TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - CENIDET · TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS “Diseño y Construcción de un Prototipo Mecatrónico para Medir y Registrar la Precipitación Pluvial

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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecatrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

“Diseño y Construcción de un Prototipo Mecatrónico para Medir y Registrar la Precipitación Pluvial y su pH”

presentada por

Moisés Román Sedeño Ing. Mecánico por el Instituto Politécnico Nacional

como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica

Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez

Co-Director de tesis:

M. C. José Luis González Rubio Sandoval

Jurado: Dr. Andrés Blanco Ortega – Presidente

M.C. Pedro Rafael Mendoza Escobar – Secretario M.C. José Luis González Rubio Sandoval – Vocal Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 20 de Junio de 2011

M10

M11

Dedicatorias A Dios, por darme la fuerza y la decisión de terminar este trabajo, confiando en su guía fué que pude terminarlo. A mis padres y hermana, Camerino, Rufina y Marlizeth, por apoyarme, guiarme, consolarme, motivarme y tolerarme. A mis familiares, por su cariño y aprecio, motivándome a ser mejor.

Agradecimientos A la DGEST, Dirección General de Educación Superior Tecnológica, por brindar el apoyo académico y económico necesario para iniciar, cursar y culminar mis estudios de maestría. Al CENIDET, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, por brindarme la oportunidad de superarme profesionalmente, a través de sus instalaciones, sus profesores que me impartieron clases, y la obtención de mí grado de maestro en ciencias. A mis asesores, el Dr. Rigoberto Longoria Ramírez y el M.C. José Luis González Rubio Sandoval, por sus valiosos comentarios, su dedicación y apoyo para el desarrollo de la tesis. A mis revisores, la Dra. María Guadalupe López López, el Dr. Andrés Blanco Ortega y el M.C. Pedro Rafael Mendoza Escobar, por sus comentarios y observaciones que permitieron mejorar esta tesis. Al Dr. Enrique Quintero Mármol, por su atención al estar pendiente de mi trabajo de tesis, y al Dr. Marco Antonio Oliver Salazar por brindar su orientación a mi ingreso, durante sus gestiones como coordinadores del programa de mecatrónica. A todos mis profesores por sus enseñanzas y experiencias transmitidas. Entre ellos Dr. José Ruiz Ascencio, M.C. José Martín Gómez, M.C. Javier Meneses, Dr. Zdzislaw Mazur, Dr. Alberto López, Dr. Moisés González, M.C. Wilberth Alcocer, M.C. Guadalupe Madrigal, Dr. Raúl Garduño, Dr. Darius Szwedowicz, Dr. Jorge Bedolla y Dr. Vicente Guerrero. A mi amigo y compañero de maestría Enrique, por su amistad y el apoyo escolar, moral y espiritual que me brindó. A mis compañeros de maestría Julio Pérez, Julio Torres, Román, Francisco, Felipe, Esteban, Rosendo, Alejandro e Ixchel, por sus consejos y compañerismo.

Resumen En este trabajo se presenta el diseño y la construcción de un prototipo mecatrónico para medir y registrar la precipitación pluvial y su acidez, la cual está directamente relacionada con el valor de pH. Este dispositivo utiliza un pluviómetro de balancín y un electrodo combinado para medición de pH como elementos fundamentales. En primer lugar, se realizó una investigación del estado del arte sobre la medición del pH de la lluvia en tiempo real, para conocer las instituciones que realizan dicho tipo de mediciones y las características y condiciones bajo las cuales realizan las mediciones. En segundo lugar, se investigó sobre las características de instrumentos comerciales para medición de precipitación pluvial y su pH, denominados analizadores de lluvia ácida. Con la información obtenida sobre la medición del pH de la lluvia, los analizadores de lluvia ácida, las características del proceso de medición de instituciones dedicadas al estudio de la atmósfera, y la aplicación del prototipo, se establecieron las especificaciones técnicas del prototipo. En tercer lugar, se realizó el diseñó conceptual del prototipo, basándose en un enfoque de diseño concurrente. Se diseñó un módulo electrónico para adquirir y procesar la información de los sensores, se programó un microcontrolador y se llevó a cabo la integración 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 están en el diseño de un circuito para acondicionar la señal proveniente del electrodo de pH, un mecanismo mecánico para la manipulación del electrodo, así como en la programación del microcontrolador para operar el equipo de forma automática. Para facilitar el manejo y la transferencia de datos obtenidos por el instrumento, éstos se almacenan en una memoria extraíble. Palabras clave: pH, pluviómetro, módulo electrónico, 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 Introducción.................................................................................................................... 1

1.1 Antecedentes........................................................................................................... 1 1.1.1 Precipitación pluvial. ...................................................................................... 1 1.1.2 Lluvia ácida. ................................................................................................... 2

1.2 Planteamiento del problema. .................................................................................. 5 1.3 Hipótesis y justificación. ........................................................................................ 5 1.4 Estado del arte. ....................................................................................................... 6

1.4.1 Medición del pH de la lluvia en tiempo real. ................................................. 6 1.4.2 Analizadores de lluvia ácida........................................................................... 7

1.5 Solución 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 Organización de la tesis........................................................................................ 14

2 Diseño general del prototipo......................................................................................... 15 2.1 Metodología de diseño del prototipo. ................................................................... 15 2.2 Aplicación del prototipo. ...................................................................................... 18 2.3 Determinación de las especificaciones del prototipo. .......................................... 18 2.4 Selección del dispositivo de medición de precipitación pluvial........................... 19 2.5 Selección del dispositivo de medición de pH....................................................... 21 2.6 Diseño conceptual del prototipo. .......................................................................... 24

2.6.1 Medición de precipitación y su pH............................................................... 25 3 Diseño electrónico del prototipo. ................................................................................. 27

3.1 Tarjeta de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos y de control. 27 3.2 Selección de componentes del módulo electrónico.............................................. 27

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

3.3 Diseño de las fuentes de alimentación.................................................................. 33 3.4 Proceso de calibración del electrodo de medición de pH..................................... 36 3.5 Diseño del circuito de medición de pH. ............................................................... 38

3.5.1 Amplificación de señal. ................................................................................ 39 3.5.2 Ajuste de cero. .............................................................................................. 40 3.5.3 Ajuste de pendiente. ..................................................................................... 40 3.5.4 Inversión de señal. ........................................................................................ 41

II

3.5.5 Conversión analógica a digital. .................................................................... 42 3.6 Diseño del circuito de adquisición y procesamiento de datos y control............... 44 3.7 Diseño del módulo electrónico en placa de circuito impreso............................... 45 3.8 Electroválvula y recipientes de recolección y almacenamiento. .......................... 46 3.9 Mecanismo de manipulación del electrodo. ......................................................... 46

4 Programación del microcontrolador del prototipo. ...................................................... 48 4.1 Diagrama de flujo del funcionamiento del prototipo............................................ 48 4.2 Programación para la operación del prototipo...................................................... 49

4.2.1 Procesamiento de datos del pluviómetro. ..................................................... 49 4.2.2 Procesamiento de datos del circuito de medición de pH. ............................. 50

4.3 Almacenamiento de datos en la memoria SD....................................................... 53 4.4 Programación de los servomotores....................................................................... 56 4.5 Programación para la interfaz hombre – máquina................................................ 58

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

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

Bibliografía........................................................................................................................... 67 Anexo 1. Especificaciones técnicas del pluviómetro. .......................................................... 68 Anexo 2. Costo de componentes del prototipo..................................................................... 69 Anexo 3. Programa del microcontrolador. ........................................................................... 71 Anexo 4. Manual de usuario................................................................................................. 75 Anexo 5. Articulo técnico..................................................................................................... 82

III

Lista de figuras. Figura 1.1 Ciclo hidrológico................................................................................................... 1 Figura 1.2 Milímetros de precipitación pluvial. ..................................................................... 2 Figura 1.3 Proceso de formación del ácido carbónico............................................................ 2 Figura 1.4 Proceso de formación de la lluvia ácida................................................................ 2 Figura 1.5 Muestreador de depósito seco y húmedo. ............................................................. 4 Figura 1.6 Almacenamiento de las muestras de depósito húmedo......................................... 4 Figura 1.7 Mediciones de las muestras de depósito húmedo. ................................................ 4 Figura 1.8 Planteamiento de la hipótesis. ............................................................................... 5 Figura 1.9 Monitor de lluvia ácida AR-108SN (Kimoto Electric). ........................................ 8 Figura 1.10 Diagrama de monitor de lluvia ácida AR-108SN. .............................................. 8 Figura 1.11 Analizador de lluvia ácida NMO 191/E (Eigenbrodt GmbH). ........................... 9 Figura 1.12 Sensor de lluvia RS 85. ....................................................................................... 9 Figura 1.13 Analizador de lluvia ácida CPH-004................................................................. 10 Figura 1.14 Solución propuesta. ........................................................................................... 12 Figura 2.1 Proceso lineal de diseño en ingeniería. ............................................................... 15 Figura 2.2 Proceso de diseño de ingeniería concurrente. ..................................................... 16 Figura 2.3 Diseño concurrente del prototipo. ....................................................................... 17 Figura 2.4 Funcionamiento del pluviómetro de balancín. .................................................... 20 Figura 2.5 Electrodo de vidrio y electrodo de referencia. .................................................... 22 Figura 2.6 Preamplificador de pH. ....................................................................................... 24 Figura 2.7 Diseño conceptual del prototipo. ........................................................................ 25 Figura 2.8 Etapas de medición de precipitación pluvial....................................................... 25 Figura 2.9 Etapas de medición de pH................................................................................... 26 Figura 3.1 Elementos de la tarjeta electrónica...................................................................... 27 Figura 3.2 Grabador de memoria SD.................................................................................... 32 Figura 3.3 Módulo grabador de memoria SD....................................................................... 33 Figura 3.4 Diagrama electrónico de las tres fuentes de alimentación. ................................. 35 Figura 3.5 Voltaje ideal del electrodo de medición de pH. .................................................. 36 Figura 3.6 Voltaje real del electrodo de medición de pH..................................................... 37 Figura 3.7 Conexión del electrodo de pH............................................................................. 38 Figura 3.8 Amplificación de la señal de pH. ........................................................................ 39 Figura 3.9 Ajuste de cero de la señal de pH. ........................................................................ 40 Figura 3.10 Ajuste de pendiente. .......................................................................................... 41 Figura 3.11 Inversión de la señal de pH. .............................................................................. 42 Figura 3.12 Diagrama electrónico del circuito de medición de pH...................................... 43 Figura 3.13 Circuito de adquisición y procesamiento de datos y de control........................ 44 Figura 3.14 Diagrama a bloques de la electrónica del prototipo. ......................................... 45 Figura 3.15 Aspecto físico de la tarjeta electrónica.............................................................. 46 Figura 3.16 Mecanismo de manipulación del electrodo, electroválvula y recipientes......... 47 Figura 3.17 Aspecto físico del prototipo. ............................................................................. 47 Figura 4.1 Diagrama de flujo de funcionamiento del prototipo. .......................................... 48 Figura 4.2 Pluviómetro y detalle del contacto magnético. ................................................... 49 Figura 4.3 Conexión del contacto del pluviómetro con el microcontrolador....................... 49 Figura 4.4 Pulso generado por el cierre del contacto del pluviómetro. ................................ 50

IV

Figura 4.5 Fases de la conversión analógica a digital. ......................................................... 50 Figura 4.6 Diagrama a bloques del convertidor A/D............................................................ 51 Figura 4.7 Conexión del circuito de medición de pH con el microcontrolador. .................. 52 Figura 4.8 Gráfica 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 Señal modulada en ancho de pulso. .................................................................. 57 Figura 4.15 Interfaz hombre - máquina. ............................................................................... 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 ácida................................................................................. 11 Tabla 2.1 Características de la medición de pH en el Centro de Ciencias de la Atmósfera. 18 Tabla 2.2 Especificaciones del prototipo.............................................................................. 19 Tabla 2.3 Pluviómetros de balancín. .................................................................................... 20 Tabla 2.4 Sistemas de medición de pH................................................................................. 21 Tabla 2.5 Electrodos combinados para medición 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 electrónicos del módulo................... 34 Tabla 3.7 Consumo de corriente del amplificador operacional............................................ 34 Tabla 3.8 Consumo de corriente de la electroválvula. ......................................................... 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 ténicas del medidor de pH del prototipo................................... 63

