el diseo de un circuito para acondicionar la seal proveniente del electrodo de pH, un mecanismo mecnico para la manipulacin del electrodo, as como en la programacin del microcontrolador para operar el equipo de forma automtica. Para facilitar el manejo y la transferencia de datos obtenidos por el instrumento, stos se almacenan en una memoria extrable. Palabras clave: pH, pluvimetro, mdulo electrnico, microcontrolador.

Abstract This work presents design and construction of mechatronic prototype to measure and record rainfall and its acidity, which is directly related to the pH value. This device uses a tipping bucket rain gauge and a combination electrode for pH measurement as fundamental elements. First, there was a state of the art research on the measurement of pH of rain in real time, to find institutions that perform this type of measurement and the characteristics and conditions under which they perform the measurements. Second, there was an investigation about the characteristics of commercial instruments for measuring rainfall and its pH, called acid rain analyzers. With information obtained on the rain pH measurement, acid rain analyzer, characteristics of the measurement process of institutions dedicated to study the atmosphere, and application of the prototype, the technical specifications of the prototype were obtained. Thirdly, prototype conceptual design was made, basing on a concurrent design approach. An electronic module was designed to acquire and process information from sensors, a microcontroller was programmed and integration of the various parts of the prototype was conducted. Finally, the prototype was tested to verify proper operation and know the value of measurements taken during an actual rainfall event. Major developments in this work are in the design of a circuit to condition the signal from the pH electrode, a mechanical mechanism for manipulating the electrode, and programming the microcontroller to operate the equipment automatically. To facilitate handling and transfer of data from the instrument, they are stored in a removable memory. Keywords: pH, rain gauge, electronic module, microcontroller.

I

Contenido Lista de figuras. .................................................................................................................... III Lista de tablas. ....................................................................................................................... V Abreviaturas. ........................................................................................................................VI Nomenclatura...................................................................................................................... VII 1 Introduccin.................................................................................................................... 1

1.1 Antecedentes........................................................................................................... 1 1.1.1 Precipitacin pluvial. ...................................................................................... 1 1.1.2 Lluvia cida. ................................................................................................... 2

1.2 Planteamiento del problema. .................................................................................. 5 1.3 Hiptesis y justificacin. ........................................................................................ 5 1.4 Estado del arte. ....................................................................................................... 6

1.4.1 Medicin del pH de la lluvia en tiempo real. ................................................. 6 1.4.2 Analizadores de lluvia cida........................................................................... 7

1.5 Solucin propuesta. .............................................................................................. 12 1.6 Objetivos............................................................................................................... 12

1.6.1 Objetivo general. .......................................................................................... 12 1.6.2 Objetivos particulares. .................................................................................. 13

1.7 Metas. ................................................................................................................... 13 1.8 Alcance. ................................................................................................................ 13 1.9 Organizacin de la tesis........................................................................................ 14

2 Diseo general del prototipo......................................................................................... 15 2.1 Metodologa de diseo del prototipo. ................................................................... 15 2.2 Aplicacin del prototipo. ...................................................................................... 18 2.3 Determinacin de las especificaciones del prototipo. .......................................... 18 2.4 Seleccin del dispositivo de medicin de precipitacin pluvial........................... 19 2.5 Seleccin del dispositivo de medicin de pH....................................................... 21 2.6 Diseo conceptual del prototipo. .......................................................................... 24

2.6.1 Medicin de precipitacin y su pH............................................................... 25 3 Diseo electrnico del prototipo. ................................................................................. 27

3.1 Tarjeta de adquisicin, procesamiento y almacenamiento de datos y de control. 27 3.2 Seleccin de componentes del mdulo electrnico.............................................. 27

3.2.1 Seleccin de los amplificadores operacionales. ........................................... 28 3.2.2 Seleccin del microcontrolador. ................................................................... 29 3.2.3 Seleccin del reloj en tiempo real................................................................. 31 3.2.4 Seleccin de la memoria de datos................................................................. 31 3.2.5 Seleccin del grabador de memoria SD. ...................................................... 32

3.3 Diseo de las fuentes de alimentacin.................................................................. 33 3.4 Proceso de calibracin del electrodo de medicin de pH..................................... 36 3.5 Diseo del circuito de medicin de pH. ............................................................... 38

3.5.1 Amplificacin de seal. ................................................................................ 39 3.5.2 Ajuste de cero. .............................................................................................. 40 3.5.3 Ajuste de pendiente. ..................................................................................... 40 3.5.4 Inversin de seal. ........................................................................................ 41

II

3.5.5 Conversin analgica a digital. .................................................................... 42 3.6 Diseo del circuito de adquisicin y procesamiento de datos y control............... 44 3.7 Diseo del mdulo electrnico en placa de circuito impreso............................... 45 3.8 Electrovlvula y recipientes de recoleccin y almacenamiento. .......................... 46 3.9 Mecanismo de manipulacin del electrodo. ......................................................... 46

4 Programacin del microcontrolador del prototipo. ...................................................... 48 4.1 Diagrama de flujo del funcionamiento del prototipo............................................ 48 4.2 Programacin para la operacin del prototipo...................................................... 49

4.2.1 Procesamiento de datos del pluvimetro. ..................................................... 49 4.2.2 Procesamiento de datos del circuito de medicin de pH. ............................. 50

4.3 Almacenamiento de datos en la memoria SD....................................................... 53 4.4 Programacin de los servomotores....................................................................... 56 4.5 Programacin para la interfaz hombre mquina................................................ 58

5 Pruebas y resultados del prototipo................................................................................ 59 5.1 Datos almacenados. .............................................................................................. 59 5.2 Estimacin de la precisin del electrodo de pH. .................................................. 60

6 Conclusiones y recomendaciones................................................................................. 64 6.1 Conclusiones......................................................................................................... 64 6.2 Recomendaciones. ................................................................................................ 66

Bibliografa........................................................................................................................... 67 Anexo 1. Especificaciones tcnicas del pluvimetro. .......................................................... 68 Anexo 2. Costo de componentes del prototipo..................................................................... 69 Anexo 3. Programa del microcontrolador. ........................................................................... 71 Anexo 4. Manual de usuario................................................................................................. 75 Anexo 5. Articulo tcnico..................................................................................................... 82

III

Lista de figuras. Figura 1.1 Ciclo hidrolgico................................................................................................... 1 Figura 1.2 Milmetros de precipitacin pluvial. ..................................................................... 2 Figura 1.3 Proceso de formacin del cido carbnico............................................................ 2 Figura 1.4 Proceso de formacin de la lluvia cida................................................................ 2 Figura 1.5 Muestreador de depsito seco y hmedo. ............................................................. 4 Figura 1.6 Almacenamiento de las muestras de depsito hmedo......................................... 4 Figura 1.7 Mediciones de las muestras de depsito hmedo. ................................................ 4 Figura 1.8 Planteamiento de la hiptesis. ............................................................................... 5 Figura 1.9 Monitor de lluvia cida AR-108SN (Kimoto Electric). ........................................ 8 Figura 1.10 Diagrama de monitor de lluvia cida AR-108SN. .............................................. 8 Figura 1.11 Analizador de lluvia cida NMO 191/E (Eigenbrodt GmbH). ........................... 9 Figura 1.12 Sensor de lluvia RS 85. ....................................................................................... 9 Figura 1.13 Analizador de lluvia cida CPH-004................................................................. 10 Figura 1.14 Solucin propuesta. ........................................................................................... 12 Figura 2.1 Proceso lineal de diseo en ingeniera. ............................................................... 15 Figura 2.2 Proceso de diseo de ingeniera concurrente. ..................................................... 16 Figura 2.3 Diseo concurrente del prototipo. ....................................................................... 17 Figura 2.4 Funcionamiento del pluvimetro de balancn. .................................................... 20 Figura 2.5 Electrodo de vidrio y electrodo de referencia. .................................................... 22 Figura 2.6 Preamplificador de pH. ....................................................................................... 24 Figura 2.7 Diseo conceptual del prototipo. ........................................................................ 25 Figura 2.8 Etapas de medicin de precipitacin pluvial....................................................... 25 Figura 2.9 Etapas de medicin de pH................................................................................... 26 Figura 3.1 Elementos de la tarjeta electrnica...................................................................... 27 Figura 3.2 Grabador de memoria SD.................................................................................... 32 Figura 3.3 Mdulo grabador de memoria SD....................................................................... 33 Figura 3.4 Diagrama electrnico de las tres fuentes de alimentacin. ................................. 35 Figura 3.5 Voltaje ideal del electrodo de medicin de pH. .................................................. 36 Figura 3.6 Voltaje real del electrodo de medicin de pH..................................................... 37 Figura 3.7 Conexin del electrodo de pH............................................................................. 38 Figura 3.8 Amplificacin de la seal de pH. ........................................................................ 39 Figura 3.9 Ajuste de cero de la seal de pH. ........................................................................ 40 Figura 3.10 Ajuste de pendiente. .......................................................................................... 41 Figura 3.11 Inversin de la seal de pH. .............................................................................. 42 Figura 3.12 Diagrama electrnico del circuito de medicin de pH...................................... 43 Figura 3.13 Circuito de adquisicin y procesamiento de datos y de control........................ 44 Figura 3.14 Diagrama a bloques de la electrnica del prototipo. ......................................... 45 Figura 3.15 Aspecto fsico de la tarjeta electrnica.............................................................. 46 Figura 3.16 Mecanismo de manipulacin del electrodo, electrovlvula y recipientes......... 47 Figura 3.17 Aspecto fsico del prototipo. ............................................................................. 47 Figura 4.1 Diagrama de flujo de funcionamiento del prototipo. .......................................... 48 Figura 4.2 Pluvimetro y detalle del contacto magntico. ................................................... 49 Figura 4.3 Conexin del contacto del pluvimetro con el microcontrolador....................... 49 Figura 4.4 Pulso generado por el cierre del contacto del pluvimetro. ................................ 50

