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CONTENIDO
PAG
1. INTRODUCCION………………………………………………………… 3
2. ENSAMBLE MECANICO……………………………………………….. 4
2.1 SISTEMA DE INYECCION…………………………………….. 4
2.1.1 Motor paso a paso………………………………. ….. 6
2.1.2 Buje de acople………………………………………… 9
2.1.3 Eje rotatorio…………………………………………… 10
2.1.4 Embolo inyector………………………………………. 10
2.1.5 Empaque………………………………………………. 11
2.1.6 Inyector…………………………………………….….. 12
2.1.7 Acople de piezas……………………………………… 13
3. ENSAMBLE ESTRUCTURAL………………………………………….. 14
4. CIRCUITOELECTRÓNICO DEL SISTEMA…………………………. 16
4.1 Circuito impreso…………………………………………….…... 19
4.2 Electrodo de medición………………………………………….. 22
4.3 Limpieza normal del electrodo…………………….…………… 23
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
GLOSARIO
FIGURAS
FIGURA 1………………………………………………………….. 7
FIGURA 2………………………………………………………….. 9
FIGURA 3………………………………………………………….. 9
FIGURA 4………………………………………………………….. 10
FIGURA 5………………………………………………………….. 11
FIGURA 6………………………………………………………….. 12
FIGURA 7………………………………………………………….. 12
FIGURA 8………………………………………………………….. 13
FIGURA 9………………………………………………………….. 13
FIGURA 10A………………………………………………………… 14
FIGURA 10B………………………………………………………… 14
FIGURA 11A…………………………………………………………. 15
FIGURA 11B………………………………………………………… 15
FIGURA 12…………………………………………………………… 16
FIGURA 13……………………………………………………………. 17
FIGURA 14…………………………………………………………… 17
FIGURA 15…………………………………………………………… 18
FIGURA 16…………………………………………………………… 19
FIGURA 17…………………………………………………………… 20
FIGURA 18…………………………………………………………… 21
FIGURA 19…………………………………………………………… 22
1
TABLAS
TABLA 1…………………………………………………………… 5
TABLA 2…………………………………………………………… 8
TABLA 3…………………………………………………………… 25
2
1. INTRODUCCIÓN
Los tituladores son instrumentos de análisis controlados por
microprocesadores. Gracias a la inteligencia integrada son capaces de obtener
resultados exactos y reproducibles.
Con los tituladores se pueden hacer valoraciones a punto final, punto de
equivalencia y de regulación del pH; en algunos se puede medir el potencial de
hidrogeno, la temperatura de soluciones y valoraciones volumétricas.
El control y medición del potencial de Hidrógeno es una tarea importante para
determinar la calidad de muchos productos en los diferentes procesos
industriales. Por lo tanto es imprescindible contar con instrumentación
adecuada y confiable para lograrlo.
Con base en esta idea queremos incurrir en la variable química de potencial de
hidrógeno ya que como se planteó inicialmente, es un factor determinante y no
ha sido muy analizada a nivel de proyectos académicos.
Igualmente, se logra incursionar en el diseño de equipos que se obtienen a un
elevado costo a nivel comercial bajo importación en la mayoría de los casos.
Esto lleva a la idea de ofrecer un instrumento diseñado localmente y ofrecerlo a
un bajo costo comercial para los empresarios locales, conservando la misma
confiabilidad de un instrumento convencional.
Con base a lo anterior el proyecto busca:
Implementar un instrumento que se pueda transportar a cualquier lugar
que cumpla con las condiciones ambientales ideales para la medición de
pH (20° C +/- 2° Y 50% Humedad +/- 10%).
3
Determinar en qué condiciones está el liquido a tratar (temperatura, pH
inicial y volumen) para poder adicionar sustancias básicas o alcalinas y
lograr un equilibrio en un punto de pH determinado por el usuario.
Presentar una mejor propuesta para aminorar los elevados costos y el
tiempo de importación actual que implica obtener un titulador
convencional, suministrándolo a un valor más favorable a nivel local.