VI

Abreviaturas. ADC

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

CCA

Centro de Ciencias de la Atmósfera

CENIDET

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

DF

Distrito Federal

EEPROM

Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (Memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente)

FAT

File Allocation Table (Tabla de asignación de archivos)

IIC ó 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 líquido)

LSB

Lowest Significant Bit (Bit menos significativo)

PCB

Printed Circuit Board (Placa de circuito impreso)

PIC

Peripheral Interface Controller (Controlador de interfaz de periférico)

PWM

Pulse Width Modulation (Modulación 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 Atmosférico

SMA

Secretaría del Medio Ambiente

SPI

Serial Peripheral Interface (Interfaz de periférico serie)

TTL

Transistor-Transistor Logic (Lógica transistor a transistor)

UNAM

Universidad Nacional Autónoma de México

USB

Universal Serial Bus (Bus serie universal)

VII

Nomenclatura. GAmplificación

Ganancia de la etapa de amplificación de señal

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

México

pF

Pico Faradios

pH

Potencial de Hidrógeno

Ri

Input resistance (Resistencia de entrada)

Vin

Voltaje de entrada

Vio

Input Offset Voltage (Voltaje de compensación de entrada)

Vout

Voltaje de salida

Vref –

Voltaje de referencia negativo

Vref+

Voltaje de referencia positivo

Z

Impedancia

α Vio

Coeficiente térmico del voltaje de compensación

∆°C

Cambio de temperatura en grados Celsius

∆µV

Cambio de micro volts

Ω Ohm

Diseño y Construcción de un Prototipo Mecatrónico para Medir y Registrar la Precipitación Pluvial y su pH

1

1 Introducción.

1.1 Antecedentes.

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

Figura 1.1 Ciclo hidrológico.

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


2

Figura 1.2 Milímetros de precipitación pluvial.

1.1.2 Lluvia ácida. Tanto las fuentes naturales como las antropogénicas* emiten dióxido de carbono a la atmósfera, que al reaccionar con el agua presente en la atmósfera produce el ácido carbónico, ocasionando una ligera acidez en la lluvia [1.1]. El proceso de formación del ácido carbónico se representa en la figura 1.3.

Figura 1.3 Proceso de formación del ácido carbónico.

Algunos gases emitidos por las industrias contienen también óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno que reaccionan con el vapor de agua de la atmósfera, formando los ácidos sulfúrico y nítrico, los cuales incrementan la acidez de la lluvia. Este fenómeno se denomina lluvia ácida, el cual se representa en la figura 1.4.

Figura 1.4 Proceso de formación de la lluvia ácida.

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


3

La lluvia ácida afecta de diversa manera la flora terrestre, la agricultura, los cuerpos de agua, la flora y fauna acuática, los suelos, los mantos de aguas subterráneas, las estructuras, los edificios y los monumentos históricos [1.3]. Los efectos nocivos de la lluvia ácida sobre el medio ambiente son notables. El agua de los lagos, canales y ríos se vuelve más ácida, provocando la desaparición de la vida animal y vegetal: peces, líquenes, musgos y hongos. En los bosques, la presencia arbórea disminuye, lo cual reduce la emisión de oxígeno, daña al medio ambiente e incrementa la posibilidad de avalanchas y corrimientos de tierra, poniendo en peligro las poblaciones cercanas. El proceso de acidificación también puede reducir la fertilidad de los suelos y liberar metales que pueden dañar a los microorganismos de la tierra, así como a pájaros y mamíferos superiores de la cadena alimenticia, e incluso al ser humano. Estos daños al medio ambiente ocasionados por la lluvia ácida son preocupantes. Se dedican enormes esfuerzos para conocer las causas sobre la formación de las lluvias ácidas y los mecanismos para reducirlas [1.3]. En México, la Secretaría del Medio Ambiente del Distrito Federal cuenta con el sistema de monitoreo atmosférico de la Ciudad de México, el cual a través de una red de depósito atmosférico colecta muestras de depósito húmedo (lluvia, granizo, niebla, llovizna) y de depósito seco (polvos, partículas), con el propósito de ampliar el conocimiento acerca del flujo de sustancias tóxicas de la atmósfera hacia la superficie terrestre y la formulación de estrategias para su mitigación y control [1.1]. El organismo encargado de recolectar y analizar las muestras es el departamento de contaminación ambiental del Centro de Ciencias de la Atmósfera de la Universidad Nacional Autónoma de México. Cualquier organismo o grupo de investigación encargado de recolectar y analizar las muestras de lluvia utiliza una metodología y equipo específicos para muestreo y análisis de la precipitación húmeda y seca. El Centro de Ciencias de la Atmósfera utiliza un sistema automático donde se separa la porción seca de la húmeda. El equipo tiene una cubeta para el depósito seco y otra para el depósito húmedo, 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 depósito húmedo. Al dejar de llover, el techo regresa a su posición inicial. En la figura 1.5 se aprecia dicho sistema.


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Figura 1.5 Muestreador de depósito seco y húmedo.

A las muestras acumuladas de 6 días de depósito húmedo (lluvia) se les determina el valor de pH en campo y después se almacenan en botellas de polietileno para ser transportadas y almacenadas, ver figura 1.6.

Figura 1.6 Almacenamiento de las muestras de depósito húmedo.

En el laboratorio, a las muestras de depósito húmedo se le hacen mediciones de pH, conductividad eléctrica, concentración de sulfatos, nitratos, cloruros, potasio, amonio, sodio, magnesio y calcio, ver figura 1.7.

Figura 1.7 Mediciones de las muestras de depósito húmedo.


5

El muestreador de depósito húmedo y seco permite conocer sólo el pH de una cantidad acumulada de lluvia. Sin embargo no permite conocer el pH de la lluvia en tiempo real. Además, cada determinado tiempo el operador del equipo debe ir a medir el pH de la muestra con un medidor portátil de pH, para después almacenar la muestra de lluvia para que sea analizada en el laboratorio y se le determine nuevamente el pH, además de otros parámetros.

1.2 Planteamiento del problema. El departamento de contaminación ambiental del Centro de Ciencias de la Atmósfera tiene la necesidad de contar con un dispositivo que mida y registre de forma automática y en tiempo real el valor de la precipitación 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 podrá determinar la desviación que pudiera existir entre el valor de la medición de pH realizada en campo y de la realizada en el laboratorio. Para atender esa necesidad, se planteó este trabajo de tesis que consistió en diseñar y construir un prototipo capaz de realizar y registrar mediciones de la precipitación pluvial y su pH de forma automática y en tiempo real. De cualquier manera se está proporcionando un instrumento que obtiene y registra información de la precipitación pluvial y su pH, información que podrá ser utilizada en diferentes estudios que involucren la acidez de la lluvia.

1.3 Hipótesis y justificación. Con base en el planteamiento del problema, se establece la siguiente hipótesis: Es factible diseñar y construir un prototipo capaz de realizar y registrar mediciones de la precipitación pluvial y su pH de forma automática y en tiempo real, para aplicarlo en la recogida y medición de muestras de lluvia que realiza el Centro de Ciencias de la Atmósfera.

Figura 1.8 Planteamiento de la hipótesis.


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La justificación para diseñar y construir el prototipo antes mencionado es porque los equipos similares a este que existen en el mercado son bastante caros, y con el diseño propio se pretende economizar en su construcción. De esta manera se está desarrollando tecnología nacional para reducir la dependencia tecnológica de otros países. Además, se habrá ampliado la línea de investigación de automatización de procesos, con el tema de automatización de estaciones meteorológicas, pudiéndose incorporar en un futuro otro tipo de instrumentos ambientales automatizados. Cabe mencionar que con el desarrollo del presente trabajo el tesista habrá adquirido conocimiento sobre el diseño y construcción de circuitos electrónicos para instrumentos de medición. También habrá adquirido la experiencia en el diseño metodológico para hacer un proyecto tecnológico, que le ayudará en el desarrollo de futuros proyectos.

1.4 Estado del arte.

1.4.1 Medición del pH de la lluvia en tiempo real. El pH (potencial de hidrógeno) es una medida de la acidez o basicidad de una disolución [1.4]. La medición de pH de una disolución acuosa consiste en determinar la concentración de iones hidrógeno presentes en la disolución. Esta concentración está directamente relacionada con el carácter ácido, neutro o básico de la disolución. La lluvia que se forma en una atmósfera limpia generalmente tiene cierta acidez causada por la disolución de CO2 atmosférico. 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 tóxicas que emiten las industrias se encuentran los hidrocarburos, el monóxido de carbono, el bióxido de azufre, los óxidos de nitrógeno, el clorofluorocarbono, el ozono, etcétera. Algunos de estos contaminantes, en particular los óxidos de azufre y de nitrógeno, en presencia de humedad atmosférica dan lugar a reacciones químicas que producen ácidos, principalmente sulfúrico (H2SO4) y nítrico (HNO3), originando así, la lluvia ácida. Este proceso origina un decremento del pH hasta valores que fluctúan entre 5 y 3, y que incluso en algunos casos pueden ser menores [1.3]


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Los estudiosos del medio ambiente identifican la acidez de la lluvia como un parámetro de suma importancia, ya que de esa acidez se pueden derivar trabajos de investigación relacionados con el origen de ésta, las sustancias que la están generando y donde se está generando, ya que los gases con compuestos que causan acidez en la lluvia se pueden trasportar grandes distancias, dependiendo de las condiciones climatológicas. Asimismo, es necesario saber si la acidez de cuerpos de agua alejados de posibles fuentes contaminantes de origen industrial, como descargas de aguas residuales, está siendo alterada, ya que las precipitaciones con alta acidez pueden relacionarse con enfermedades o disminución de vida de los ríos 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 parámetro relacionado con la concentración de iones hidrógeno, y al mezclarse el agua de lluvia con partículas suspendidas en el aire, y al reaccionar con la radiación solar, podría haber variaciones del valor de pH. De esta manera, al medir el pH de una cantidad de lluvia acumulada después de algunos días, en realidad se estará midiendo el pH de una nueva solución, 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 mencionó anteriormente que el Centro de Ciencias de la Atmósfera tiene sistemas automáticos para recolectar el depósito seco (polvos, partículas) y el húmedo (lluvia, granizo, niebla, llovizna). Estos colectores forman parte del equipo de las estaciones de meteorológicas de la red de depósito atmosférico.

1.4.2 Analizadores de lluvia ácida. Los equipos automáticos para medir la precipitación pluvial y su pH en tiempo real, se denominan analizadores de lluvia ácida. Una investigación con los fabricantes de equipo meteorológico a nivel mundial permitió conocer diversos modelos de analizadores de lluvia ácida. MONITOR DE LLUVIA ÁCIDA AR-108SN.- Este dispositivo mide el pH, la conductividad y la temperatura del agua de lluvia cada 0.5 mm de precipitación pluvial. En la figura 1.9 se aprecia su aspecto físico.


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

Fuera del gabinete del equipo monitor está montado un pluviómetro de balancín. Dentro del gabinete está la unidad de medición de precipitación y de pH. Los datos procesados de los sensores se almacenan en una memoria compact Flash. También 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 ácida.

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


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ANALIZADOR AUTOMÁTICO DE PRECIPITACIÓN NMO 191/E.- Este analizador de lluvia ácida realiza mediciones en tiempo real de pH, conductividad eléctrica y cantidad e intensidad de precipitación. En la figura 1.11 se aprecia su aspecto físico.

Figura 1.11 Analizador de lluvia ácida 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 medición. Ahí primero pasa a través del electrodo de pH (volumen aproximado de 0.5 ml) y después 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 AUTOMÁTICO DE LLUVIA ÁCIDA CPH-004.- Este dispositivo analiza automáticamente los parámetros trazadores en el control de la lluvia ácida: pH, conductividad, precipitación y temperatura, además de compensación y cálculo de los valores descritos en función de la temperatura real de la muestra. En la figura 1.13 se aprecia su aspecto físico exterior.