IV

Figura 4.5 Fases de la conversin analgica a digital. ......................................................... 50 Figura 4.6 Diagrama a bloques del convertidor A/D............................................................ 51 Figura 4.7 Conexin del circuito de medicin de pH con el microcontrolador. .................. 52 Figura 4.8 Grfica de voltaje contra pH. .............................................................................. 52 Figura 4.9 Grabador de memoria SD modelo uMMC.......................................................... 53 Figura 4.10 Diagrama de flujo del almacenamiento de datos. ............................................. 54 Figura 4.11 Archivo de texto creado con el grabador uMMC.............................................. 55 Figura 4.12 Ensamblaje de un servomotor. .......................................................................... 56 Figura 4.13 Tren de pulsos para control de un servomotor. ................................................. 57 Figura 4.14 Seal modulada en ancho de pulso. .................................................................. 57 Figura 4.15 Interfaz hombre - mquina. ............................................................................... 58 Figura 5.1 Archivo de texto con datos almacenados. ........................................................... 59 Figura 5.2 Histograma para los datos de 7 pH. .................................................................... 61 Figura 5.3 Histograma para los datos de 4 pH. .................................................................... 62

V

Lista de tablas. Tabla 1.1 Analizadores de lluvia cida................................................................................. 11 Tabla 2.1 Caractersticas de la medicin de pH en el Centro de Ciencias de la Atmsfera. 18 Tabla 2.2 Especificaciones del prototipo.............................................................................. 19 Tabla 2.3 Pluvimetros de balancn. .................................................................................... 20 Tabla 2.4 Sistemas de medicin de pH................................................................................. 21 Tabla 2.5 Electrodos combinados para medicin de pH. ..................................................... 23 Tabla 3.1 Amplificadores operacionales. ............................................................................. 28 Tabla 3.2 Microcontroladores PIC de gama media. ............................................................. 30 Tabla 3.3 Circuitos de reloj de tiempo real. ......................................................................... 31 Tabla 3.4 Tipos de memorias. .............................................................................................. 32 Tabla 3.5 Grabador de memoria SD..................................................................................... 33 Tabla 3.6 Consumo de corriente de los componentes electrnicos del mdulo................... 34 Tabla 3.7 Consumo de corriente del amplificador operacional............................................ 34 Tabla 3.8 Consumo de corriente de la electrovlvula. ......................................................... 34 Tabla 5.1 Datos para 7 pH agrupados de acuerdo a la clase que pertenecen. ...................... 60 Tabla 5.2 Datos para 4 pH agrupados de acuerdo a la clase que pertenecen. ...................... 62 Tabla 5.3 Especificaciones tnicas del medidor de pH del prototipo................................... 63

VI

Abreviaturas. ADC

Analog-to-Digital Converter (Convertidor analgico a digital)

CCA

Centro de Ciencias de la Atmsfera

CENIDET

Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico

DF

Distrito Federal

EEPROM

Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (Memoria de slo lectura programable y borrable elctricamente)

FAT

File Allocation Table (Tabla de asignacin de archivos)

IIC I2C

Inter-Integrated Circuit (Circuitos Inter-Integrados)

ISFET

Ion Sensitive Field Effect Transitor (Transistor de efecto de campo sensitivo a iones)

LCD

Liquid Crystal Display (Pantalla de cristal lquido)

LSB

Lowest Significant Bit (Bit menos significativo)

PCB

Printed Circuit Board (Placa de circuito impreso)

PIC

Peripheral Interface Controller (Controlador de interfaz de perifrico)

PWM

Pulse Width Modulation (Modulacin de ancho de pulso)

RAM

Random-Access Memory (Memoria de acceso aleatorio)

RTC

Real-Time Clock (Reloj en tiempo real)

SD

Secure Digital (Digital segura)

SIMAT

Sistema de Monitoreo Atmosfrico

SMA

Secretara del Medio Ambiente

SPI

Serial Peripheral Interface (Interfaz de perifrico serie)

TTL

Transistor-Transistor Logic (Lgica transistor a transistor)

UNAM

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

USB

Universal Serial Bus (Bus serie universal)

VII

Nomenclatura. GAmplificacin

Ganancia de la etapa de amplificacin de seal

GB

Giga Byte

GPendiente

Ganancia de la etapa de ajuste de pendiente

GTotal

Ganancia total

MB

Mega Byte

MHz

Mega Hertz

MIPS

Millones de instrucciones por segundo

mV

Mili voltaje

MX

Mxico

pF

Pico Faradios

pH

Potencial de Hidrgeno

Ri

Input resistance (Resistencia de entrada)

Vin

Voltaje de entrada

Vio

Input Offset Voltage (Voltaje de compensacin de entrada)

Vout

Voltaje de salida

Vref

Voltaje de referencia negativo

Vref+

Voltaje de referencia positivo

Z

Impedancia

Vio

Coeficiente trmico del voltaje de compensacin

C

Cambio de temperatura en grados Celsius

V

Cambio de micro volts

Ohm


1

1 Introduccin.

1.1 Antecedentes.

1.1.1 Precipitacin pluvial. La precipitacin pluvial es una parte importante del ciclo hidrolgico, ya que se encarga de depositar agua fresca que contribuye a la existencia de vida. Se genera cuando las nubes alcanzan un punto de saturacin, en el cual las gotas de agua que se forman caen a la tierra por gravedad generalmente como lluvia (otras formas poco comunes en Mxico son el granizo y nieve). El ciclo hidrolgico se resume en la figura 1.1.

Figura 1.1 Ciclo hidrolgico.

El conocimiento de la intensidad y frecuencia de ocurrencia de la precipitacin pluvial o lluvia permite realizar estudios para evitar inundaciones, dimensionar presas y drenajes, conocer la temporada exacta para sembrar y cosechar, y muchos estudios ms concernientes a los estudiosos de la hidrologa. Al verter un litro de agua sobre una superficie de un metro cuadrado, la altura alcanzada por la lmina de agua sera de un milmetro. De esta manera, para medir los niveles de precipitacin pluvial se emplea como unidad de medida el milmetro de precipitacin, que equivale a los litros vertidos sobre cada metro cuadrado. En la figura 1.2 se aprecia la deduccin de la unidad de medida de la precipitacin pluvial.


2

Figura 1.2 Milmetros de precipitacin pluvial.

1.1.2 Lluvia cida. Tanto las fuentes naturales como las antropognicas* emiten dixido de carbono a la atmsfera, que al reaccionar con el agua presente en la atmsfera produce el cido carbnico, ocasionando una ligera acidez en la lluvia [1.1]. El proceso de formacin del cido carbnico se representa en la figura 1.3.

Figura 1.3 Proceso de formacin del cido carbnico.

Algunos gases emitidos por las industrias contienen tambin xidos de azufre y xidos de nitrgeno que reaccionan con el vapor de agua de la atmsfera, formando los cidos sulfrico y ntrico, los cuales incrementan la acidez de la lluvia. Este fenmeno se denomina lluvia cida, el cual se representa en la figura 1.4.

Figura 1.4 Proceso de formacin de la lluvia cida.

*antropognico.- De origen humano o derivado de la actividad del hombre.