El sistema de ensamble mecánico, consta básicamente de 4 partes. El chasis o
estructura general en donde descansan todos los elementos, el sistema de
inyección el cual se compone de una jeringa accionada por el desplazamiento
de un tornillo que a su vez gira en función de un motor, el sistema electrónico y
finalmente las conexiones externas (electrodo de pH, sensor de temperatura y
motor de agitación.)
2. ENSAMBLE MECANICO
2.1 SISTEMA DE INYECCION.
El sistema de inyección del titulador, permite la adición de las diferentes
sustancias líquidas para llevar a cabo el proceso de titulación. Mediante la
acción controlada del giro del motor, así como el contador de pasos del mismo,
se logra determinar los volúmenes utilizados. El motor lleva acabo el
desplazamiento del embolo de la jeringa como se mencionó previamente, y de
esta manera de inyecta el titulante de manera controlada. Mediante
instrucciones de programa en el microcontrolador, se tienen en cuenta la
cantidad de pasos por unidad de volumen. Ver tabla 1.
4
TABLA 1
TABLA DE INYECCION mL/paso
mL Agregados Giros M. P.a.P Grados Pasos
0,001 0,005 1,8 1
0,2 1 360 200
1 5 1800 1000
2 10 3600 2000
3 15 5400 3000
4 20 7200 4000
5 25 9000 5000
6 30 10800 6000
7 35 12600 7000
8 40 14400 8000
9 45 16200 9000
10 50 18000 10000
5
DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA DE
INYECCIÓN.
2.1.1 MOTOR PASO A PASO
Para un óptimo sistema de inyección, se recomienda un motor paso a paso. Su
funcionamiento depende de un tren de pulsos que se van aplicando con una
secuencia que previamente se ha definido a cada una de las bobinas que
componen el estator; esto va a permitir controlar su posición la cual depende
del avance de cada paso. De igual modo, si se varia la frecuencia con la que se
aplican los pulsos, cambiará la velocidad, lo que permite realizar un buen
control de la velocidad; Por otra parte, si se invierte la secuencia de los pulsos
aplicados a las bobinas, se realizará una inversión de giro.
Se ha optado por seleccionar este tipo de motor, debido a su gran resolución y
torque. Existen diversos tipos de motores diseñados para ser controlados de
diferentes formas. Sin embargo, elegir un motor paso a paso para esta
aplicación, permite utilizar valores muy bajos de posición en grados (para
titulaciones volumétricas se requieren altos valores de precisión) lo cual permite
adicionar cantidades muy pequeñas de un líquido. Adicionalmente, debido a las
diferentes densidades de algunos reactivos químicos y al rozamiento debido al
desplazamiento interno de la jeringa de inyección, el motor debe responder a
los más mínimos movimientos sin ser afectado por alguna de estas variables.
Ver TABLA 2.
Para el proyecto se ha seleccionado un motor unipolar (FIGURA 1) debido a
sus características técnicas, las cuales según la tabla anexa, cumple con los
requerimientos anteriormente mencionados.
6
FIGURA 1: Cortesía: JAPAN SERVO CO LTD
7
TABLA 2
8
ESPECIFICACIONES DEL MOTOR1
DIMENSIONES
(Unidades: mm – pulg.)
FIGURA 2
: Cortesía: JAPAN SERVO CO LTD
2.1.2 BUJE DE ACOPLE
Este elemento está siendo usado como mecanismo de conexión entre el eje del
motor paso a paso y el tornillo sin fin; está hecho en acero 1040 para garantizar
resistencia por uso continuo y se asegura mediante dos tornillos prisioneros los
cuales ejercen el trabajo de sostener y no dejar desfasar ambos ejes.
10mm 3.1mm Ø ext = 10mm
Ø int = 5 mm
1 Cortesía JAPAN SERVO CO LTD9
FIGURA 3 BUJE DE ACOPLE Rosca NC 1/8”
2.1.3 EJE ROTATORIO
Realmente es un tornillo sin fin de rosca fina, el cual funciona como sistema de
transmisión entre el motor paso a paso y el embolo; este a su vez convierte el
giro rotatorio en un desplazamiento vertical; su material de fabricación es en
acero y se compone de 21 hilos por pulgada. FIGURA 4.