Figura 1.13 Analizador de lluvia ácida CPH-004.

Un sistema con microprocesador controla el funcionamiento del equipo desde que se produce la lluvia hasta la elaboración de los resultados y su visualización simultánea en una pantalla alfanumérica, además 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 cúpula semiesférica protege el colector de lluvia durante los momentos de ausencia de la misma, evitando cualquier interferencia por deposición seca. Una vez detectada la lluvia, se abre la cúpula y deja al descubierto el embudo colector del pluviómetro durante el tiempo que dure la lluvia, recogiéndose así las muestras de precipitación en el sistema. La cúpula se cierra automáticamente al finalizar la lluvia. En la parte superior del gabinete del equipo se encuentra el sistema de colección, análisis y unidad de control, y en la parte inferior está 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 características técnicas de los tres analizadores de lluvia ácida descritos anteriormente.

Tabla 1.1 Analizadores de lluvia ácida. Fabricante / Nombre Modelo

Kimoto Electric Co. / Acid Rain Monitor

AR – 108SN

Eigenbrodt GMBH&Co. /

Automatic precipitation analyser

NMO 191/E

MCV, S. A. / Analizador automático

de lluvia ácida

CPH – 004 Precipitación pluvial

Método:

Pluviómetro de balancín



Resolución:

0.5 mm 0.05 mm 0.1 mm

Precisión:

± 1 % ± 1 % ± 3 %

pH

Método:

Electrodo combinado de vidrio

Electrodo combinado de vidrio relleno de

gel

Electrodo combinado de larga duración y bajo mantenimiento

Resolución:

0.01 pH 0.01 pH 0.1 pH

Rango:

0 – 10 pH 0 – 14 pH 0 – 14 pH

Precisión:

- - - - - - ± 0.01 pH

Conductividad eléctrica

Método:

Sensor de micro Siemens de 2 polos

Celda de conductividad

Célula de platino

Resolución:

- - - 0.5 % del rango de medición

± 1 µS

Rango:

0 a 500 µS/cm 0 a 1999 µS/cm 0 a 500 µS

Características adicionales

Memoria de datos extraíble

SI NO NO

Pantalla alfanumérica

SI SI SI

Costo

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


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1.5 Solución propuesta. Para atender la necesidad de medir la lluvia y su pH en forma automática, en este trabajo de tesis se planteó diseñar y construir un prototipo capaz de realizar dichas mediciones, para lo cual se propone diseñar, construir y programar un módulo electrónico para adquirir, procesar y almacenar los datos de los instrumentos de medición, así como para controlar la operación de los mismos. Teniendo como interfaz hombre – máquina una pantalla de cristal líquido alfanumérica para visualizar los datos, y una memoria extraíble SD para almacenarlos. Lo anterior se representa en la figura 1.14.

Figura 1.14 Solución propuesta.

1.6 Objetivos.

1.6.1 Objetivo general. El objetivo general es diseñar, construir y probar el funcionamiento de un prototipo compuesto de la integración de un pluviómetro y un sensor de pH, y un módulo electrónico de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos, y de control.


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1.6.2 Objetivos particulares. a) Diseñar, simular y construir el módulo electrónico de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos, y de control. b) Integrar el pluviómetro y el sensor de pH para conformar el prototipo. c) Obtener y registrar la precipitación 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 mecatrónico automático con utilidad en sistemas de monitoreo de condiciones ambientales, como la precipitación pluvial y su acidez. El cual cumple las necesidades de un usuario específico de este tipo de equipos. Escribir un artículo técnico de los resultados de este trabajo de investigación y su utilidad en el campo de la investigación ambiental. Con base en el trabajo de investigación, integrar un documento de tesis para ser defendido ante un jurado para la obtención del grado de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica.

1.8 Alcance. El prototipo tiene aplicación en el campo de la investigación hidrológica y medio ambiental. Sin embargo, este trabajo de investigación se enfoca al diseño del prototipo, tomando como base la aplicación de la electrónica, la programación de circuitos integrados y el diseño de mecanismos, mediante una integración sinérgica.


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1.9 Organización de la tesis. Capítulo 1. Introducción. Se presentan los antecedentes sobre la existencia de la lluvia ácida. Se plantea el problema a resolver en este trabajo y la solución propuesta. Se estudia el estado del arte de la medición del pH de la lluvia en tiempo real y los instrumentos comerciales para realizar estas mediciones. Capítulo 2. Diseño general del prototipo. Se presenta un bosquejo de la metodología de diseño empleada en el diseño y la construcción del prototipo. Se obtienen las especificaciones técnicas del prototipo, se realiza la selección del pluviómetro y del sensor de pH, y se bosqueja el diseño conceptual del prototipo. Capítulo 3. Diseño electrónico del prototipo. Se realiza un diagrama a bloques que representa los bloques funcionales del módulo electrónico. Se seleccionan los componentes electrónicos del módulo. Se calcula y diseña el circuito de medición de pH. Se diseña el circuito de adquisición y procesamiento de datos y control. Se habla sobre el diseño de la tarjeta de circuito impreso del módulo electrónico. Se lleva a cabo la integración de las diversas partes del prototipo. Capítulo 4. Programación 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 – máquina. Capítulo 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. Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones. Se llegan a las conclusiones en términos técnicos y económicos. Se hacen algunas recomendaciones para trabajos futuros.


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2 Diseño general del prototipo.

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

Figura 2.1 Proceso lineal de diseño en ingeniería.

En el proceso de diseño, 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 gráficas. Estos croquis iniciales registran


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las imágenes fugaces de la mente y comunican las ideas iniciales. Esta fase de la ingeniería de diseño algunas veces se conoce como ideación y el medio de comunicación lo constituyen modelos por computadora o croquis. En la etapa 3 se elige una solución (o soluciones) a partir de una colección de croquis. En esta fase, a medida que la solución del problema se vuelve más clara, se refinan los croquis o modelos de diseño 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 diseño final. Después de seleccionar la solución de diseño final, ésta debe documentarse o registrarse (etapa 6), con el detalle suficiente para que el producto pueda fabricarse o construirse. Una vez hecho esto, el diseño se archiva para fines de referencia o modificación [2.1]. Las técnicas de diseño, análisis y comunicación modernas están cambiando el papel tradicional de los ingenieros. El proceso de diseño en la industria se está desplazando de una actividad lineal y segmentada a una actividad conjunta, que involucra todas las áreas de la empresa y que emplea computadoras como herramientas principales [2.1]. Esta nueva forma de diseño, con su enfoque de equipo integrado, recibe el nombre de ingeniería concurrente. La ingeniería concurrente involucra la coordinación de funciones técnicas y no técnicas del diseño y la manufactura dentro de una empresa. En la figura 2.2 se representa la ingeniería concurrente. Este cambio en el diseño ha dado como resultado una innovación importante en la forma en que los ingenieros realizan su trabajo [2.1].

Figura 2.2 Proceso de diseño de ingeniería concurrente.


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En el desarrollo del prototipo se utilizó el proceso de diseño de ingeniería concurrente. En la parte de ideación se consideró el problema a resolver, que es la necesidad de contar con un dispositivo para medir y registrar automáticamente y en tiempo real la precipitación pluvial y su pH. También se tenía la idea desde un principio que se utilizaría un pluviómetro al que se le adaptaría un medidor de pH. Para llegar al diseño preliminar se tomó en cuenta la etapa de refinamiento que tiene que ver con el diseño del prototipo y la etapa de implantación, en la cual está incluido el aspecto de las finanzas o recursos disponibles para construir el prototipo. En la parte de refinamiento se desarrolló principalmente el diseño de la parte electrónica del prototipo, a partir de los cálculos realizados, como el caso del circuito de medición de pH y las fuentes de alimentación. En la parte de implantación, se analizó el costo que representaría cada solución propuesta en las otras dos etapas, de forma que además de elegir la más conveniente, se buscó que fuera económicamente viable, y que se dispusiera de la suficiente documentación y hojas técnicas para poder implementar dicha solución. Como ejemplo, la selección de la memoria de almacenamiento de datos del prototipo. En la figura 2.3 se muestran algunos aspectos clave del diseño concurrente del prototipo.

Figura 2.3 Diseño concurrente del prototipo.


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2.2 Aplicación del prototipo. La aplicación de este prototipo será en el Centro de Ciencias de la Atmósfera, y también puede ser en cualquier otra entidad de investigación relacionada e interesada en cuestiones ambientales, para el monitoreo de la cantidad de precipitación pluvial y su pH. En dicho centro se tiene actualmente un muestreador de depósito seco y húmedo, 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 Atmósfera, el programa de muestreo se adoptó de la experiencia y de las recomendaciones referidas en la literatura especializada, así 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 características:

Tabla 2.1 Características de la medición de pH en el Centro de Ciencias de la Atmósfera.

pH Rango

0 a 14.00

Resolución

0.01

Exactitud

± 0.01

Calibración

Uno o dos puntos

Visualización

Pantalla de cristal liquido

Vida de batería

1000 horas

2.3 Determinación de las especificaciones del prototipo. Tomando en cuenta las características del proceso de medición de pH que lleva a cabo el Centro de Ciencias de la Atmósfera, y considerando también la información obtenida de los analizadores de lluvia ácida antes presentados, se establecen las especificaciones para el prototipo, mostrados en la tabla 2.2 y que se consideran adecuadas para la aplicación planteada.


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Tabla 2.2 Especificaciones del prototipo. Fabricante / Nombre Modelo

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

Precipitación pluvial Resolución:

Deseable ≤ 0.5 mm

Precisión:

Deseable ≤ ± 1 %

pH Resolución:

0.01 pH

Rango:

Mínimo, 0 – 10 pH

Precisión:

Deseable ≤ ± 0.01 pH

Características adicionales

Memoria de datos extraíble

SI

Pantalla alfanumérica SI

2.4 Selección del dispositivo de medición de precipitación pluvial.

El pluviómetro de balancín es el instrumento más empleado para medir la precipitación 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 balancín. Cuando un recipiente se llena lo suficiente, el peso del agua ocasiona que el recipiente oscile sobre el balancín, de forma que se vacíe el agua de este recipiente y que el otro recipiente se coloque en una posición para ser llenado. Cada que ocurre la oscilación de los recipientes se produce el cierre momentáneo de un interruptor magnético. El volumen al que el recipiente oscila está 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 número de veces que se cierra el


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

Figura 2.4 Funcionamiento del pluviómetro de balancín.

La medición de la precipitación pluvial utilizando el pluviómetro de balancín y el registrador electrónico de datos es la forma más común que existe, ya que presenta la facilidad de convertir los datos en información digital, que puede manejarse convenientemente con equipos electrónicos, razón por la cual en este prototipo de tesis se emplea un pluviómetro de balancín para medir la precipitación. En la tabla 2.3 se presentan algunos modelos de pluviómetros de balancín de los principales fabricantes de instrumentos meteorológicos.

Tabla 2.3 Pluviómetros de balancín. Modelo de

Pluviómetro

(Marca)

Exactitud Resolución

(mm)

Señal de Salida

Adquisidor de datos

(Datalogger)

Costo (MX)

Pluviómetro 52202

(CAMPBELL SCIENTIFIC)

± 2 %

0.1

Contacto

magnético

- - - - -

$ 4,000

P. Balancín 200 cm2

(CASELLA)

± 1 %

0.2

Contacto

magnético

- - - - -

$ 2,000

Rain Collector 7852

(DAVIS)

± 4 %

0.25

Contacto

magnético

- - - - -

$ 1,265


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Los tres pluviómetros tienen su salida de cierre de un contacto, lo que los hace adecuados para los requerimientos de este prototipo. Pero es el pluviómetro modelo “Rain Collector 7852” el que tiene un costo más bajo, y además cumple con el requisito de tener una resolución menor a 0.5 mm. Por lo tanto se selecciona este pluviómetro para conformar el prototipo.