3

La lluvia cida afecta de diversa manera la flora terrestre, la agricultura, los cuerpos de agua, la flora y fauna acutica, los suelos, los mantos de aguas subterrneas, las estructuras, los edificios y los monumentos histricos [1.3]. Los efectos nocivos de la lluvia cida sobre el medio ambiente son notables. El agua de los lagos, canales y ros se vuelve ms cida, provocando la desaparicin de la vida animal y vegetal: peces, lquenes, musgos y hongos. En los bosques, la presencia arbrea disminuye, lo cual reduce la emisin de oxgeno, daa al medio ambiente e incrementa la posibilidad de avalanchas y corrimientos de tierra, poniendo en peligro las poblaciones cercanas. El proceso de acidificacin tambin puede reducir la fertilidad de los suelos y liberar metales que pueden daar a los microorganismos de la tierra, as como a pjaros y mamferos superiores de la cadena alimenticia, e incluso al ser humano. Estos daos al medio ambiente ocasionados por la lluvia cida son preocupantes. Se dedican enormes esfuerzos para conocer las causas sobre la formacin de las lluvias cidas y los mecanismos para reducirlas [1.3]. En Mxico, la Secretara del Medio Ambiente del Distrito Federal cuenta con el sistema de monitoreo atmosfrico de la Ciudad de Mxico, el cual a travs de una red de depsito atmosfrico colecta muestras de depsito hmedo (lluvia, granizo, niebla, llovizna) y de depsito seco (polvos, partculas), con el propsito de ampliar el conocimiento acerca del flujo de sustancias txicas de la atmsfera hacia la superficie terrestre y la formulacin de estrategias para su mitigacin y control [1.1]. El organismo encargado de recolectar y analizar las muestras es el departamento de contaminacin ambiental del Centro de Ciencias de la Atmsfera de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Cualquier organismo o grupo de investigacin encargado de recolectar y analizar las muestras de lluvia utiliza una metodologa y equipo especficos para muestreo y anlisis de la precipitacin hmeda y seca. El Centro de Ciencias de la Atmsfera utiliza un sistema automtico donde se separa la porcin seca de la hmeda. El equipo tiene una cubeta para el depsito seco y otra para el depsito hmedo, la cual esta normalmente cubierta con un techo corredizo de dos aguas. Un sensor de lluvia detecta el inicio de lluvia y activa un mecanismo para mover el techo corredizo, dejando descubierta la cubeta colectora de depsito hmedo. Al dejar de llover, el techo regresa a su posicin inicial. En la figura 1.5 se aprecia dicho sistema.


4

Figura 1.5 Muestreador de depsito seco y hmedo.

A las muestras acumuladas de 6 das de depsito hmedo (lluvia) se les determina el valor de pH en campo y despus se almacenan en botellas de polietileno para ser transportadas y almacenadas, ver figura 1.6.

Figura 1.6 Almacenamiento de las muestras de depsito hmedo.

En el laboratorio, a las muestras de depsito hmedo se le hacen mediciones de pH, conductividad elctrica, concentracin de sulfatos, nitratos, cloruros, potasio, amonio, sodio, magnesio y calcio, ver figura 1.7.

Figura 1.7 Mediciones de las muestras de depsito hmedo.


5

El muestreador de depsito hmedo y seco permite conocer slo el pH de una cantidad acumulada de lluvia. Sin embargo no permite conocer el pH de la lluvia en tiempo real. Adems, cada determinado tiempo el operador del equipo debe ir a medir el pH de la muestra con un medidor porttil de pH, para despus almacenar la muestra de lluvia para que sea analizada en el laboratorio y se le determine nuevamente el pH, adems de otros parmetros.

1.2 Planteamiento del problema. El departamento de contaminacin ambiental del Centro de Ciencias de la Atmsfera tiene la necesidad de contar con un dispositivo que mida y registre de forma automtica y en tiempo real el valor de la precipitacin pluvial, para poder comparar los valores de pH en tiempo real con el valor de pH tomado en campo a la muestra acumulada de lluvia y el pH medido en laboratorio. De esta forma se podr determinar la desviacin que pudiera existir entre el valor de la medicin de pH realizada en campo y de la realizada en el laboratorio. Para atender esa necesidad, se plante este trabajo de tesis que consisti en disear y construir un prototipo capaz de realizar y registrar mediciones de la precipitacin pluvial y su pH de forma automtica y en tiempo real. De cualquier manera se est proporcionando un instrumento que obtiene y registra informacin de la precipitacin pluvial y su pH, informacin que podr ser utilizada en diferentes estudios que involucren la acidez de la lluvia.

1.3 Hiptesis y justificacin. Con base en el planteamiento del problema, se establece la siguiente hiptesis: Es factible disear y construir un prototipo capaz de realizar y registrar mediciones de la precipitacin pluvial y su pH de forma automtica y en tiempo real, para aplicarlo en la recogida y medicin de muestras de lluvia que realiza el Centro de Ciencias de la Atmsfera.

Figura 1.8 Planteamiento de la hiptesis.


6

La justificacin para disear y construir el prototipo antes mencionado es porque los equipos similares a este que existen en el mercado son bastante caros, y con el diseo propio se pretende economizar en su construccin. De esta manera se est desarrollando tecnologa nacional para reducir la dependencia tecnolgica de otros pases. Adems, se habr ampliado la lnea de investigacin de automatizacin de procesos, con el tema de automatizacin de estaciones meteorolgicas, pudindose incorporar en un futuro otro tipo de instrumentos ambientales automatizados. Cabe mencionar que con el desarrollo del presente trabajo el tesista habr adquirido conocimiento sobre el diseo y construccin de circuitos electrnicos para instrumentos de medicin. Tambin habr adquirido la experiencia en el diseo metodolgico para hacer un proyecto tecnolgico, que le ayudar en el desarrollo de futuros proyectos.

1.4 Estado del arte.

1.4.1 Medicin del pH de la lluvia en tiempo real. El pH (potencial de hidrgeno) es una medida de la acidez o basicidad de una disolucin [1.4]. La medicin de pH de una disolucin acuosa consiste en determinar la concentracin de iones hidrgeno presentes en la disolucin. Esta concentracin est directamente relacionada con el carcter cido, neutro o bsico de la disolucin. La lluvia que se forma en una atmsfera limpia generalmente tiene cierta acidez causada por la disolucin de CO2 atmosfrico. Este proceso ocasiona que el pH del agua de lluvia tenga valores dentro de un rango entre 5 y 5.6. [1.3]. Entre las sustancias txicas que emiten las industrias se encuentran los hidrocarburos, el monxido de carbono, el bixido de azufre, los xidos de nitrgeno, el clorofluorocarbono, el ozono, etctera. Algunos de estos contaminantes, en particular los xidos de azufre y de nitrgeno, en presencia de humedad atmosfrica dan lugar a reacciones qumicas que producen cidos, principalmente sulfrico (H2SO4) y ntrico (HNO3), originando as, la lluvia cida. Este proceso origina un decremento del pH hasta valores que fluctan entre 5 y 3, y que incluso en algunos casos pueden ser menores [1.3]


7

Los estudiosos del medio ambiente identifican la acidez de la lluvia como un parmetro de suma importancia, ya que de esa acidez se pueden derivar trabajos de investigacin relacionados con el origen de sta, las sustancias que la estn generando y donde se est generando, ya que los gases con compuestos que causan acidez en la lluvia se pueden trasportar grandes distancias, dependiendo de las condiciones climatolgicas. Asimismo, es necesario saber si la acidez de cuerpos de agua alejados de posibles fuentes contaminantes de origen industrial, como descargas de aguas residuales, est siendo alterada, ya que las precipitaciones con alta acidez pueden relacionarse con enfermedades o disminucin de vida de los ros o lagos, etc. La importancia de medir en tiempo real el pH de la lluvia radica en el hecho de que el pH es un parmetro relacionado con la concentracin de iones hidrgeno, y al mezclarse el agua de lluvia con partculas suspendidas en el aire, y al reaccionar con la radiacin solar, podra haber variaciones del valor de pH. De esta manera, al medir el pH de una cantidad de lluvia acumulada despus de algunos das, en realidad se estar midiendo el pH de una nueva solucin, no el pH de la lluvia. Por ello es importante conocer la diferencia que existe entre las mediciones del pH en tiempo real y las mediciones de laboratorio a las muestras acumuladas de lluvia. Se mencion anteriormente que el Centro de Ciencias de la Atmsfera tiene sistemas automticos para recolectar el depsito seco (polvos, partculas) y el hmedo (lluvia, granizo, niebla, llovizna). Estos colectores forman parte del equipo de las estaciones de meteorolgicas de la red de depsito atmosfrico.

1.4.2 Analizadores de lluvia cida. Los equipos automticos para medir la precipitacin pluvial y su pH en tiempo real, se denominan analizadores de lluvia cida. Una investigacin con los fabricantes de equipo meteorolgico a nivel mundial permiti conocer diversos modelos de analizadores de lluvia cida. MONITOR DE LLUVIA CIDA AR-108SN.- Este dispositivo mide el pH, la conductividad y la temperatura del agua de lluvia cada 0.5 mm de precipitacin pluvial. En la figura 1.9 se aprecia su aspecto fsico.


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Figura 1.9 Monitor de lluvia cida AR-108SN (Kimoto Electric).

Fuera del gabinete del equipo monitor est montado un pluvimetro de balancn. Dentro del gabinete est la unidad de medicin de precipitacin y de pH. Los datos procesados de los sensores se almacenan en una memoria compact Flash. Tambin se tienen puertos Ethernet y RS232C para sincronizar el equipo con una computadora de escritorio y descargar los datos. En la figura 1.10 se muestra de diagrama de este monitor de lluvia cida.

Figura 1.10 Diagrama de monitor de lluvia cida AR-108SN.


9

ANALIZADOR AUTOMTICO DE PRECIPITACIN NMO 191/E.- Este analizador de lluvia cida realiza mediciones en tiempo real de pH, conductividad elctrica y cantidad e intensidad de precipitacin. En la figura 1.11 se aprecia su aspecto fsico.