FIGURA 4
2.1.4 EMBOLO INYECTOR.
10
150 mmØ = 5mm
Este elemento debe tener libre movilidad para el desplazamiento vertical y
estar limitado para el movimiento circular; consiste en un cuadrante que tiene
su centro roscado perfectamente para que entre y gire el eje rotatorio; este
componente está hecho de aluminio. FIGURA 5.
2.1.5 EMPAQUE
11
150 mm
10 mm
FIGURA 5: EMBOLO INYECTOR
Es un Terminal para el embolo. Sirve para mantener el liquido del inyector y
aislarlo de la parte mecánica; el material con el cual se fabricó este elemento
es con un polímero llamado EMPACK este material se caracteriza por una alta
relación entre resistencia y densidad, propiedades apropiadas para retener los
ácidos, las bases y disolventes. FIGURA 6.
También lo conforma un oring o anillo en vitón, el cual actúa como empaque
para el sistema de inyección.
2.1.6 INYECTOR
Es la parte fundamental para mantener y dosificar las sustancias activas o
reactivas que se vayan a agregar al líquido principal; consiste en un cilindro
capaz de almacenar hasta 12ml de líquido e inyectarlo por su salida en una
manguera de transporte solución. FIGURA 7.
12
FIGURA 6: EMPAQUE
2.1.7 ACOPLE DE PIEZAS
A continuación se mostrara el diagrama y la función de cada uno de los
componentes interactuando dentro del sistema de inyección. FIGURA 8.
Las medidas geométricas y el acople de las piezas del sistema de inyección
serán mostradas en la FIGURA 9, y deberá tenerse en cuenta las unidades en
milímetros.
13
FIGURA 7 INYECTOR
FIGURA 8 FIGURA 9
3. ENSAMBLE ESTRUCTURAL
MUESTRA DE CHASIS O ESTRUCTURA
14
FIGURA 10 A
FIGURA 10 B
15
FIGURA 11A. CHASIS O ESTRUCTURA FABRICADO EN ALUMINIO
450 mm
230 mm
270 mm
FIGURA 11B
4. CIRCUITO ELECTRONICO DEL SISTEMA
Para el diseño del sistema electrónico, fue necesario realizar cálculos
matemáticos fundamentales con el fin de para acondicionar las diferentes
señales tanto medibles como controlables del titulador. Se utilizaron
recomendaciones de los fabricantes de los diferentes circuitos integrados como
por ejemplo las configuraciones del CS5526, ULN2803 , MM74C923 Y
PIC16F877 FIGURA 16. Se seleccionó como elemento fundamental para
control, el PIC 16F877 debido a sus características de programación.
Debido al bajo valor de la señal suministrada por el electrodo de medición, se
decidió utilizar una opción del conversor análogo digital que amplifica esta
señal . Esta es a su vez enviada de manera digital al PIC y es aquí donde se
utiliza en el programa para realizar el control que se requiere. FIGURA 12.
16
FIGURA 12 Etapa de amplificación y conversión análoga a digital.
Por otra parte, se determinó utilizar dos transformadores con la finalidad de
dividir el circuito de control de potencia (FIGURA 15) y el circuito de
alimentación a los diferentes elementos de control. FIGURA 13.
FIGURA 13. Etapa de alimentación al sistema de control lógico. 5V de voltaje a
la salida de un regulador convencional LM7805
FIGURA 14. Etapa de alimentación al sistema. La salida está condicionada a la
posición del potenciómetro R27 en el divisor de voltaje para ajustarla entre 1 y
7 voltios DC.
17
FIGURA 15. Etapa de potencia la cual suministra voltaje a un motor para
agitación o un sistema de calentamiento (opciones disponibles en el circuito
impreso).