2.5 Selección del dispositivo de medición de pH. Los sistemas de medición de pH se pueden clasificar en: sensores ópticos y sensores electroquímicos [2.3]. Los sensores ópticos basan su principio de funcionamiento en un indicador que cambia de color en función del pH con el que entra en contacto. Los sensores electroquímicos de pH utilizan dispositivos que transforman la actividad química del ión de hidrógeno en una señal eléctrica. En esta categoría se encuentran los electrodos de ión selectivo, entre los que destaca el electrodo de vidrio sensible al ión hidrógeno. Una comparación de los sistemas de medición de pH se muestra en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Sistemas de medición de pH. Sistema de medición de pH

Rango pH Impedancia de salida

Mantenimiento Señal 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 Húmedo Voltaje proporcional

al pH

Medio

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


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Por otro lado, el electrodo de vidrio para medición de pH es el método más común y más utilizado para medir el pH, además de que es mucho más económico que el ISFET. Asimismo hay bastante información sobre la medición de pH por medio del electrodo de vidrio. Por tal motivo se opta por utilizar el método 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 hidrógeno. En la parte interna de esta membrana se encuentra una solución de cloruro tampón de pH constante dentro de la cual está inmerso un hilo de plata recubierto de cloruro de plata [2.4]. Aunque el mecanismo que permite que el electrodo de vidrio mida la concentración de ión hidrógeno no es exactamente conocido, está establecido que al introducir el electrodo en el líquido se desarrolla un potencial relacionado directamente con la concentración del ión hidrógeno del líquido. Es decir, si esta concentración es mayor que la interior del electrodo existe un potencial positivo a través 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 solución de un segundo elemento o electrodo de referencia. Éste, 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 célula 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 solución muestra a través de una unión liquida. De este modo, la célula interna del electrodo permanece en contacto con una solución que no varía de concentración 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 práctica se tienen integrados estos dos electrodos combinados en uno solo, denominado electrodo combinado de vidrio para medición de pH. Una comparativa de algunos electrodos combinados de vidrio para medición de pH se muestra en la tabla 2.5.

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

(marca) Impedancia

(Ω) 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 epóxica

$ 1,500

Wd3580506

(OAKTON)

1012

Resina epóxica

$ 1,070

La señal de voltaje que proporciona el electrodo se encuentra en el rango de mili volts, y es de muy alta impedancia (1012 Ω) debido a la elevada resistencia del circuito del electrodo, que en realidad es una celda electroquímica. Esto significa que la corriente que proporciona el electrodo es demasiado pequeña, lo cual dificulta el manejo de la información. 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 más bajo, razón por la cual se seleccionó 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 más económico que adquirir un electrodo con el preamplificador incluido, y se cumple la misma función, 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 operación: 0 a 60 °C

2.6 Diseño conceptual del prototipo. El esquema del diseño conceptual del prototipo, en el que se aprecia el pluviómetro de balancín, el módulo electrónico para adquirir, procesar y almacenar la información del pluviómetro y del electrodo de medición de pH, y el mecanismo para mover el electrodo de medición de pH, se muestra en la figura 2.7. Cuando se presenta una lluvia, el agua que se acumula en un cangilón del pluviómetro provoca la oscilación de éste y el cierre del contacto del pluviómetro. De esta manera se inicia el funcionamiento del prototipo. Al recolectar una determinada cantidad de agua en el recipiente de recolección, un mecanismo de servomotores se encarga de mover el electrodo de medición de pH desde el recipiente de almacenamiento (ya que el electrodo debe estar permanente inmerso en una solución acuosa) hasta el recipiente de recolección de agua. La interfaz hombre – máquina permite visualizar, en una pantalla de cristal liquido alfanumérica, el valor de las mediciones de precipitación y pH en tiempo real. Así mismo se tiene un grupo de botones para ingresar a un menú de opciones para ajustar el reloj del prototipo e ingresar a la modalidad de calibración del electrodo, para lo cual se usan dos perillas de ajuste. Para obtener los datos, se emplea la memoria extraíble 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 Diseño conceptual del prototipo.

2.6.1 Medición de precipitación y su pH. El pluviómetro de balancín es el que se utilizó. Se diseñó, construyó y programó la parte electrónica de adquisición, procesamiento y almacenamiento de la información de precipitación pluvial obtenida por el pluviómetro. Ver Anexo 1 Especificaciones técnicas del pluviómetro. Las etapas de medición de precipitación pluvial de este prototipo se muestran en la figura 2.8.

Figura 2.8 Etapas de medición de precipitación pluvial.

Se empleó un electrodo de vidrio para medición de pH como elemento sensor. Además se empleó un preamplificador de ganancia unitaria de pH para acoplar impedancias.


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Se diseñó y construyó un circuito electrónico con amplificadores operacionales para acondicionar el voltaje proporcionado por el electrodo, y poder introducir esta señal al convertidor analógico – digital de un microcontrolador, el cual se encarga de procesar esta información y proporcionar un valor de pH. Las etapas de medición de pH de este prototipo se muestran en la figura 2.6.

Figura 2.9 Etapas de medición de pH.


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3 Diseño electrónico del prototipo.

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

Los elementos del módulo electrónico para adquirir, procesar y almacenar los datos de los instrumentos de medición, así como para controlar la operación de los mismos dentro del prototipo, se muestran en la figura 3.1.

Figura 3.1 Elementos de la tarjeta electrónica.

3.2 Selección de componentes del módulo electrónico. Se realizó una revisión de las necesidades técnicas del prototipo para, a partir de éstas, seleccionar los circuitos integrados que conforman el módulo electrónico.


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3.2.1 Selección de los amplificadores operacionales. Los parámetros de entrada más comunes de un amplificador operacional son [3.1]: 1. Voltaje de compensación 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 compensación de la salida es cero. 2. Coeficiente térmico del voltaje de compensación, α Vio. Es la razón de los cambios del voltaje de compensación de entrada con respecto a la temperatura ambiente. ∆µV / ∆°C. 3. Voltaje de alimentación. Es el intervalo de voltaje máximo 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.

(µV / °C)

Voltaje de alimentación

(Volts)

Impedancia de entrada (Ω || 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 además presenta poco voltaje de compensación, 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 compensación. Se selecciona el TL084 por el beneficio de sus características técnicas en relación a su bajo costo.


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3.2.2 Selección 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, sólo sirve para realizar la tarea asignada. La utilización de un microcontrolador en un circuito reduce notablemente el tamaño y número de componentes y, en consecuencia, disminuye el número de averías y el volumen y el peso de los equipos entre otras ventajas [3.2]. En los últimos años han tenido gran auge los microcontroladores PIC fabricados por Microchip Technology Inc. Los PIC son una familia de microcontroladores que ha tenido gran aceptación y desarrollo en los últimos años gracias a que sus buenas características, bajo precio, reducido consumo, pequeño tamaño, gran calidad, fiabilidad y abundancia de información, lo convierten en muy fácil, cómodo y rápido de utilizar [3.2]. Para hacer una selección del microcontrolador se toman en cuenta estos factores primordiales: Existencia en el mercado.- Debe ser fácil de encontrar ya que se podrían requerir repuestos del microcontrolador. Además hay algunos fabricantes que proporcionan muestras gratis de algunos de sus modelos. Disponibilidad de información técnica.- Es preferible contar con bibliografía que explique cómo programar el dispositivo y algunos ejemplos (además de la hoja de datos técnicos). Disponibilidad y costo de las herramientas de desarrollo.- Para programar el microcontrolador y grabar el programa en éste, se necesitan recursos de software y de hardware (grabador del programa del microcontrolador), los cuales son propios de cada fabricante y específicos para cada modelo de microcontrolador. Los microcontroladores PIC, pertenecientes a la marca Microchip®, cumplen favorablemente con las características antes descritas, debido a que:

• Son los que existen en mayor proporción en el mercado Mexicano y además se pueden obtener muestras gratis de la mayoría de los modelos.


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• Se tiene disponible bastante información sobre su programación en los libros y en Internet. Esta marca de microcontrolador es la que más se utiliza en los cursos académicos, 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 página 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 operación

(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

Número de terminales de entrada/salida

22 33 22 33

Periféricos SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

SPI, I2C, USART

Bits de resolución 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 tamaño 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 reúne las mayores prestaciones es el PIC16F877, por tal motivo se selecciona éste.


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3.2.3 Selección 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 día. Se emplea usualmente en computadoras y aparatos electrónicos que necesitan almacenar el tiempo del día. 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 información junto con los datos de precipitación 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

comunicación Incluye batería de

respaldo Costo (MX)

DS12C877 Bus de 8 datos y 4 líneas de control

SI $ 108

DS1302 3 líneas serial

NO (se coloca aparte)

$ 11

DS1307 2 líneas serial (I2C)

NO (se coloca aparte)

$ 11

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

3.2.4 Selección de la memoria de datos. La memoria de datos del prototipo almacena la información de precipitación pluvial y pH junto con la fecha y hora de ocurrencia de estos eventos. Se requiere que la memoria sea de gran capacidad y fácil conexión al microcontrolador, además de que sea accesible en cuanto a costo e información técnica disponible sobre su manejo. En la tabla 3.4 se aprecia una comparativa de los tipos de memoria más comunes.


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Tabla 3.4 Tipos de memorias. Memoria de datos Protocolo de

comunicación 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 económica, 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, razón por la cual se elige este tipo de memoria.

3.2.5 Selección del grabador de memoria SD. Para hacer más accesible el almacenamiento de la información 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. Éste es un dispositivo que integra una interfaz para crear archivos de texto, los cuales pueden ser leídos en cualquier computadora. Así 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 éste procesa la información que recibe y la almacena en una memoria SD formateada en modo FAT16 ó FAT32. FAT (File Allocation Table o Tabla de asignación 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 área de almacenamiento en un disco duro. De esta forma la información 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 comunicación

Capacidad de almacenamiento

Costo (MX)

Logomatic Serial SD Datalogger

Comandos en forma serial

Memoria SD de 1 GB

$ 1,155

MMSD3F

Programación 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 más bajo es el módulo uMMC, razón por la cual es el grabador que se emplea en este prototipo. Para comunicarse con el uMMC se emplea un protocolo asíncrono serial. Es decir, se envían los comandos en código ASCII en forma serie, y el módulo regresa una respuesta. En la figura 3.3 se muestra este dispositivo.

Figura 3.3 Módulo grabador de memoria SD.

3.3 Diseño de las fuentes de alimentación. Para determinar el consumo de energía del prototipo se obtuvieron, de las hojas de datos técnicas de cada componente, los datos de consumo máximo de corriente. Ver tabla 3.6.


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Tabla 3.6 Consumo de corriente de los componentes electrónicos del módulo. Componente

Modelo Consumo máximo 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 líquido JHD204 2 Reloj de tiempo real DS1307 1.5 Relevador electromecánico 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 medición de pH se emplea una fuente simétrica 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 cuádruple

TL084 5.6

Total 5.6 Para activar la bobina de la electroválvula 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 metálico TO3, el cual soporta 2 ampere. La solenoide de la electrovávula sólo funciona cuando se requiere mover el electrodo, cuando llueve. Ver tabla 3.8.

Tabla 3.8 Consumo de corriente de la electroválvula. Componente


mA Solenoide de la electroválvula

MH19C 1580

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


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funcionen adecuadamente. En la figura 3.4 se muestra el diagrama electrónico de las tres fuentes de alimentación.

Figura 3.4 Diagrama electrónico de las tres fuentes de alimentación.