Figura 1.11 Analizador de lluvia cida NMO 191/E (Eigenbrodt GmbH).

El sensor de lluvia activa el funcionamiento del equipo al iniciarse un evento de lluvia. Las muestras de lluvia que se recolectan se dividen en dos partes, una parte va a una botella colectora de muestras y la otra pasa a una unidad de medicin. Ah primero pasa a travs del electrodo de pH (volumen aproximado de 0.5 ml) y despus por la celda de conductividad. En la figura 1.12 se muestra el sensor de lluvia RS 85.

Figura 1.12 Sensor de lluvia RS 85.


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ANALIZADOR AUTOMTICO DE LLUVIA CIDA CPH-004.- Este dispositivo analiza automticamente los parmetros trazadores en el control de la lluvia cida: pH, conductividad, precipitacin y temperatura, adems de compensacin y clculo de los valores descritos en funcin de la temperatura real de la muestra. En la figura 1.13 se aprecia su aspecto fsico exterior.

Figura 1.13 Analizador de lluvia cida CPH-004.

Un sistema con microprocesador controla el funcionamiento del equipo desde que se produce la lluvia hasta la elaboracin de los resultados y su visualizacin simultnea en una pantalla alfanumrica, adems de imprimirlos y almacenarlos en una memoria EEPROM. Se tiene un detector de lluvia para saber el inicio y el fin de la misma. Una cpula semiesfrica protege el colector de lluvia durante los momentos de ausencia de la misma, evitando cualquier interferencia por deposicin seca. Una vez detectada la lluvia, se abre la cpula y deja al descubierto el embudo colector del pluvimetro durante el tiempo que dure la lluvia, recogindose as las muestras de precipitacin en el sistema. La cpula se cierra automticamente al finalizar la lluvia. En la parte superior del gabinete del equipo se encuentra el sistema de coleccin, anlisis y unidad de control, y en la parte inferior est la unidad de recogida de muestras, la cual consiste de un carrusel de tubos que recogen muestras de lluvia.


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En la tabla 1.1 se presenta un comparativo de las caractersticas tcnicas de los tres analizadores de lluvia cida descritos anteriormente.

Tabla 1.1 Analizadores de lluvia cida. Fabricante / Nombre Modelo

Kimoto Electric Co. / Acid Rain Monitor

AR 108SN

Eigenbrodt GMBH&Co. /

Automatic precipitation analyser

NMO 191/E

MCV, S. A. / Analizador automtico

de lluvia cida

CPH 004 Precipitacin pluvial

Mtodo:

Pluvimetro de balancn



Resolucin:

0.5 mm 0.05 mm 0.1 mm

Precisin:

1 % 1 % 3 %

pH

Mtodo:

Electrodo combinado de vidrio

Electrodo combinado de vidrio relleno de

gel

Electrodo combinado de larga duracin y bajo mantenimiento

Resolucin:

0.01 pH 0.01 pH 0.1 pH

Rango:

0 10 pH 0 14 pH 0 14 pH

Precisin:

- - - - - - 0.01 pH

Conductividad elctrica

Mtodo:

Sensor de micro Siemens de 2 polos

Celda de conductividad

Clula de platino

Resolucin:

- - - 0.5 % del rango de medicin

1 S

Rango:

0 a 500 S/cm 0 a 1999 S/cm 0 a 500 S

Caractersticas adicionales

Memoria de datos extrable

SI NO NO

Pantalla alfanumrica

SI SI SI

Costo

$ 700,000 $ 400,000 $ -.-


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1.5 Solucin propuesta. Para atender la necesidad de medir la lluvia y su pH en forma automtica, en este trabajo de tesis se plante disear y construir un prototipo capaz de realizar dichas mediciones, para lo cual se propone disear, construir y programar un mdulo electrnico para adquirir, procesar y almacenar los datos de los instrumentos de medicin, as como para controlar la operacin de los mismos. Teniendo como interfaz hombre mquina una pantalla de cristal lquido alfanumrica para visualizar los datos, y una memoria extrable SD para almacenarlos. Lo anterior se representa en la figura 1.14.

Figura 1.14 Solucin propuesta.

1.6 Objetivos.

1.6.1 Objetivo general. El objetivo general es disear, construir y probar el funcionamiento de un prototipo compuesto de la integracin de un pluvimetro y un sensor de pH, y un mdulo electrnico de adquisicin, procesamiento y almacenamiento de datos, y de control.


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1.6.2 Objetivos particulares. a) Disear, simular y construir el mdulo electrnico de adquisicin, procesamiento y almacenamiento de datos, y de control. b) Integrar el pluvimetro y el sensor de pH para conformar el prototipo. c) Obtener y registrar la precipitacin pluvial y el pH correspondiente a dicha lluvia. d) Integrar al instrumento un mecanismo para el control del movimiento del sensor de pH.

1.7 Metas. Contar con un prototipo mecatrnico automtico con utilidad en sistemas de monitoreo de condiciones ambientales, como la precipitacin pluvial y su acidez. El cual cumple las necesidades de un usuario especfico de este tipo de equipos. Escribir un artculo tcnico de los resultados de este trabajo de investigacin y su utilidad en el campo de la investigacin ambiental. Con base en el trabajo de investigacin, integrar un documento de tesis para ser defendido ante un jurado para la obtencin del grado de Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica.

1.8 Alcance. El prototipo tiene aplicacin en el campo de la investigacin hidrolgica y medio ambiental. Sin embargo, este trabajo de investigacin se enfoca al diseo del prototipo, tomando como base la aplicacin de la electrnica, la programacin de circuitos integrados y el diseo de mecanismos, mediante una integracin sinrgica.


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1.9 Organizacin de la tesis. Captulo 1. Introduccin. Se presentan los antecedentes sobre la existencia de la lluvia cida. Se plantea el problema a resolver en este trabajo y la solucin propuesta. Se estudia el estado del arte de la medicin del pH de la lluvia en tiempo real y los instrumentos comerciales para realizar estas mediciones. Captulo 2. Diseo general del prototipo. Se presenta un bosquejo de la metodologa de diseo empleada en el diseo y la construccin del prototipo. Se obtienen las especificaciones tcnicas del prototipo, se realiza la seleccin del pluvimetro y del sensor de pH, y se bosqueja el diseo conceptual del prototipo. Captulo 3. Diseo electrnico del prototipo. Se realiza un diagrama a bloques que representa los bloques funcionales del mdulo electrnico. Se seleccionan los componentes electrnicos del mdulo. Se calcula y disea el circuito de medicin de pH. Se disea el circuito de adquisicin y procesamiento de datos y control. Se habla sobre el diseo de la tarjeta de circuito impreso del mdulo electrnico. Se lleva a cabo la integracin de las diversas partes del prototipo. Captulo 4. Programacin del microcontrolador del prototipo. Se muestra y explica el diagrama de flujo del funcionamiento del prototipo. Se presentan los programas para el funcionamiento del prototipo. Se muestra el funcionamiento de la interfaz hombre mquina. Captulo 5. Pruebas y resultados del prototipo. Se habla sobre las pruebas realizadas al prototipo para verificar su funcionamiento. Se muestran los datos medidos y almacenados por el prototipo. Captulo 6. Conclusiones y recomendaciones. Se llegan a las conclusiones en trminos tcnicos y econmicos. Se hacen algunas recomendaciones para trabajos futuros.


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2 Diseo general del prototipo.

2.1 Metodologa de diseo del prototipo. El proceso de diseo involucra la organizacin de los procesos creativos y analticos utilizados para satisfacer una necesidad o resolver un problema [2.1]. Tradicionalmente, el proceso de diseo es una actividad lineal formada por seis grandes fases, como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1 Proceso lineal de diseo en ingeniera.

En el proceso de diseo, el problema se identifica en la etapa l; los conceptos e ideas se recopilan en la etapa 2. Estas ideas originales se registran como croquis aproximados, ya sea en papel o en la computadora, por medio de grficas. Estos croquis iniciales registran


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las imgenes fugaces de la mente y comunican las ideas iniciales. Esta fase de la ingeniera de diseo algunas veces se conoce como ideacin y el medio de comunicacin lo constituyen modelos por computadora o croquis. En la etapa 3 se elige una solucin (o soluciones) a partir de una coleccin de croquis. En esta fase, a medida que la solucin del problema se vuelve ms clara, se refinan los croquis o modelos de diseo iniciales. Los resultados son croquis o modelos de computadora susceptibles de ser analizados. Las etapas 4 y 5 son pasos interactivos que pueden repetirse muchas veces antes de elegir un diseo final. Despus de seleccionar la solucin de diseo final, sta debe documentarse o registrarse (etapa 6), con el detalle suficiente para que el producto pueda fabricarse o construirse. Una vez hecho esto, el diseo se archiva para fines de referencia o modificacin [2.1]. Las tcnicas de diseo, anlisis y comunicacin modernas estn cambiando el papel tradicional de los ingenieros. El proceso de diseo en la industria se est desplazando de una actividad lineal y segmentada a una actividad conjunta, que involucra todas las reas de la empresa y que emplea computadoras como herramientas principales [2.1]. Esta nueva forma de diseo, con su enfoque de equipo integrado, recibe el nombre de ingeniera concurrente. La ingeniera concurrente involucra la coordinacin de funciones tcnicas y no tcnicas del diseo y la manufactura dentro de una empresa. En la figura 2.2 se representa la ingeniera concurrente. Este cambio en el diseo ha dado como resultado una innovacin importante en la forma en que los ingenieros realizan su trabajo [2.1].