18
FIGURA 16. Distribución de pines del PIC16F877
3.1 CIRCUITO IMPRESO
Para la elaboración del circuito impreso, se tomaron en cuenta factores como el
tipo de señal a manejar así como los diferentes elementos a controlar. Tal
como se observa en la figura, el área oscura representa la tierra electrónica del
circuito. Se puede apreciar que abarca una gran área del impreso con el fin de
eliminar corrientes parásitas o trascientes que puedan afectar la estabilidad de
las señales medidas.
19
Sus dimensiones son: FIGURA 17.
20
119mm
FIGURA 17 CIRCUITO IMPRESO
132 mm
Elementos que conforman el circuito.
21
FIGURA 18
4.1 ELECTRODO DE MEDICION
Un electrodo de pH es un tubo lo suficientemente pequeño como para poder
ser introducido en un pote normal. Un tipo especial de fluido se coloca dentro
del electrodo; este es normalmente “cloruro de potasio 3M”. Algunos electrodos
contienen un gel que tiene las mismas propiedades de este fluido. En el interior
del electrodo, se encuentran alambres de plata y platino, mediante los cuales
se conduce la carga eléctrica. Los iones H+ y OH- entrarán al electrodo a
través de una membrana (FIGURA 17). Los iones crearán una carga
ligeramente positiva y ligeramente negativa en cada extremo del electrodo. El
potencial de las cargas determina el número de iones H+ y OH- y cuando esto
haya sido determinado el pH aparecerá digitalmente en el pH-metro. El
potencial depende de la temperatura de la solución. Es por eso que el pH-
metro también muestra la temperatura.
Membrana2
2 Cortesía Mettler Toledo.
22
FIGURA 19
4.2 LIMPIEZA NORMAL DEL ELECTRODO
El electrodo de pH es un sensor basado en una celda electroquímica. Esta
comienza a sufrir desgaste desde el momento de su fabricación hasta el final
de su vida útil. La vida de un electrodo es limitada, siendo la típica de 6 meses
a 1 año. Es imprescindible el manejo cuidadoso y buena limpieza para un buen
resultado en las mediciones. Antes de medir o calibrar, se debe enjuagar el
electrodo con agua destilada. Nunca debe tocarse el electrodo con los dedos,
papel ni otra cosa que no sea agua.
Se debe sumergir la punta del electrodo al menos 2.5 cm dentro de la solución
a medir, esperar un minuto a que la lectura se estabilice y lea. Luego de cada
medición debe enjuagarse el electrodo.
En caso de que el electrodo requiera una mayor limpieza, ya sea por estar
midiendo en aguas residuales o con mucho color, se debe utilizar una solución
de limpieza a base de ácido clorhídrico al 0.1% sumergiendo la punta del
electrodo por al menos 15 minutos. La TABLA 3 suministra algunas
recomendaciones para solucionar los problemas mas comunes en los
electrodos de pH.
23
TABLA 3
Problemas Soluciones
Electrodo Sucio o manchado Sumerja electrodo en solución
de Limpieza
Electrodo Seco Rehidrate en Solución Buffer 4
durante 1/2 día
Electrolito Contaminado Cambie Solución de Relleno
Almacenamiento
Luego de terminar de medir, se debe enjuagar el electrodo con agua destilada
y almacenarlo. Esto puede realizarse en la tapa del electrodo o un frasco, en
ambos casos, dejar el electrodo humedecido con una solución de
almacenamiento que puede ser a base de KCl 3.5M.
Mantenimiento del electrodo
Si el electrodo trabaja con alguno de estos contaminantes: alto contenido de
hierro, minerales, proteínas, lodos, soluciones grasosas o aceitosas; lave con la
solución específica para cada caso. Si el electrodo falla en el procedimiento,
introdúzcalo alternativamente 3 veces en HCI 0.1N y luego en NAOH, lave y
deje sumergido en solución de almacenamiento toda la noche .