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3.4 Proceso de calibración del electrodo de medición de pH. En lo referente a la calibración, se tienen tres aspectos: calibración, ajuste e inspección. En metrología, la “calibración” es el proceso de observar y documentar cualquier desviación. El valor medido se compara con un valor fijado, y se anota su desviación. De cualquier forma, el instrumento seguirá indicando el valor incorrecto, pero se conoce su desviación del valor fijado. El “ajuste” consiste en emparejar el instrumento de medición a la desviación observada en la calibración. Ahora, el instrumento muestra el valor correcto. La “inspección” es la verificación oficial hecha por la pertinente autoridad en calibración nacional o regional, que asegura que el instrumento permanece dentro de los límites de error admitidos por la metrología legal. Por tanto, estrictamente hablando, el término calibración no incluye el proceso de fijar o ajustar el instrumento. Sin embargo, por lo general se emplea la palabra calibración para cubrir el proceso de ajuste y calibración [3.6]. La medición de pH con el método del electrodo combinado de vidrio consiste en un electrodo que proporciona un voltaje que está en función del pH de la solución acuosa en la que esté inmerso este electrodo, de manera que si se mide el voltaje en la escala adecuada, se puede conocer el valor de pH de la solución. El voltaje que suministra el electrodo es inversamente proporcional al pH de la solución, siendo cero en 7 pH. La variación es de 59.2 mV por unidad de pH a 25 °C. Esta ganancia de voltaje depende también de la temperatura, pero la variación es muy pequeña, por lo que no se considera en el diseño del sistema de medición de pH de este prototipo. En la figura 3.5 se muestra el voltaje ideal que proporciona un electrodo de medición de pH.

Figura 3.5 Voltaje ideal del electrodo de medición de pH.


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Sin embargo, en la realidad se presentan dos desviaciones del comportamiento teórico, que son: 1) Desviación del punto cero del electrodo, es decir que en 7 pH el voltaje suministrado por el electrodo sea diferente de cero. 2) Desviación 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 desviación en el “punto cero del electrodo” (en 7 pH), y una desviación en la ganancia de voltaje por unidad de pH, conocida como “pendiente del electrodo”.

Figura 3.6 Voltaje real del electrodo de medición de pH.

El valor neutro de pH es 7, en este punto el voltaje proporcionado por el electrodo teóricamente debería ser 0 (por ello se le conoce como punto cero del electrodo). Sin embargo, en la realidad se presenta una desviación de este punto, la cual es usual, ya que representa las verdaderas características 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 solución patrón de 7 pH.


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El ajuste de la pendiente del electrodo consiste en hacer variar la ganancia de voltaje que éste proporciona. Primero se hace el ajuste de cero, de forma que una vez hecho éste, al hacer el ajuste de pendiente no se vea afectado el punto cero del electrodo ajustado previamente. La calibración del electrodo de pH se realizó en dos puntos, en el intervalo de medición que se esperan sean los valores de la lluvia, que es el rango ácido (menor a pH 7). Se utilizaron soluciones de calibración de 7 y 4 pH. Se confirmó con las mismas soluciones de calibración y se observó que el circuito de medición de pH funcionó adecuadamente.

3.5 Diseño del circuito de medición de pH. En la figura 3.7 se muestra el diagrama de conexión del electrodo de medición de pH, junto con el preamplificador para acoplar impedancias. Más adelante se describe el diseño del circuito con amplificadores operacionales para la medición del pH.

Figura 3.7 Conexión del electrodo de pH.

Las etapas de acondicionamiento de la señal del electrodo con amplificadores operacionales son: 3.5 1 Amplificación de señal 3.5 2 Ajuste de cero 3.5 3 Ajuste de pendiente 3.5 4 Inversión de señal 3.5 5 Conversión analógica a digital


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3.5.1 Amplificación de señal. La resolución que tiene cada bit procedente de la conversión tiene un valor que es función de la tensión de referencia Vref [3.7]. Ver ecuación 3.1.

bitmV

bitmVVV

nrefref 88.4

12)05000(

12Resolución 10 =

−−

=−

−= −+ (3.1)

Para una entrada analógica 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 producirán 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 ecuación 3.2.

271.859.0

888.4==

mVmVGTotal (3.2)

La ganancia total del circuito de medición 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 señal de entrada, el cual tiene la configuración de amplificador no inversor. El valor de esta ganancia se determina en la ecuación 3.3.

VinkkVin

RRVinVout ⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ΩΩ

+⋅=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅= 7.5

17.41

231 (3.3)

Figura 3.8 Amplificación de la señal de pH.


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

troPotenciómeVVVVVout −=−= 565 (3.4)

%02.151.5 POTtroPotencióme KV −= (3.5)

Figura 3.9 Ajuste de cero de la señal 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 realizó una amplificación de señal 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 amplificación con ganancia pequeña y variable. Ver ecuación 3.6 y ecuación 3.7.


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271.87.5 =⋅=⋅= PendientePendienteiónAmplificacTotal GGGG (3.6)

45.17.5

271.8==PendienteG (3.7)

La amplificación requerida es 1.45, sin embargo el circuito se diseña de modo que la ganancia pueda ser más 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 ecuación 3.8.

VinkkVin

RPOTVinVout ⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ΩΩ

+⋅=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅= 6

151

101 (3.8)

Figura 3.10 Ajuste de pendiente.

3.5.4 Inversión de señal. Se debe colocar el voltaje en el rango de 0 a 5 volts para introducirse al ADC del microcontrolador. Para ello se emplea el amplificador restador no inversor. El voltaje de salida de este circuito se muestra en la ecuación 3-9. En donde V12 es el voltaje del divisor de tensión. Ver ecuación 3.10.

VinVVVVout −=−= 121312 (3.9)

%112 55 PKV −= (3.10)


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En la figura 3.11 se muestra el circuito empleado para invertir la señal de pH de modo que el incremento de voltaje sea directamente proporcional al incremento de pH.

Figura 3.11 Inversión de la señal de pH.

3.5.5 Conversión analógica a digital. La digitalización de la señal acondicionada del electrodo de medición de pH se lleva a cabo por medio del convertidor analógico a digital (ADC) de 10 bits del microcontrolador. La señal de voltaje que se obtiene a la salida de los amplificadores operacionales es directamente proporcional al pH de la solución, con pendiente de 488 mv/pH. En la figura 3.12 se muestra el diagrama electrónico del circuito de medición de pH.


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Figura 3.12 Diagrama electrónico del circuito de medición de pH.


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3.6 Diseño del circuito de adquisición y procesamiento de datos y control.

El microcontrolador detecta y cuenta los pulsos de voltaje producidos por el cierre del contacto del pluviómetro, de esta manera se conoce la cantidad de precipitación pluvial. El convertidor analógico a digital de 10 bits del microcontrolador se encarga de convertir la señal proveniente del circuito de medición de pH en un valor digital, el cual es procesado para ser interpretado como un valor de pH. El microcontrolador se comunica con el reloj de tiempo real, por medio del protocolo de comunicación I2C, para obtener la fecha y hora. El mecanismo de manipulación del electrodo de medición de pH está hecho con servomotores de radio control, los cuales reciben del microcontrolador un pulso modulado en amplitud. En la figura 3.13 se presenta el diagrama electrónico completo del circuito de adquisición y procesamiento de datos y de control.

Figura 3.13 Circuito de adquisición y procesamiento de datos y de control.


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3.7 Diseño del módulo electrónico en placa de circuito impreso. En la figura 3.14 se muestra el diagrama a bloques de la electrónica del prototipo. Se aprecia en la parte superior de cada bloque la función del elemento, y en la parte inferior, el dispositivo electrónico principal que conforma dicho elemento.

Figura 3.14 Diagrama a bloques de la electrónica del prototipo.

El circuito de adquisición y procesamiento de datos fue hecho en placa de circuito impreso (PCB, Printed Circuit Board) por medio del programa Altium Protel. Se obtuvo el diseño de PCB y se mandó a hacer a una empresa especializada en la fabricación a pequeña escala de circuitos impresos, denominada “Circuitos Impresos de Morelos”. En la figura 3.15 se muestra el aspecto físico de la tarjeta electrónica. Se prefirió mandar a manufacturar la placa de circuito impreso a la empresa porque allí cuentan con maquinaria especializada que permite obtener mejor acabado y mayor calidad a los circuitos impresos, lo que a largo plazo beneficiará en una mayor duración del prototipo, considerando que se encontrará bajo las condiciones adversas de la intemperie.


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Figura 3.15 Aspecto físico de la tarjeta electrónica.

3.8 Electroválvula y recipientes de recolección y almacenamiento.

El recipiente de almacenamiento contiene una solución acuosa para mantener hidratada la membrana del electrodo de pH. En un evento de lluvia, se mide el pH al agua contenida en el recipiente de recolección y una vez realizada la medición se abre una electroválvula para drenar esta agua.

3.9 Mecanismo de manipulación del electrodo. Este mecanismo se emplea para mover el electrodo de pH desde un recipiente de almacenamiento (ya que el electrodo debe estar permanente inmerso en una solución acuosa) hasta un recipiente de recolección de agua de lluvia cuando se necesite tomar una medición de pH. El mecanismo se construyó utilizando dos servomotores de radio control. En la figura 3.16 se muestran los recipientes y la electroválvula que drena el agua de lluvia recolectada. También se muestra el mecanismo de manipulación del electrodo.

Fuentes de alimentación

Circuito de medición de pH

Relevador para la electroválvula

Microcontrolador

Reloj en tiempo real

Memoria SD

Grabador de Memoria SD

Interruptor general

Fusible


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Figura 3.16 Mecanismo de manipulación del electrodo, electroválvula y recipientes.

En la figura 3.17 se muestra el aspecto físico del prototipo. El prototipo fue fijado al piso por medio de unas zapatas de concreto con tornillos, lo que permite nivelarlo. Se probó en el techo de una casa ubicada en el estado de Morelos.

Figura 3.17 Aspecto físico del prototipo.

Recipiente de recolección Recipiente de

almacenamiento

Electrodo de medición de pH

Electroválvula

Servomotores

Pluviómetro

Interfaz hombre – máquina


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4 Programación del microcontrolador del prototipo.

4.1 Diagrama de flujo del funcionamiento del prototipo. Para controlar el funcionamiento del prototipo se programó el microcontrolador. Los programas se realizaron en lenguaje ensamblador para hacer más eficiente el código y ocupar menos espacio de memoria de programa. En la figura 4.1 se muestra el diagrama de flujo del funcionamiento del prototipo. Los dos posibles estados del prototipo son: operación y menú. En operación, el programa adquiere la información de los sensores y la procesa, lee el reloj de tiempo para obtener la fecha y hora de la medición y almacena esta información en la memoria SD. En menú, se emplea la interfaz hombre – máquina, en donde se tiene la opción de visualizar el valor de pH para calibrar el electrodo y de justar el reloj.

Figura 4.1 Diagrama de flujo de funcionamiento del prototipo.


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4.2 Programación para la operación del prototipo.

4.2.1 Procesamiento de datos del pluviómetro. En la figura 4.2 se muestra el pluviómetro de balancín y el detalle del contacto magnético. Un extremo del contacto del pluviómetro se alimenta con 5 volts de corriente continua; el otro extremo del contacto se conecta a una entrada del microcontrolador. En la figura 4.3 se muestra la forma de conexión del contacto del pluviómetro con el microcontrolador.

Figura 4.2 Pluviómetro y detalle del contacto magnético.

Figura 4.3 Conexión del contacto del pluviómetro con el microcontrolador.

En un pluviómetro de balancín estándar, se produce el cierre del contacto cada que se recolectan 0.25 mm, y por tanto cada pulso equivale a esta cantidad de lluvia recolectada. De forma que cada pulso incrementa en 0.25 mm el valor de la lluvia acumulada. En la


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figura 4.4 se muestra la forma del pulso de voltaje generado por el cierre del contacto del pluviómetro. La duración del cierre del contacto magnético es de 40 a 100 milisegundos.

Figura 4.4 Pulso generado por el cierre del contacto del pluviómetro.

En el programa que se desarrolló en el microcontrolador, se tiene una rutina que incrementa los registros encargados de contar la cantidad de precipitación pluvial, de forma que cada que se produce un pulso del contacto del pluviómetro, se incrementa en 0.25 el valor de la precipitación, pudiendo llegar hasta un valor máximo de 999.75 mm. Después de este valor la cuenta se reinicia en 0.00 mm.

4.2.2 Procesamiento de datos del circuito de medición de pH. El microcontrolador PIC que se seleccionó tiene un módulo de conversión de señal analógica a señal digital. Los módulos A/D que utiliza Microchip hacen un muestreo y retención (sample & hold) con un condensador y después utiliza el módulo de conversión. En la figura 4.5 se muestran las fases de la conversión analógica a digital. El módulo de conversión A/D del microcontrolador es el tipo de aproximaciones sucesivas [4.1].