Figura 2.2 Proceso de diseo de ingeniera concurrente.


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En el desarrollo del prototipo se utiliz el proceso de diseo de ingeniera concurrente. En la parte de ideacin se consider el problema a resolver, que es la necesidad de contar con un dispositivo para medir y registrar automticamente y en tiempo real la precipitacin pluvial y su pH. Tambin se tena la idea desde un principio que se utilizara un pluvimetro al que se le adaptara un medidor de pH. Para llegar al diseo preliminar se tom en cuenta la etapa de refinamiento que tiene que ver con el diseo del prototipo y la etapa de implantacin, en la cual est incluido el aspecto de las finanzas o recursos disponibles para construir el prototipo. En la parte de refinamiento se desarroll principalmente el diseo de la parte electrnica del prototipo, a partir de los clculos realizados, como el caso del circuito de medicin de pH y las fuentes de alimentacin. En la parte de implantacin, se analiz el costo que representara cada solucin propuesta en las otras dos etapas, de forma que adems de elegir la ms conveniente, se busc que fuera econmicamente viable, y que se dispusiera de la suficiente documentacin y hojas tcnicas para poder implementar dicha solucin. Como ejemplo, la seleccin de la memoria de almacenamiento de datos del prototipo. En la figura 2.3 se muestran algunos aspectos clave del diseo concurrente del prototipo.

Figura 2.3 Diseo concurrente del prototipo.


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2.2 Aplicacin del prototipo. La aplicacin de este prototipo ser en el Centro de Ciencias de la Atmsfera, y tambin puede ser en cualquier otra entidad de investigacin relacionada e interesada en cuestiones ambientales, para el monitoreo de la cantidad de precipitacin pluvial y su pH. En dicho centro se tiene actualmente un muestreador de depsito seco y hmedo, que recoleta las muestras, las cuales son analizadas posteriormente en laboratorio. Sin embargo, se requiere el prototipo para conocer el valor del pH en tiempo real. En el Centro de Ciencias de la Atmsfera, el programa de muestreo se adopt de la experiencia y de las recomendaciones referidas en la literatura especializada, as como recomendaciones de la NADP US EPA, 2000 (The National Atmospheric Deposition Program, United States Environmental Protection Agency) [2.2]. Las mediciones de pH se realizan con un medidor de pH de las siguientes caractersticas:

Tabla 2.1 Caractersticas de la medicin de pH en el Centro de Ciencias de la Atmsfera.

pH Rango

0 a 14.00

Resolucin

0.01

Exactitud

0.01

Calibracin

Uno o dos puntos

Visualizacin

Pantalla de cristal liquido

Vida de batera

1000 horas

2.3 Determinacin de las especificaciones del prototipo. Tomando en cuenta las caractersticas del proceso de medicin de pH que lleva a cabo el Centro de Ciencias de la Atmsfera, y considerando tambin la informacin obtenida de los analizadores de lluvia cida antes presentados, se establecen las especificaciones para el prototipo, mostrados en la tabla 2.2 y que se consideran adecuadas para la aplicacin planteada.


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Tabla 2.2 Especificaciones del prototipo. Fabricante / Nombre Modelo

CENIDET / Prototipo para medir y registrar la precipitacin pluvial y su pH MRS 01

Precipitacin pluvial Resolucin:

Deseable 0.5 mm

Precisin:

Deseable 1 %

pH Resolucin:

0.01 pH

Rango:

Mnimo, 0 10 pH

Precisin:

Deseable 0.01 pH

Caractersticas adicionales

Memoria de datos extrable

SI

Pantalla alfanumrica SI

2.4 Seleccin del dispositivo de medicin de precipitacin pluvial.

El pluvimetro de balancn es el instrumento ms empleado para medir la precipitacin pluvial. Este instrumento consiste en un embudo por el que ingresa el agua de lluvia recolectada, misma que se vierte en uno de un par de recipientes gemelos colocados sobre un balancn. Cuando un recipiente se llena lo suficiente, el peso del agua ocasiona que el recipiente oscile sobre el balancn, de forma que se vace el agua de este recipiente y que el otro recipiente se coloque en una posicin para ser llenado. Cada que ocurre la oscilacin de los recipientes se produce el cierre momentneo de un interruptor magntico. El volumen al que el recipiente oscila est calibrado previamente, de forma que se conoce la cantidad de lluvia que produce el vuelco del recipiente y consecuentemente el cierre del contacto. Al contar el nmero de veces que se cierra el


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contacto se puede conocer la cantidad de lluvia precipitada. El funcionamiento del pluvimetro de balancn se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4 Funcionamiento del pluvimetro de balancn.

La medicin de la precipitacin pluvial utilizando el pluvimetro de balancn y el registrador electrnico de datos es la forma ms comn que existe, ya que presenta la facilidad de convertir los datos en informacin digital, que puede manejarse convenientemente con equipos electrnicos, razn por la cual en este prototipo de tesis se emplea un pluvimetro de balancn para medir la precipitacin. En la tabla 2.3 se presentan algunos modelos de pluvimetros de balancn de los principales fabricantes de instrumentos meteorolgicos.

Tabla 2.3 Pluvimetros de balancn. Modelo de

Pluvimetro

(Marca)

Exactitud Resolucin

(mm)

Seal de Salida

Adquisidor de datos

(Datalogger)

Costo (MX)

Pluvimetro 52202

(CAMPBELL SCIENTIFIC)

2 %

0.1

Contacto

magntico

- - - - -

$ 4,000

P. Balancn 200 cm2

(CASELLA)

1 %

0.2

Contacto

magntico

- - - - -

$ 2,000

Rain Collector 7852

(DAVIS)

4 %

0.25

Contacto

magntico

- - - - -

$ 1,265


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Los tres pluvimetros tienen su salida de cierre de un contacto, lo que los hace adecuados para los requerimientos de este prototipo. Pero es el pluvimetro modelo Rain Collector 7852 el que tiene un costo ms bajo, y adems cumple con el requisito de tener una resolucin menor a 0.5 mm. Por lo tanto se selecciona este pluvimetro para conformar el prototipo.

2.5 Seleccin del dispositivo de medicin de pH. Los sistemas de medicin de pH se pueden clasificar en: sensores pticos y sensores electroqumicos [2.3]. Los sensores pticos basan su principio de funcionamiento en un indicador que cambia de color en funcin del pH con el que entra en contacto. Los sensores electroqumicos de pH utilizan dispositivos que transforman la actividad qumica del in de hidrgeno en una seal elctrica. En esta categora se encuentran los electrodos de in selectivo, entre los que destaca el electrodo de vidrio sensible al in hidrgeno. Una comparacin de los sistemas de medicin de pH se muestra en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Sistemas de medicin de pH. Sistema de medicin de pH

Rango pH Impedancia de salida

Mantenimiento Seal de Salida

Costo relativo

Indicador en tira de papel

4.5 a 9.0 ------ Seco Cambio de color por

unidad de pH

Bajo

ISFET Ion Selective Field Effect Transistor)

1 a 12 Baja Seco Voltaje proporcional

al pH

Muy Alto

Electrodo de vidrio

0 a 14 Alta Hmedo Voltaje proporcional

al pH

Medio

Los sistemas que permiten manejar la informacin en forma electrnica son el ISFET y el electrodo de vidrio. Sin embargo el ISFET es caro y no hay mucha informacin sobre su funcionamiento.


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Por otro lado, el electrodo de vidrio para medicin de pH es el mtodo ms comn y ms utilizado para medir el pH, adems de que es mucho ms econmico que el ISFET. Asimismo hay bastante informacin sobre la medicin de pH por medio del electrodo de vidrio. Por tal motivo se opta por utilizar el mtodo del electrodo de vidrio para medir el pH de la lluvia. El electrodo de vidrio consiste en un tubo de vidrio cerrado en su parte inferior con una membrana de vidrio especialmente sensible a los iones hidrgeno. En la parte interna de esta membrana se encuentra una solucin de cloruro tampn de pH constante dentro de la cual est inmerso un hilo de plata recubierto de cloruro de plata [2.4]. Aunque el mecanismo que permite que el electrodo de vidrio mida la concentracin de in hidrgeno no es exactamente conocido, est establecido que al introducir el electrodo en el lquido se desarrolla un potencial relacionado directamente con la concentracin del in hidrgeno del lquido. Es decir, si esta concentracin es mayor que la interior del electrodo existe un potencial positivo a travs de la punta del electrodo, y si es inferior, el potencial es negativo [2.4]. Este potencial cambia con la temperatura, por ejemplo, pasa de 54.2 mV a 0 C a 74 mV a 100 C por unidad de pH. Para medir el potencial desarrollado en el electrodo de vidrio es necesario disponer en la solucin de un segundo elemento o electrodo de referencia. ste, aparte de cerrar el circuito, suministra un potencial constante que sirve de referencia para medir el potencial variable del electrodo de vidrio [2.4]. El electrodo de referencia contiene una clula interna formada por un hilo de plata recubierto con cloruro de plata en contacto con un electrolito de cloruro de potasio. Este electrolito pasa a la solucin muestra a travs de una unin liquida. De este modo, la clula interna del electrodo permanece en contacto con una solucin que no vara de concentracin y que por lo tanto proporciona una referencia estable de potencial [2.4]. El electrodo de vidrio y el electrodo de referencia se muestran en la figura 2.5.