5. CONCLUSIONES24
El proceso de elaboración de este dispositivo, logra aportar al grupo una visión
más amplia sobre las aplicaciones y utilidades de los elementos electrónicos
analizados durante la tecnología. Igualmente permite a los interesados en el
tema, ahondar en el campo de los análisis químicos con el fin de conocer sus
diferentes aplicaciones y como asociarlos a proyectos electrónicos.
El desarrollo de este tipo de instrumentación, logra enfocar a los tecnólogos en
la importancia del mercado competitivo a fin de mejorar los modelos ya
elaborados con progresos en sus bondades para el usuario final.
Se debe mencionar las posibles mejoras que el instrumentista desee realizar
en el proyecto, como lo es el implementar un sistema de calentamiento y un
control de velocidad para un agitador externo.
En el proceso de fabricación del equipo Titulador Automático para control de
pH se presentaron grandes retos dada su complejidad y especialmente por el
manejo de señales electrónicas con tan bajo valor de tensión. Como ejemplo se
puede mencionar, que en un comienzo, no se tenía claridad sobre el
acoplamiento de la señal del electrodo a un sistema de amplificación y posterior
a este a un microcontrolador. Esta situación se presentó de igual modo para el
tratamiento de la señal de la termocoupla tipo K.
La información y manuales suministrados con el equipo facilitan la comprensión
general sobre el control y manejo de la variable de pH.
El diseño del sistema de adición de compuestos químicos (sistema de
inyección) requiere de una tabla previamente programada la cual debe estar
asociada al sistema control para que realice los procedimientos de cálculo de
agregación.
El criterio para realizar el dispositivo está enfocado hacia la mayor efectividad
considerando factores externos como transporte del equipo hacia lugares con
ambientes ideales, uso de buffer Standard de pH, electrodos de pH
convencionales, etc.
6. BIBLIOGRAFIA
25
Phase Hybrid Stepping Motor KH42 series 900 type HIGH TORQUE, LOW
VIBRATION AND LOW NOISE page 12.
Motorola Inc. documento ULN28036/D Rev1
C1995 National Semiconductor Corporation RRD-B30M105/Printed in U. S. A.
page 1-15.
28/40-pin 8-Bit CMOS FLASH Microcontrollers 1998 Microchip Technology
Inc. DS30292A-page 1
Radiometer Analytical – pH Theory and Practice-page 19
METTLER TOLEDO-Electrodos de pH-Mantenimiento- Presentación en
Power-Point.
7. GLOSARIO
Titulador: dispositivo utilizado en laboratorios para la dosificación de
sustancias líquidas reactivas.26
Valoración: apreciación de la cantidad de sustancia utilizada en una
titulación.
Electrodo: elemento utilizado para la medición electroquímica del
potencial de hidrogeno
Densidad: es el resultado de la cantidad de masa sobre un volumen.
Reproducibilidad: cercanía entre los resultados de las mediciones de la
misma magnitud por medir efectuadas bajo condiciones de medición
diferentes.
Potencial de hidrogeno: cantidad de la carga de iones de hidrógeno
presentes en una sustancia.
Ion: Tanto en química como en física, se define al ion como una especie
química, ya sea un átomo o una molécula, cargada eléctricamente
Concentración: magnitud química que expresa la cantidad de un
elemento o un compuesto por unidad de volumen.
Reactivo químico: sustancia utilizada para provocar una reacción
química:
Buffer: un buffer o Tampón químico, en términos químicos, también es
un sistema constituido por un ácido débil y su base conjugada o por una
base y su ácido conjugado que tiene capacidad "tamponante", es decir,
que puede oponerse a grandes cambios de pH (en un margen concreto)
en una disolución acuosa.
Agua destilada : es aquella a la que se le ha eliminado prácticamente la
totalidad de impurezas e iones mediante destilación
Ácidos y Bases: los ácidos son las sustancias que son capaces de donar
un protón, y las bases son sustancias capaces de aceptar un protón.
Beaker: recipiente comúnmente utilizado en laboratorios de química para
almacenar sustancias.
27