Figura 4.5 Fases de la conversión analógica a digital.

El convertidor de aproximaciones sucesivas se utiliza en aplicaciones donde se necesitan altas velocidades de conversión. Se basa en realizar sucesivas comparaciones de forma ascendente o descendente hasta encontrar un valor digital que iguale la tensión entregada por el conversor D/A y la tensión de entrada [4.1].


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Durante la fase de muestreo el interruptor se cierra y el condensador se carga a la tensión de entrada (el tiempo que el interruptor permanece cerrado es fundamental para la correcta carga del condensador). Una vez abierto el interruptor, el condensador mantendrá (teóricamente) la tensión de entrada mientras el módulo A/D realiza la conversión [4.1]. El módulo convertidor A/D del PIC16F877 tiene 8 entradas (5 en el puerto A y 3 en el puerto E). En la figura 4.6 se muestra el diagrama a bloques del convertidor A/D del PIC.

Figura 4.6 Diagrama a bloques del convertidor A/D.

El módulo convertidor analógico a digital que utilizan los PIC de gama media tiene un número de bits de 10: Su resolucón se muestra en la ecuación 4.1.

12 −= N

INVresolución (4.1)

Siendo VIN la tensión de entrada y N el número de de bits del convertidor. Es decir, para la tensión máxima de entrada (5 V) la resolución es de 0.00488 V (4.88 mV) por LSB [4.1]. La resolución es el voltaje (señal analógica) necesario para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo (LSB, Lowest Significant Bit).


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El convertidor analógico a digital (ADC) de 10 bits del microcontrolador transforma el valor analógico de la señal de pH en un valor digital. Un programa en el microcontrolador se encarga de procesar la información digital obtenida y generar el valor de pH correspondiente, para mostrarlo en la pantalla mediante un valor numérico, así como para poder almacenarlo en la memoria SD (ver Figura 4.7).

Figura 4.7 Conexión del circuito de medición de pH con el microcontrolador.

La pendiente de la señal de voltaje que se obtiene del circuito de medición de pH es 488 mV/pH. Esta señal se introduce directamente al convertidor analógico a digital del microcontrolador. En la figura 4.8 se muestra una representación de dicha señal, así como sus valores digitales correspondientes. El circuito de medición de pH se diseñó de forma que un cambio de 0.01 unidades de pH produzcan un cambio en el bit menos significativo del valor resultante de la conversión analógica a digital. Los valores esperados de la lluvia se encuentran en el rango ácido, es decir menor a 7 pH. Sin embargo, debido a que el convertidor analógico a digital es de 10 bits, el valor máximo teórico que se podría obtener con éste sería de 10.23 unidades (11 1111 1111 en binario ó 2FF en hexadecimal).

Figura 4.8 Gráfica de voltaje contra pH.


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4.3 Almacenamiento de datos en la memoria SD. Para almacenar los datos en la memoria SD empleó el grabador de memoria uMMC de la empresa Rouge Robotics ®. Este pequeño dispositivo permite almacenar y leer información en archivos de texto en una memoria SD, mediante el empleo de un protocolo de comunicación serial que permite enviar comandos para escribir y leer los datos. En la figura 4.9 se muestra el grabador de memoria uMMC.

Figura 4.9 Grabador de memoria SD modelo uMMC.

Se realizó un programa en lenguaje ensamblador para operar este dispositivo y poder almacenar los datos en archivos de texto, separados por tabuladores, de forma que se puedan abrir en una hoja de cálculo de Excel y puedan ser importados desde un manejador de base de datos. Para almacenar los datos, se creó un conjunto de rutinas para comunicar el microcontrolador con el módulo grabador de memoria SD. crea_archivo_datos. Esta rutina crea un archivo de datos cuando se produce un pulso del pluviómetro. El nombre del archivo de datos tiene el formato AAAAMMDD.txt (Año, Mes y Día).


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escribe_encabezado_archivo. Esta rutina escribe un encabezado al principio del archivo abierto, de la forma: Año Mes Dia HH:mm P.P. pH almacena_datos. Esta rutina almacena en el archivo creado, los datos del evento de lluvia en cada intervalo de registro, de la forma: Año Mes Dia HH:mm P.P. pH 2000 1 1 23:10 0.25 -.-- 2000 1 1 23:12 0.50 -.-- En la figura 4.10 se presenta el diagrama de flujo del proceso de almacenamiento de datos. Primero se verifica si ya existe un archivo creado para ese día. Si no existe, lo crea. Si ya existe, verifica si en ese archivo ya fue creado un encabezado de datos. Si no existe es porque el archivo es nuevo y por tanto crea un encabezado. Si ya existe encabezado, anexa los datos recibidos en el último renglón del archivo.

Figura 4.10 Diagrama de flujo del almacenamiento de datos.


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Para operar el módulo grabador uMMC, se crearon estas rutinas: open_file. Esta rutina envía un comando que abre un archivo. Se utiliza el modo agregar (Append). En este modo se abre un archivo nuevo o uno existente para escritura. Los datos se escriben secuencialmente. Si el nombre de archivo no existe en el directorio, se creará el archivo. write_file. Esta rutina envía un comando que escribe una cadena de caracteres según la longitud establecida en el comando. close_file. Esta rutina envía un comando que cierra el archivo abierto. envia_comando. Esta rutina envía un comando al uMMC previamente establecidos sus parámetros. espera_respuesta. Esta rutina espera el comando de respuesta prompt ">" (ASCII 62, hex 0x3E) que indica que el uMMC esta listo para recibir otro comando. Si ocurre un error al procesar un comando, se regresa un comando error. Estas últimas rutinas son parte de las rutinas de almacenamiento de datos. Están enfocadas directamente a enviar comandos en forma serie al módulo grabador de memoria SD. El conjunto de rutinas para operar el grabador de memoria SD se realizó en lenguaje ensamblador y tiene el nombre “uMMC Serial Data Module”. Este conjunto de rutinas se pueden utilizar en otros programas para grabar datos en la memoria SD con este modelo de grabador. En la figura 4.11 se muestra un ejemplo de un archivo de texto creado con el grabador de memoria SD.

Figura 4.11 Archivo de texto creado con el grabador uMMC.


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4.4 Programación de los servomotores. Un servomotor está constituido por un pequeño motor de corriente continua, unas ruedas dentadas que trabajan como reductoras, lo que le da una un potencia considerable, y una pequeña tarjeta de circuito impreso con la electrónica necesaria para su control [4.2]. La figura 4.12 muestra el ensamblaje de un servomotor.

Figura 4.12 Ensamblaje de un servomotor.

La tensión de alimentación de los servos suele estar comprendida entre los 4 y 8 volts. El control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar, mediante una señal cuadrada TTL modulada en ancho de pulso (PWM). La duración del nivel alto de la señal indica la posición donde se quiere colocar el eje del motor. El potenciómetro que el servomotor tiene unido solidariamente al eje del motor indica al circuito electrónico de control interno mediante una retroalimentación, si éste ha llegado a la posición deseada [4.2]. La duración de los pulsos indica el ángulo de giro del motor. Cada servomotor tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende y que, en principio, mecánicamente no se puede sobrepasar. Estos valores varían dependiendo del modelo de servomotor utilizado [4.2]. Para el servomotor VIGOR, que se empleó en el prototipo, los valores de la señal a nivel alto están entre 0.6 y 2.4 ms, que dejarían al motor en ambos extremos de giro. El valor de 1.5 ms indicaría la posición centrada, mientras que otros valores de ancho del pulso lo dejan en posiciones intermedias que son proporcionales al ancho de los pulsos. En la figura 4.11 se muestra el tren de pulsos que recibe el servomotor marca VIGOR.


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Figura 4.13 Tren de pulsos para control de un servomotor.

Se realizó un programa para el control de posición angular del servomotor mediante modulación por ancho de pulso (PWM) con un periodo de 20 ms. Ver Figura 4.12. El ángulo se controla con el tiempo en alto de la señal cuadrada. Los tiempos son 0.6 ms para 0°, 1.5 ms para 90° y 2.4 ms para 180°. Se emplea un tiempo patrón de 100 µs (0.1 ms) que se generan por desbordamiento del TMR0. Para generar el tiempo en alto (tA) se multiplica el tiempo patrón por el factor alto FA. En la figura 4.12 se muestra la forma de la señal modulada en ancho de pulso. T = Periodo tA = tiempo en alto tB = tiempo en bajo

Figura 4.14 Señal modulada en ancho de pulso.


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4.5 Programación para la interfaz hombre – máquina. La interfaz de comunicación o tablero tiene dos funciones: ayudar a la calibración del electrodo para la medición de pH y ajustar el reloj. En una pantalla de cristal líquido (LCD) del tipo alfanumérica de 20 caracteres y 4 filas, se muestra un menú de opciones, el cual se opera mediante un grupo de botones direccionales. Si se selecciona la opción “calibrar pH” se muestra el valor de pH medido por el electrodo. El ajuste del reloj sólo se hace una vez que se inicia el aparato, puesto que tiene una pila de respaldo que le permite funcionar en caso de un corte de energía. En la figura 18 se muestra la pantalla de cristal líquido, los botones direccionales, las perillas de ajuste de pH y las ventanas del menú.

Figura 4.15 Interfaz hombre - máquina.


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5 Pruebas y resultados del prototipo.

5.1 Datos almacenados. El prototipo diseñado, y construido dentro de este proyecto de tesis se probó respecto a su funcionamiento y utilidad en una temporada de lluvias en la región de Cuernavaca. Se realizaron pruebas de funcionamiento al pluviómetro obteniéndose una tabla de precipitación pluvial, en la que se almacenaron correctamente los datos con fecha y hora. Por cada día en que haya lluvia se registra en un archivo la información de la cantidad de precipitación pluvial y su pH, así como la fecha y ocurrencia de ésta. El archivo de texto que contiene los datos se puede abrir en cualquier PC que soporte archivos de texto sin formato (*.txt). En la figura 5.1 se aprecia un archivo de texto generado, con los datos almacenados del prototipo.

Figura 5.1 Archivo de texto con datos almacenados.


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5.2 Estimación de la precisión del electrodo de pH. Se recomienda describir la precisión de una medición mediante la raíz del error medio cuadrático, error estándar o diferencia media cuadrática que no es sino un estimador de la desviación normal. Siendo x el promedio de la muestra, utilizándose como un estimador de la media del universo. Ver ecuación 5.1.

n

xxi

n

i

2

1

)(Precisión

−±=∑= (5.1)

Se obtuvo la precisión del medidor de pH que se diseñó y construyó como parte de este prototipo. En primera instancia se calibró el electrodo de pH con una solución patrón de 7 pH (ajuste de cero) y después con una solución patrón de 4 pH (ajuste de pendiente). Una vez realizada la calibración, se midió el pH a una solución patrón de 7 y 4 pH y se anotaron 20 lecturas consecutivas. Se agruparon de acuerdo a la clase a la que pertenecen. Ver tabla 5.1. En la figura 5.2 se presenta un histrograma de este grupo de datos. 7.00 6.99 6.98 7.03 7.00 6.99 7.02 6.97 7.01 7.00 6.98 7.01 7.00 6.99 7.02 7.01 7.00 6.99 7.00 6.98

Tabla 5.1 Datos para 7 pH agrupados de acuerdo a la clase que pertenecen. Valor Frecuencia6.97

1

6.98

3

6.99

4

7.00

6

7.01

3

7.02

2

7.03

1


61

Figura 5.2 Histograma para los datos de 7 pH.

La media de este conjunto de datos se muestra en la ecuación 5.2.

9985.620

97.1391 ===∑=

n

xx

i

n

i (5.2)

Con base en lo anteriormente descrito, la precisión de este medidor de pH se obtiene en la ecuación 5.3.