Figura 2.5 Electrodo de vidrio y electrodo de referencia.


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La medida de pH con el electrodo de vidrio se reduce a medir un potencial resultante entre el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia, con una resistencia interna considerable. En la prctica se tienen integrados estos dos electrodos combinados en uno solo, denominado electrodo combinado de vidrio para medicin de pH. Una comparativa de algunos electrodos combinados de vidrio para medicin de pH se muestra en la tabla 2.5.

Tabla 2.5 Electrodos combinados para medicin de pH. Modelo de electrodo

(marca) Impedancia

() Cuerpo del electrodo Costo

(MX)

871pH

(FOXBORO)

103

(Preamplificador incluido)

Rypton o CPVC

$ 3,400

pH Electrode

(PICO-AMP)

1012

Vinil

$ 1,300

699 -195

(PASCO)

1012

Resina epxica

$ 1,500

Wd3580506

(OAKTON)

1012

Resina epxica

$ 1,070

La seal de voltaje que proporciona el electrodo se encuentra en el rango de mili volts, y es de muy alta impedancia (1012 ) debido a la elevada resistencia del circuito del electrodo, que en realidad es una celda electroqumica. Esto significa que la corriente que proporciona el electrodo es demasiado pequea, lo cual dificulta el manejo de la informacin. Para solucionar esto se emplea un preamplificador de pH de ganancia unitaria que permite acoplar la alta impedancia del electrodo con un circuito de baja impedancia. El primer electrodo posee una baja impedancia debido a que incluye en el mismo cuerpo un preamplificador, lo cual representa una ventaja. Sin embargo, el costo es muy elevado. Los electrodos siguientes poseen una alta impedancia, pero el costo es menor. Sin embargo, el cuarto electrodo presenta el costo ms bajo, razn por la cual se seleccion este electrodo. Para acoplar la alta impedancia del electrodo se utiliza un preamplificador de pH de ganancia unitaria, el cual se muestra en la figura 2.6. Dicho dispositivo tiene un costo de $ 1,250 (MX). De forma que al adquirir el conjunto del electrodo y el preamplificador de pH por separado, resulta ms econmico que adquirir un electrodo con el preamplificador incluido, y se cumple la misma funcin, que es bajar la impedancia de salida de electrodo.


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Figura 2.6 Preamplificador de pH.

Las especificaciones de este preamplificador de pH son las siguientes: Impedancia de entrada: 1013 ohm Impedancia de salida: 20 Kohm Voltaje de salida: -2000 mV a +2000 mV Temperatura de operacin: 0 a 60 C

2.6 Diseo conceptual del prototipo. El esquema del diseo conceptual del prototipo, en el que se aprecia el pluvimetro de balancn, el mdulo electrnico para adquirir, procesar y almacenar la informacin del pluvimetro y del electrodo de medicin de pH, y el mecanismo para mover el electrodo de medicin de pH, se muestra en la figura 2.7. Cuando se presenta una lluvia, el agua que se acumula en un cangiln del pluvimetro provoca la oscilacin de ste y el cierre del contacto del pluvimetro. De esta manera se inicia el funcionamiento del prototipo. Al recolectar una determinada cantidad de agua en el recipiente de recoleccin, un mecanismo de servomotores se encarga de mover el electrodo de medicin de pH desde el recipiente de almacenamiento (ya que el electrodo debe estar permanente inmerso en una solucin acuosa) hasta el recipiente de recoleccin de agua. La interfaz hombre mquina permite visualizar, en una pantalla de cristal liquido alfanumrica, el valor de las mediciones de precipitacin y pH en tiempo real. As mismo se tiene un grupo de botones para ingresar a un men de opciones para ajustar el reloj del prototipo e ingresar a la modalidad de calibracin del electrodo, para lo cual se usan dos perillas de ajuste. Para obtener los datos, se emplea la memoria extrable SD. En la cual se almacenan los datos en archivos de texto listos para ser vistos en una computadora.


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Figura 2.7 Diseo conceptual del prototipo.

2.6.1 Medicin de precipitacin y su pH. El pluvimetro de balancn es el que se utiliz. Se dise, construy y program la parte electrnica de adquisicin, procesamiento y almacenamiento de la informacin de precipitacin pluvial obtenida por el pluvimetro. Ver Anexo 1 Especificaciones tcnicas del pluvimetro. Las etapas de medicin de precipitacin pluvial de este prototipo se muestran en la figura 2.8.

Figura 2.8 Etapas de medicin de precipitacin pluvial.

Se emple un electrodo de vidrio para medicin de pH como elemento sensor. Adems se emple un preamplificador de ganancia unitaria de pH para acoplar impedancias.


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Se dise y construy un circuito electrnico con amplificadores operacionales para acondicionar el voltaje proporcionado por el electrodo, y poder introducir esta seal al convertidor analgico digital de un microcontrolador, el cual se encarga de procesar esta informacin y proporcionar un valor de pH. Las etapas de medicin de pH de este prototipo se muestran en la figura 2.6.

Figura 2.9 Etapas de medicin de pH.


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3 Diseo electrnico del prototipo.

3.1 Tarjeta de adquisicin, procesamiento y almacenamiento de datos y de control.

Los elementos del mdulo electrnico para adquirir, procesar y almacenar los datos de los instrumentos de medicin, as como para controlar la operacin de los mismos dentro del prototipo, se muestran en la figura 3.1.

Figura 3.1 Elementos de la tarjeta electrnica.

3.2 Seleccin de componentes del mdulo electrnico. Se realiz una revisin de las necesidades tcnicas del prototipo para, a partir de stas, seleccionar los circuitos integrados que conforman el mdulo electrnico.


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3.2.1 Seleccin de los amplificadores operacionales. Los parmetros de entrada ms comunes de un amplificador operacional son [3.1]: 1. Voltaje de compensacin de entrada, Vio. Este es el voltaje que debe aplicarse a una u otra entrada de las terminales de entrada para que el voltaje de salida sea cero. Para un amplificador operacional ideal, el voltaje de compensacin de la salida es cero. 2. Coeficiente trmico del voltaje de compensacin, Vio. Es la razn de los cambios del voltaje de compensacin de entrada con respecto a la temperatura ambiente. V / C. 3. Voltaje de alimentacin. Es el intervalo de voltaje mximo con el que se puede alimentar el amplificador. 4. Resistencia de entrada, Ri. Esta es la resistencia vista desde cualquier terminal de entrada hacia adentro, con la otra terminal conectada a tierra. El preamplificador de pH que se emplea en el prototipo permite acoplar la alta impedancia del electrodo (1012 ohm) con un circuito de baja impedancia. Se necesita un amplificador operacional que tenga una buena impedancia de entrada para responder adecuadamente a los cambios de voltaje del sensor de pH. En la tabla 3.1 se presenta una comparativa de los amplificadores operaciones que tienen una alta impedancia de entrada.

Tabla 3.1 Amplificadores operacionales. Amplificador operacional

Vio

(mV)

Vio vs. Temp.

(V / C)

Voltaje de alimentacin

(Volts)

Impedancia de entrada ( || pF)

Costo

(MX)

AD711C

0.1 2 20 3 x 1012 $ 55

CA3130

8 10 2.8 1.5 x 1012 $ 56

LF356

3 5 1.8 1 x 1012 $ 38

TL084

2 15 15 1 x 1012 $ 10

El AD711C tiene una muy alta impedancia de entrada y adems presenta poco voltaje de compensacin, el CA3130 tiene alta impedancia de entrada, pero ambos se descartan por su elevado costo. El LF356 y el TL084 tienen alta impedancia de entrada pero presentan un mayor voltaje de compensacin. Se selecciona el TL084 por el beneficio de sus caractersticas tcnicas en relacin a su bajo costo.