015.0014925.020

004455.0)(

Precisión

2

1 ±≈±=±=−

±=∑=

n

xxi

n

i (5.3)

Para el caso de la medición con 4 pH, también se anotaron 20 lecturas consecutivas. Se agruparon de acuerdo a la clase a la que pertenecen. Ver tabla 5.2. En la figura 5.3 se presenta un histrograma de este grupo de datos. 4.00 4.01 3.99 4.01 3.98 4.00 3.98 4.02 4.03 4.00 3.98 3.97 4.01 4.00 4.01 4.02 4.00 4.00 3.98 3.99


62

Tabla 5.2 Datos para 4 pH agrupados de acuerdo a la clase que pertenecen. Valor Frecuencia3.97

1

3.98

4

3.99

2

4.00

6

4.01

4

4.02

2

4.03

1

Figura 5.3 Histograma para los datos de 4 pH.

La media de este conjunto de datos se muestra en la ecuación 5.4.

3.99920

98.791 ===∑=

n

xx

i

n

i (5.4)


63

Con base en lo anteriormente descrito, la precisión de este medidor de pH se obtiene en la ecuación 5.5.

015.0015459.020

00478.0)(

Precisión

2

1 ±≈±=±=−

±=∑=

n

xxi

n

i (5.5)

La precisión en el punto de 4 pH, es prácticamente la misma que la obtenida en el punto de 7 pH. De esta forma, se establecen las especificaciones técnicas del medidor de pH. Ver tabla 5.3.

Tabla 5.3 Especificaciones ténicas del medidor de pH del prototipo. Especificación

Unidades de pH

Rango

0 a 10

Resolución

0.01

Precisión

± 0.015


64

6 Conclusiones y recomendaciones.

6.1 Conclusiones. Objetivos y metas logrados. Se cumplió el objetivo general de este trabajo de tesis, que es diseñar, construir y probar el funcionamiento de un prototipo compuesto de la integración de un pluviómetro y un sensor de pH, y un módulo electrónico de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos, y de control. Para ello se siguió una metodología de diseño del tipo concurrente, que está relacionada con el carácter multidisciplinario de la ingeniería mecatrónica. Se diseñó el módulo electrónico apoyándose en la selección de componentes del módulo electrónico. Se integró el pluviómetro en el gabinete junto con la caja que contiene a la tarjeta electrónica. Así mismo se diseñó un mecanismo con servomotores para mover el electrodo de medición de pH. Se alcanzaron las metas propuestas ya que el prototipo mecatrónico que se diseñó y construyó permite monitorear la precipitación pluvial y su pH, mismo que puede integrarse a una estación meteorológica. Así mismo, se escribió un artículo técnico que se publicó en el Congreso Internacional de Innovación y Desarrollo Tecnológico 2008, en Cuernavaca, Morelos. Funcionalidad del prototipo. En la propuesta se mencionó que “se tendrán resultados favorables cuando se haya logrado que el prototipo realice y registre las mediciones de pH y precipitación pluvial de forma automática”, situación que ya ha sido realizada por el prototipo. Por tal motivo se logra comprobar que la hipótesis sugerida fue cierta, ya que fue factible construir un prototipo capaz de medir y registrar la precipitación pluvial y su pH en forma automática y en tiempo real utilizando el recurso y el desarrollo tecnológico disponible en el CENIDET.


65

Además, el tesista adquirió los conocimientos, en electrónica y en programación de microcontroladores, necesarios para construir el prototipo y poder integrar los instrumentos de medición en un sólo equipo. Es decir la integración sistemática de varios aspectos del conocimiento científico y tecnológico pudo facilitar la construcción de este instrumento integrado que resuelve varios aspectos como: la toma de datos, el almacenamiento de ellos y su adquisición o manejo expedito. Costo de prototipo. Los medidores de pH comerciales que tienen comunicación con PC resultan bastante caros, aproximadamente mayor a $ 5,000, además de que se debe tener el programa que proporciona el fabricante para descargar los datos. En este prototipo se empleó un electrodo de medición de pH, un económico preamplificador de pH para acoplar la alta impedancia de éste electrodo y se desarrolló el circuito de acondicionamiento de señal, desde el ajuste de cero y pendiente del electrodo hasta la obtención de un valor numérico de pH en una pantalla de cristal líquido, y el almacenamiento de este valor en una memoria SD. El costo del electrodo, el preamplificador y el circuito de medición de pH fue aproximadamente de $ 3,500 pesos, lo que resultó más económico que adquirir un medidor de pH comercial e integrarlo al prototipo. De los tres analizadores de lluvia ácida descritos en el estudio del estado del arte, sólo uno tiene memoria extraíble y los otros dos almacenan los datos en una memoria EEPROM. Para obtener sus datos se debe emplear forzosamente una computadora que se conecta por medio del puerto RS-232. En este prototipo se almacenan los datos en un archivo de texto contenido en una memoria SD, y no es necesaria una PC ni un programa especial para observar estos datos. El costo total de los componentes del prototipo fue aproximadamente de $ 7,500, lo cual es relativamente bajo en comparación con la inversión que hubiese representado comprar un analizador de lluvia ácida comercial, cuyo costo es aproximadamente de $350,000 pesos. Por lo que el desarrollo de este prototipo presenta además la ventaja de ser un equipo funcional y económico. Ver Anexo 2 Costo de componentes del prototipo. Impacto social. La realización de este prototipo representa el primer paso de un desarrollo tecnológico de fabricación nacional, el cual puede evitar las importaciones de aparatos cuyo costo es muy elevado, que en este caso son los analizadores de lluvia ácida.


66

6.2 Recomendaciones. Se sugieren las siguientes mejoras para el prototipo. Trasmisión de datos inalámbrica. Se podría utilizar un módulo de radiofrecuencia de forma que la memoria de datos se encuentre a distancia del prototipo. De esta forma, el usuario no tendría que ir a donde se encuentre el prototipo para tener que descargar los datos. Alimentación por medio de una celda solar. Se podría implementar un módulo con un panel solar, y una batería recargable, para que la alimentación del prototipo no dependa del suministro de energía eléctrica de 127 volts. Ya que usualmente cuando llueve se presentan cortes al suministro de energía eléctrica. Medición de otras variables. En este prototipo se midió la precipitación pluvial y el pH. Como se observó en la investigación realizada en el estado del arte, existen aparatos comerciales similares que además miden temperatura y conductividad.


67

Bibliografía. [1.1] Página de Internet: “Sistema de monitoreo atmosférico de la Ciudad de México”. Dirección: http://www.sma.df.gob.mx/simat2/, acceso a la página: Agosto de 2009 [1.2] Página de Internet: “Red Automática de Monitoreo Atmosférico”. Dirección: http://www.sma.df.gob.mx/simat/pdf/folletolluvia.pdf , acceso a la página: Agosto de 2009 [1.3] Mahendra Pal Verma, “Necesidad de la determinación de la alcalinidad en la caracterización de la lluvia”, Boletín IIE, enero-febrero 1998 [1.4] Enciclopedia “Gran Diccionario Salvat”, Salvat Ediciones Generales [2.1] Pablo Gresh, “Introducción a la Ingeniería. Un enfoque a través del diseño”, Prentice-Hall. 2001. [2.2] Humberto Bravo A., Rodolfo Sosa E., Pablo Sánchez A., Ana Luisa Alarcón J., Rogelio Soto A. “Metodología de Muestreo y Análisis para la Red de Monitoreo Mesoamericana”, Taller Internacional sobre la Influencia de la Calidad del Aire en Zonas Arqueológicas Mayas en Mesoamérica. [2.3] Julián Oreggioni, “Métodos de medida del pH para estudios invasivos prolongados: ISFET y fibra óptica”, XV Seminario de Ing. Biomédica 2006 [2.4] Creus Sole, Antonio, “Instrumentación Industrial”, Alfaomega, 7ª edición. [3.1] Forcada G., Julio, “El amplificador operacional”, Alfaomega. [3.2] Palacios Enrique, Remiro Fernando, J. López Lucas, “Microcontrolador PIC16F84, desarrollo de proyectos”, Alfaomega RA-MA [3.3] http://www.microchip.com, Hoja de datos “Microcontrolador PIC16F877A”, acceso a la página: Agosto de 2010 [3.3] http://www.maxim-ic.com/, Hoja de datos “Reloj de tiempo real DS1307”, acceso a la página: Agosto de 2010


68

Anexo 1. Especificaciones técnicas del pluviómetro.


69

Anexo 2. Costo de componentes del prototipo.

Concepto Precio Pluviómetro

$ 1,265.00

Electrodo de pH

$ 1,070.00

Preamplificador de pH

$ 1,250.00

Electroválvula

$ 1,000.00

Servomotores de radio control (2)

$ 280.00

Módulo electrónico

$ 964.00

Grabador de memoria SD

$ 700.00

Gabinete metálico

$ 1,000.00

Total

$ 7,529.00

Los precios incluyen IVA y gastos de envío. Precio del electrodo de pH y preamplificador en pesos mexicanos al tipo de cambio del dólar ($ 14 MX) El costo del módulo electrónico se desglosa a continuación: Cant. Concepto costo unitario Importe

5 bornes de conexión color verde de 3 terminales 3.48 17.409 bornes de conexión color verde de 2 terminales 2.61 23.491 puente rectificador en línea de 4 amp 17.39 17.394 capacitor electrolítico de 1000 uF a 16 V 2.61 10.443 capacitor cerámico de 0.22 uF 1.74 5.224 capacitor cerámico de 0.1 uF 2.61 10.441 capacitor de tantalio de 2.2 uF 5.22 5.221 capacitor de tantalio de 1 uF 3.48 3.481 capacitor electrolítico de 4700 uF a 25 V 12.17 12.172 capacitor cerámico de 22 pF 1.74 3.482 regulador de voltaje 7805 de 1 amp 8.70 17.401 regulador de voltaje 7905 de 1 amp 8.70 8.701 regulador de voltaje 7812 de 2 amp (metálico TO-3) 46.61 46.611 amplificador TL084 7.83 7.831 zócalo pata fina de 14 pines 3.48 3.481 microcontrolador PIC16F877 99.13 99.131 zócalo ZIF de 40 pines 47.83 47.831 reloj DS1307 15.65 15.65


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1 zócalo pata fina de 8 pines 2.61 2.611 opto acoplador 4N25 5.22 5.221 zócalo pata fina de 6 pines 2.61 2.611 trimpot multivuelta cuadrado de 1 kohm 20.00 20.009 resistencia de precisión de 1 Mohm, 1% 1/4w 1.30 11.702 resistencia de precisión de 1 Kohm, 1% 1/4w 1.30 2.601 resistencia de precisión de 4.7 Kohm, 1% 1/4w 1.30 1.302 resistencia de precisión de 22 Kohm, 1% 1/4w 1.30 2.606 resistencia de carbón de 1 Kohm, 5% 1/2w 0.70 4.201 resistencia de carbón de 10 Kohm, 5% 1/2w 0.70 0.704 resistencia de carbón de 4.7 Kohm, 5% 1/2w 0.70 2.803 resistencia de carbón de 330 ohm, 5% 1/2w 0.70 2.101 botón NA de 2 terminales 1.74 1.741 header doble de 5 pines 6.96 6.961 header de 7 pines 2.61 2.611 header de 16 pines 2.61 2.611 tira de pines hembra 13.91 13.911 cristal de 4 MHz 6.96 6.961 cristal de 32.768 KHz 6.96 6.961 pila de litio de 3 V 15.00 15.001 base CR-20xx 3.48 3.481 relevador de 5 volts SPDT 61.74 61.741 transistor NPN BC547 2.61 2.611 rollo de soldadura 104.35 104.351 cautín 50.00 50.001 placa fenólica de 15x15 cm con pistas grabadas 145.60 145.60

Subtotal 838.33 15 % IVA 125.75 Total 964.08 Los componentes se adquirieron en la tienda “AG electrónica”. Los precios se obtuvieron de la página de Internet: www.agelectronica.com en Agosto de 2010.