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3.2.2 Seleccin del microcontrolador. Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada, como el control de una lavadora, un teclado de ordenador, una impresora, un sistema de alarma, etc. Para esto, el microcontrolador utiliza muy pocos componentes asociados. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo que una vez programado y configurado, slo sirve para realizar la tarea asignada. La utilizacin de un microcontrolador en un circuito reduce notablemente el tamao y nmero de componentes y, en consecuencia, disminuye el nmero de averas y el volumen y el peso de los equipos entre otras ventajas [3.2]. En los ltimos aos han tenido gran auge los microcontroladores PIC fabricados por Microchip Technology Inc. Los PIC son una familia de microcontroladores que ha tenido gran aceptacin y desarrollo en los ltimos aos gracias a que sus buenas caractersticas, bajo precio, reducido consumo, pequeo tamao, gran calidad, fiabilidad y abundancia de informacin, lo convierten en muy fcil, cmodo y rpido de utilizar [3.2]. Para hacer una seleccin del microcontrolador se toman en cuenta estos factores primordiales: Existencia en el mercado.- Debe ser fcil de encontrar ya que se podran requerir repuestos del microcontrolador. Adems hay algunos fabricantes que proporcionan muestras gratis de algunos de sus modelos. Disponibilidad de informacin tcnica.- Es preferible contar con bibliografa que explique cmo programar el dispositivo y algunos ejemplos (adems de la hoja de datos tcnicos). Disponibilidad y costo de las herramientas de desarrollo.- Para programar el microcontrolador y grabar el programa en ste, se necesitan recursos de software y de hardware (grabador del programa del microcontrolador), los cuales son propios de cada fabricante y especficos para cada modelo de microcontrolador. Los microcontroladores PIC, pertenecientes a la marca Microchip, cumplen favorablemente con las caractersticas antes descritas, debido a que:

Son los que existen en mayor proporcin en el mercado Mexicano y adems se pueden obtener muestras gratis de la mayora de los modelos.


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Se tiene disponible bastante informacin sobre su programacin en los libros y en Internet. Esta marca de microcontrolador es la que ms se utiliza en los cursos acadmicos, ya que todas las familias se programan de manera similar y solo son necesarias ligeras modificaciones para migrar de un modelo de PIC a otro modelo.

En la pgina de Microchip se puede descargar gratuitamente el software de

desarrollo para realizar el programa del microcontrolador.

En el CENIDET se cuenta con un grabador de microcontroladores PIC, el cual tiene un costo elevado en caso de adquirirlo.

En la tabla 3.2 se comparan los microcontroladores PIC de la gama media [3.3].

Tabla 3.2 Microcontroladores PIC de gama media. Microcontrolador

PIC16F873 PIC16F874 PIC16F876 PIC16F877

Frecuencia de operacin

(MHz)

20 20 20 20

Velocidad de procesamiento

(MIPS)

5 5 5 5

Memoria de programa

(Palabras de 14 bits)

4 K 4 K 8 K 8 K

Memoria de datos RAM

(Bytes)

192 192 368 368

Memoria de datos EEPROM

(Bytes)

128 128 256 256

Nmero de terminales de entrada/salida

22 33 22 33

Perifricos SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

Bits de resolucin del ADC (canales)

10 (5 canales)

10 (8 canales)

10 (5 canales)

10 (8 canales)

La cantidad de instrucciones que puede ejecutar el microcontrolador depende del tamao de la memoria de programa. La memoria RAM es importante porque se pueden almacenar temporalmente variables que se usan en el programa. La cantidad de terminales debe ser la mayor para que se puedan conectar todos los dispositivos requeridos. El microcontrolador que rene las mayores prestaciones es el PIC16F877, por tal motivo se selecciona ste.


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3.2.3 Seleccin del reloj en tiempo real. Un reloj en tiempo real (RTC, Real Time Clock) es un circuito integrado que mantiene la fecha y hora de acuerdo al tiempo del da. Se emplea usualmente en computadoras y aparatos electrnicos que necesitan almacenar el tiempo del da. Es necesario disponer la fecha y hora de ocurrencia de los eventos de lluvia, por tal motivo se emplea un circuito integrado de reloj de tiempo real para poder almacenar esta informacin junto con los datos de precipitacin y pH. En la tabla 3.3 se muestran algunos circuitos de reloj de tiempo real [3.4].

Tabla 3.3 Circuitos de reloj de tiempo real. Reloj de Tiempo

Real Interfaz de

comunicacin Incluye batera de

respaldo Costo (MX)

DS12C877 Bus de 8 datos y 4 lneas de control

SI $ 108

DS1302 3 lneas serial

NO (se coloca aparte)

$ 11

DS1307 2 lneas serial (I2C)

NO (se coloca aparte)

$ 11

El reloj DS12C877 tiene la ventaja de que incluye batera y cristal oscilador en un solo encapsulado, sin embargo tiene las desventajas de que se emplean muchas lneas de comunicacin y control y que su precio es relativamente elevado. El reloj DS1302 y el DS1307 no incluyen batera ni oscilador de cristal, pero la batera y el oscilador son componentes electrnicos bastante econmicos. Estos dos ltimos relojes tienen la ventaja de utilizar protocolos de comunicacin serial, lo cual permite ahorrar muchas lneas de conexin con el microcontrolador. Se elige el reloj DS1307 porque utiliza el protocolo de comunicacin IIC (mejor conocido como I2C), el cual es soportado por el microcontrolador seleccionado.

3.2.4 Seleccin de la memoria de datos. La memoria de datos del prototipo almacena la informacin de precipitacin pluvial y pH junto con la fecha y hora de ocurrencia de estos eventos. Se requiere que la memoria sea de gran capacidad y fcil conexin al microcontrolador, adems de que sea accesible en cuanto a costo e informacin tcnica disponible sobre su manejo. En la tabla 3.4 se aprecia una comparativa de los tipos de memoria ms comunes.


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Tabla 3.4 Tipos de memorias. Memoria de datos Protocolo de

comunicacin Capacidad de

almacenamientoCosto por

unidad (MX)

Costo aproximado

($ / GB) Memoria EPROM

Serie ,

paralelo Hasta 1 MB

$ 94 94,000

Memoria FLASH

USB Hasta 16 GB $ 500 31

Memoria SD

SPI, SD, serial

Hasta 8 GB $ 200 25

La memoria EEPROM es muy econmica, sin embargo su capacidad de almacenamiento es muy baja. La memoria FLASH con protocolo USB tiene una capacidad de almacenamiento muy alta, sin embargo su costo es elevado. La memoria SD mantiene un buen balance entre capacidad de almacenamiento y costo, razn por la cual se elige este tipo de memoria.

3.2.5 Seleccin del grabador de memoria SD. Para hacer ms accesible el almacenamiento de la informacin en la memoria SD es mejor emplear un circuito grabador que sirve de interfaz entre la memoria SD y un protocolo serial en forma de comandos. ste es un dispositivo que integra una interfaz para crear archivos de texto, los cuales pueden ser ledos en cualquier computadora. As mismo, permite crear archivos con distintos nombres y direcciones. En la figura 3.2 se aprecia el esquema de un grabador de memoria SD.

Figura 3.2 Grabador de memoria SD.

El grabador recibe los comandos en forma serial y el microcontrolador de ste procesa la informacin que recibe y la almacena en una memoria SD formateada en modo FAT16 FAT32. FAT (File Allocation Table o Tabla de asignacin de archivos) es un sistema de archivos utilizado por MS-DOS y otros sistemas operativos basados en Windows para organizar y administrar los archivos. Esta estructura de datos la crea Windows cuando se da formato a un rea de almacenamiento en un disco duro. De esta forma la informacin almacenada se coloca en un archivo de texto que puede ser visto en cualquier PC.


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En la tabla 3.5 se aprecia una comparativa de algunos modelos de grabadores de memoria SD [3.5].

Tabla 3.5 Grabador de memoria SD. Grabador de memoria SD

Protocolo de comunicacin

Capacidad de almacenamiento

Costo (MX)

Logomatic Serial SD Datalogger

Comandos en forma serial

Memoria SD de 1 GB

$ 1,155

MMSD3F

Programacin en un microcontrolador

Memoria SD de 512 MB

$ 1,149

uMMC

Comandos en forma serial

Memoria SD de 2 GB

$ 930

Como se observa el grabador de memoria que ofrece una mayor capacidad de almacenamiento y un costo ms bajo es el mdulo uMMC, razn por la cual es el grabador que se emplea en este prototipo. Para comunicarse con el uMMC se emplea un protocolo asncrono serial. Es decir, se envan los comandos en cdigo ASCII en forma serie, y el mdulo regresa una respuesta. En la figura 3.3 se muestra este dispositivo.

Figura 3.3 Mdulo grabador de memoria SD.

3.3 Diseo de las fuentes de alimentacin. Para determinar el consumo de energa del prototipo se obtuvieron, de las hojas de datos tcnicas de cada componente, los datos de consumo mximo de corriente. Ver tabla 3.6.


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Tabla 3.6 Consumo de corriente de los componentes electrnicos del mdulo. Componente

Modelo Consumo mximo de corriente

mA Microcontrolador PIC16F877 200 Grabador de memoria SD uMMC 200 Servomotor de radio control Servo Vigor 160 Servomotor de radio control Servo Vigor 160 Pantalla de cristal lquido JHD204 2 Reloj de tiempo real DS1307 1.5 Relevador electromecnico THD-0501L 38 Total 761.5 Para los componentes antes mencionados es suficiente utilizar una sola fuente de voltaje de 5 volts con un regulador de voltaje de 5 volts a 1 ampere, es decir un circuito integrado LM7805. Con la finalidad de evitar interferencias, para el circuito de medicin de pH se emplea una fuente simtrica de 5 volts, empleando los circuitos integrados LM7805 para obtener 5 volts positivos y el LM7905 para obtener 5 volts negativos. Ver tabla 3.7.

Tabla 3.7 Consumo de corriente del amplificador operacional. Componente


mA Amplificador operacional cudruple

TL084 5.6

Total 5.6 Para activar la bobina de la electrovlvula se emplea una sola fuente de voltaje de 12 volts. Debido a que el solenoide consume 1.58 ampere, se utiliza el regulador de voltaje LM7812 en empaquetado metlico TO3, el cual soporta 2 ampere. La solenoide de la electrovvula slo funciona cuando se requiere mover el electrodo, cuando llueve. Ver tabla 3.8.

Tabla 3.8 Consumo de corriente de la electrovlvula. Componente


mA Solenoide de la electrovlvula

MH19C 1580

Total 1580 Para disear los circuitos de alimentacin se toma en cuenta el consumo mximo de corriente, el cual se presenta cuando el prototipo se encuentra en operacin. Para obtener el consumo de corriente por unidad de tiempo mA/h debe conocerse el tiempo en que funciona el prototipo en su mxima capacidad. Sin embargo, como el estado de operacin depende de las lluvias es complicado obtener este dato. Para fines prcticos es suficiente conocer el consumo mximo de corriente de modo que las fuentes de alimentacin


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funcionen adecuadamente. En la figura 3.4 se muestra el diagrama electrnico de las tres fuentes de alimentacin.

Figura 3.4 Diagrama electrnico de las tres fuentes de alimentacin.


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3.4 Proceso de calibracin del electrodo de medicin de pH. En lo referente a la calibracin, se tienen tres aspectos: calibracin, ajuste e inspeccin. En metrologa, la calibracin es el proceso de observar y documentar cualquier desviacin. El valor medido se compara con un valor fijado, y se anota su desviacin. De cualquier forma, el instrumento seguir indicando el valor incorrecto, pero se conoce su desviacin del valor fijado. El ajuste consiste en emparejar el instrumento de medicin a la desviacin observada en la calibracin. Ahora, el instrumento muestra el valor correcto. La inspeccin es la verificacin oficial hecha por la pertinente autoridad en calibracin nacional o regional, que asegura que el instrumento permanece dentro de los lmites de error admitidos por la metrologa legal. Por tanto, estrictamente hablando, el trmino calibracin no incluye el proceso de fijar o ajustar el instrumento. Sin embargo, por lo general se emplea la palabra calibracin para cubrir el proceso de ajuste y calibracin [3.6]. La medicin de pH con el mtodo del electrodo combinado de vidrio consiste en un electrodo que proporciona un voltaje que est en funcin del pH de la solucin acuosa en la que est inmerso este electrodo, de manera que si se mide el voltaje en la escala adecuada, se puede conocer el valor de pH de la solucin. El voltaje que suministra el electrodo es inversamente proporcional al pH de la solucin, siendo cero en 7 pH. La variacin es de 59.2 mV por unidad de pH a 25 C. Esta ganancia de voltaje depende tambin de la temperatura, pero la variacin es muy pequea, por lo que no se considera en el diseo del sistema de medicin de pH de este prototipo. En la figura 3.5 se muestra el voltaje ideal que proporciona un electrodo de medicin de pH.

Figura 3.5 Voltaje ideal del electrodo de medicin de pH.


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Sin embargo, en la realidad se presentan dos desviaciones del comportamiento terico, que son: 1) Desviacin del punto cero del electrodo, es decir que en 7 pH el voltaje suministrado por el electrodo sea diferente de cero. 2) Desviacin en la pendiente del electrodo, es decir que el voltaje suministrado por unidad de pH sea diferente al esperado (considerando una temperatura constante). En la figura 3.6 se representa una desviacin en el punto cero del electrodo (en 7 pH), y una desviacin en la ganancia de voltaje por unidad de pH, conocida como pendiente del electrodo.

Figura 3.6 Voltaje real del electrodo de medicin de pH.

El valor neutro de pH es 7, en este punto el voltaje proporcionado por el electrodo tericamente debera ser 0 (por ello se le conoce como punto cero del electrodo). Sin embargo, en la realidad se presenta una desviacin de este punto, la cual es usual, ya que representa las verdaderas caractersticas del electrodo de pH, por ello se realiza un ajuste del punto cero del electrodo, que consiste en hacer que el voltaje obtenido sea cero al estar inmerso el electrodo en una solucin patrn de 7 pH.


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El ajuste de la pendiente del electrodo consiste en hacer variar la ganancia de voltaje que ste proporciona. Primero se hace el ajuste de cero, de forma que una vez hecho ste, al hacer el ajuste de pendiente no se vea afectado el punto cero del electrodo ajustado previamente. La calibracin del electrodo de pH se realiz en dos puntos, en el intervalo de medicin que se esperan sean los valores de la lluvia, que es el rango cido (menor a pH 7). Se utilizaron soluciones de calibracin de 7 y 4 pH. Se confirm con las mismas soluciones de calibracin y se observ que el circuito de medicin de pH funcion adecuadamente.

3.5 Diseo del circuito de medicin de pH. En la figura 3.7 se muestra el diagrama de conexin del electrodo de medicin de pH, junto con el preamplificador para acoplar impedancias. Ms adelante se describe el diseo del circuito con amplificadores operacionales para la medicin del pH.

Figura 3.7 Conexin del electrodo de pH.

Las etapas de acondicionamiento de la seal del electrodo con amplificadores operacionales son: 3.5 1 Amplificacin de seal 3.5 2 Ajuste de cero 3.5 3 Ajuste de pendiente 3.5 4 Inversin de seal 3.5 5 Conversin analgica a digital


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3.5.1 Amplificacin de seal. La resolucin que tiene cada bit procedente de la conversin tiene un valor que es funcin de la tensin de referencia Vref [3.7]. Ver ecuacin 3.1.

bitmV

bitmVVV

nrefref 88.4

12)05000(

12Resolucin 10 =

== + (3.1)

Para una entrada analgica de 0 V le corresponde un valor digital de 00 0000 0000 y para 5 V un valor de 11 1111 1111. Por otro lado, se sabe que un incremento de una unidad de pH produce un cambio de 59 mV, lo cual significa que un incremento de 0.01 unidades de pH producirn 0.59 mV. De esta manera, si se desea que un bit represente un cambio de 0.01 unidades de pH, se tiene que amplificar el voltaje del electrodo por una ganancia denominada ganancia total del circuito. Ver ecuacin 3.2.

271.859.0

888.4 ==mVmVGTotal (3.2)

La ganancia total del circuito de medicin de pH debe ser de 8.271. En esta primera etapa se tiene la mayor parte de la ganancia, la cual es fija. En la figura 3.8 se muestra el amplificador operacional que amplifica la seal de entrada, el cual tiene la configuracin de amplificador no inversor. El valor de esta ganancia se determina en la ecuacin 3.3.

VinkkVin

RRVinVout =

+=

+= 7.5

17.41

231 (3.3)

Figura 3.8 Amplificacin de la seal de pH.


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3.5.2 Ajuste de cero. Una vez que se ha amplificado la seal, se necesita ajustar el voltaje correspondiente a un pH neutro (7) a 0 volts. Esto se hace en el circuito de medicin de pH con un amplificador operacional en configuracin de restador no inversor, cuyo voltaje de la terminal inversora se regula con un potencimetro, que en este caso se denominar ajuste de cero. En la figura 3.9 se muestra el circuito de ajuste de cero de la seal de pH. El voltaje de salida de este amplificador operacional se muestra en la ecuacin 3.4. El voltaje de salida del divisor de tensin, conformado por R8, R9 y el potencimetro P1, se muestra en la ecuacin 3.5.

troPotencimeVVVVVout == 565 (3.4)

%02.151.5 POTtroPotencime KV = (3.5)

Figura 3.9 Ajuste de cero de la seal de pH.

3.5.3 Ajuste de pendiente. Esta etapa permite variar la ganancia de voltaje que proporciona el electrodo. En la primera etapa se realiz una amplificacin de seal con una ganancia fija de 5.7 y como la ganancia total del circuito debe ser de 8.271, en esta etapa se tiene una amplificacin con ganancia pequea y variable. Ver ecuacin 3.6 y ecuacin 3.7.


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271.87.5 === PendientePendienteinAmplificacTotal GGGG (3.6)

45.17.5

271.8 ==PendienteG (3.7) La amplificacin requerida es 1.45, sin embargo el circuito se disea de modo que la ganancia pueda ser ms grande para realizar el ajuste de pendiente del electrodo con mayor margen de ajuste. En la figura 3.10 se emplea el circuito amplificador no inversor para el ajuste de pendiente, cuya ganancia variable se determina en la ecuacin 3.8.

VinkkVin

RPOTVi

61moises romansedeno.pdf

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