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Anexo 3. Programa del microcontrolador. ; P R O G R A M A D E L P R O Y E C T O D E T E S I S ; "Diseño y Construccion de un Prototipo Mecatrónico para Medir y Registrar ; la precipitación pluvial y su pH" ; ;Tesista: M O I S E S R O M A N S E D E Ñ O ;________________________________________________________________________________________ ; C o n f i g u r a c i o n d e l M i c r o c o n t r o l a d o r ;________________________________________________________________________________________ LIST P = 16F877A ;Microcontrolador empleado #INCLUDE "P16F877A.INC" ;Incluye la libreria de registros del PIC16F877A ;Palabra de configuracion: ; Programacion en bajo voltaje LVP: OFF ; Reinicio por bajo voltaje BOREN: OFF ; Temporizador a la energizacion PWRTE: ON ; Temporizador del perro guardian WDT: OFF ; Tipo de oscilador OSC: XT __CONFIG _LVP_OFF & _BODEN_OFF & _PWRTE_ON & _WDT_OFF & _XT_OSC ;________________________________________________________________________________________ ;Definicion de variables en RAM ;La directiva de control CBLOCK se emplea para CBLOCK 0x20 ;declarar el inicio de un bloque de constantes. Guarda_PCLATH ;0x20 indica la direccion de memoria RAM a partir ENDC ;de la cual se almacenaran las variables. ;________________________________________________________________________________________ ;Definicion de terminales de conexion de Entradas / Salidas #DEFINE Voltaje_pH PORTA,0 ;Entrada del voltaje analogico de pH #DEFINE pluviometro PORTB,0 ;Entrada del pluviometro #DEFINE LCD_PinRS PORTB,1 ;Pin de salida RS del LCD #DEFINE LCD_PinEnable PORTB,2 ;Pin de salida ENABLE del LCD #DEFINE Luz_LCD PORTB,3 ;Luz del LCD #DEFINE LCD_BusDatos PORTB ;Bus de datos LCD, conexion con 4 bits (RB4-RB7) #DEFINE Menu_ENTER PORTC,0;Boton ent. "ENTER" entrada al menu de opciones #DEFINE Menu_UP PORTC,1;Boton ent. "arriba" (^) del menu de opciones #DEFINE Menu_DOWN PORTC,2;Boton ent. "abajo" (v) del menu de opciones #DEFINE SCL PORTC,3 ;Señal de reloj en I2C #DEFINE SDA PORTC,4 ;I/O datos en I2C #DEFINE TX PORTC,6 ;Transmisor del USART asincrono #DEFINE RX PORTC,7 ;Receptor del USART asincrono #DEFINE Menu_RIGH PORTD,0;Boton ent. "derecha" (>) del menu de opciones #DEFINE Menu_LEFT PORTD,1;Boton ent. "izquierda" (<) del menu de opciones #DEFINE servo1 PORTD,4;Salida a servomotor de mov. vertical mecanismo #DEFINE servo2 PORTD,5;Salida a servomotor de mov. horizontal mecanismo #DEFINE valvula PORTD,7 ;Salida a la solenoide de la electrovalvula ;________________________________________________________________________________________ ;Definicion de instrucciones #DEFINE BANCO0 bcf STATUS,RP0 ;Selecciona el BANCO 0 #DEFINE BANCO1 bsf STATUS,RP0 ;Selecciona el BANCO 1 #DEFINE PAGINA0 bcf PCLATH,3;Selecciona pagina 0 (000h - 7FFh) #DEFINE PAGINA1 bsf PCLATH,3;Selecciona pagina 1 (800h - FFFh) ;________________________________________________________________________________________ ;Ubicacion del codigo inicial ORG 0x00 ;Inicio en el vector de Reset goto INICIO ;Primera instruccion del programa ORG 0x04 ;Vector de interrupcion


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Interrupcion_pulso movf PCLATH,W ;Obtiene contenido de PCLATH movwf Guarda_PCLATH ;Guarda contenido de PCLATH bcf INTCON,GIE ;Deshabilita interrupciones globales call Retardo_20ms ;Espera 20 milisegundos btfsc pluviometro ;Verifica si fue interrupcion por pulso de pluv. incf pulsos_acumulados,F ;SI. Incrementa en 1 los pulsos acumulados bcf INTCON,INTF ;NO. Reestablece señalizador de int. por RB0/INT movf Guarda_PCLATH,W ;Recupera contenido de PCLATH movwf PCLATH ;Reestablece contenido de PCLATH bsf INTCON,GIE ;Habilita interrupciones globales retfie ;________________________________________________________________________________________ ;Codigo que se incluye para mostrar los mensajes en el LCD. ;Los mensajes deben situarse en las 256 primeras posiciones de la memoria de programa #INCLUDE "mensajes tesis LCD.inc" ;________________________________________________________________________________________ INICIO BANCO0 clrf PORTA ;Limpia salidas de puerta A clrf PORTB ;Limpia salidas de puerta B clrf PORTC ;Limpia salidas de puerta C clrf PORTD ;Limpia salidas de puerta D clrf PORTE ;Limpia salidas de puerta E movlw 0x20 ;Inicializa el apuntador movwf FSR ;hacia la memoria RAM limpia_RAM clrf INDF ;Limpia registro INDF incf FSR,F ;Incrementa apuntador btfss FSR,7 ;¿ FSR = 0x80 = 1000 0000? goto limpia_RAM ;NO. Limpia siguiente registro RAM ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion de las puertas de Entrada / Salida BANCO1 ;Entradas bsf Voltaje_pH ;Entrada del voltaje analogico de pH bsf pluviometro ;Entrada del pluviometro bsf Menu_ENTER ;Boton entrada al menu de opciones bsf Menu_UP ;Boton ent. "arriba" (^) del menu de opciones bsf Menu_DOWN ;Boton ent. "abajo" (v) del menu de opciones bsf SCL ;Señal de reloj en I2C bsf SDA ;I/O datos en I2C bsf RX ;Receptor del USART asincrono bsf Menu_RIGH ;Boton ent. "derecha" (>) del menu de opciones bsf Menu_LEFT ;Boton ent. "izquierda" (<) del menu de opciones ;Salidas bcf LCD_PinRS ;Pin de salida RS del LCD bcf LCD_PinEnable ;Pin de salida ENABLE del LCD bcf Luz_LCD ;Luz del LCD bcf LCD_BusDatos,4 ;Pin 4 del bus de datos del LCD (nibble alto) bcf LCD_BusDatos,5 ;Pin 5 del bus de datos del LCD (nibble alto) bcf LCD_BusDatos,6 ;Pin 6 del bus de datos del LCD (nibble alto) bcf LCD_BusDatos,7 ;Pin 7 del bus de datos del LCD (nibble alto) bcf TX ;Transmisor del USART asincrono bcf servo1 ;Salida a servomotor de mov. vertical mecanismo bcf servo2 ;Salida a servomotor de mov. horizontal mecanismo bcf valvula ;Salida a la solenoide de la electrovalvula ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion del registro OPTION BANCO1 bcf OPTION_REG,T0CS ;Pulsos provenientes del reloj interno


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BANCO0 ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion de INTCON (Registro de INTERRUPCIONES) bsf INTCON,GIE ;Habilita interrupciones globales ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion del ADC (Convertidor analogico - digital) BANCO1 movlw b'10001110' ;Fosc/2, canal 0 (AN0), modulo ADC apagado movwf ADCON1 ;Res. A/D just. derecha, RA0 Ent. Analogica ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion del modulo MSSP en modo Master I2C BANCO0 movlw b'00101000' ;Habilita modulo MSSP. SDA, SCL pin. pto. serial movwf SSPCON ;Modo maestro I2C, clock=FOSC/(4*(SSPADD + 1)) BANCO1 movlw b'10000000' ;SMP=1 Velocidad estandar del bus I2C (100 kHz) movwf SSPSTAT movlw .9 ;Velocidad del bus I2C movwf SSPADD ;100 kHz ;________________________________________________________________________________________ ;Configuracion del USART BANCO1 movlw b'00100100' ;Transmision de 8 bits, Habilita bit transmision movwf TXSTA ;Modo asincrono de alta velocidad BRGH=1 movlw .25 ;Configura velocidad de transmision movwf SPBRG ;de 9600 baudios (bits / segundo) BANCO0 movlw b'10010000' ;Habilita RC7/RX/DT y RC6/TX/CK pin pto. serie movwf RCSTA ;Recepcion de 8 bits, Habilita recepcion continua ;________________________________________________________________________________________ ;Inicializacion del LCD (Display de Cistral Liquido) BANCO0 call LCD_Inicializa ;Inicializa el LCD ;________________________________________________________________________________________ ;Inicializacion del modulo serial de datos uMMC PAGINA1 call uMMC_Inicializa ;Inicializa el modulo uMMC PAGINA0 ;________________________________________________________________________________________ ;Inicializacion del reloj - calendario DS1307 BANCO0 call DS1307_Inicializa ;Inicializa el reloj de tiempo real DS1307 call DS1307_Lee ;Lee registros del DS1307 btfsc Segundo,7 ;Verifica estado del bit CH (bit 7 de segundos) call DS1307_CargaInicial ;Es 1. Primera vez que se inicia el reloj call mensaje_inicial ;Es 0. El reloj ya se habia iniciado ;________________________________________________________________________________________ ;Vacia lluvia recolectada anteriormente. Coloca el mecanismo en su posicion inicial. call vacia_agua ;-;Vacia el agua recolectada PAGINA1 call almacena_electrodo ;-;Coloca el electrodo en recip. de almacen. PAGINA0 ;________________________________________________________________________________________ ; ;________________________________________________________________________________________ ; P r o g r a m a P r i n c i p a l ;________________________________________________________________________________________ LISTO btfsc INTCON,INTF ;Verifica si hay interrupcion por pulso de pluv. goto OPERACION ;SI. Entra al estado de OPERACION btfsc Menu_ENTER ;NO. Verifica si se presiona el boton MENU goto MENU ;SI. Entra al estado de MENU goto LISTO ;NO. Continua en el estado de LISTO


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;________________________________________________________________________________________ ;Librerias del libro de texto "MICROCONTROLADOR PIC16F84. DESARROLLO DE PROYECTOS" ;E. Palacios, F. Remiro y L. López. www.pic16f84a.com Editorial Ra-Ma. www.ra-ma.es #INCLUDE "RETARDOS.INC" #INCLUDE "LCD_4BIT.INC" #INCLUDE "LCD_MENS.INC" #INCLUDE "BIN_BCD.INC" #INCLUDE "DS1307 (PIC16F877).INC" ;________________________________________________________________________________________ ;Librerias creadas para este programa #INCLUDE "operacion.inc" #INCLUDE "menu.inc" #INCLUDE "precipitacion.inc" #INCLUDE "pH.inc" #INCLUDE "datos de pH.inc" ;________________________________________________________________________________________ ORG 0x800 ;Cambia a pagina 1 de memoria de programa #INCLUDE "almacenamiento de datos.inc" #INCLUDE "uMMC Serial Data Module.inc" #INCLUDE "movimientos de servomotores.inc" #INCLUDE "servomotor.inc" ;________________________________________________________________________________________ END


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Anexo 4. Manual de usuario.


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MANUAL DE OPERACIÓN DEL PROTOTIPO. Encendido del aparato. En la parte frontal del gabinete del prototipo, se debe desatornillar la tapa de metal para verificar en el interior del gabinete del prototipo los siguientes puntos.

Figura 1. Gabinete del prototipo.

1. El recipiente de almacenamiento (lado derecho) debe estar lleno de solución

almacenadora. Si no es así, se debe llenar el recipiente y sumergir el electrodo para que se humedezca con solución almacenadora.

2. Todos los cables deben estar sujetados correctamente a las bornes de conexión del

gabinete pequeño que tiene el módulo electrónico. Si no es así, los cables se deben sujetar a las bornes de conexión.

3. El pluviómetro debe estar nivelado. Si no es así, se debe utilizar un nivel de burbuja

para ajustar la inclinación del gabinete con los tornillos que se encuentran en las bases de concreto, de forma que el pluviómetro quede nivelado.

Pluviómetro

Interfaz hombre – máquina


77

4. El recipiente de recolección (lado izquierdo) debe estar limpio. Si no es así, se debe limpiar con un trapo seco. Se debe mover el mecanismo de servomotores con la mano para colocar el electrodo en el recipiente de almacenamiento.

Figura 2. Servomotores y recipientes de recolección y almacenamiento.

Dentro del ganiente pequeño se encuentra el módulo electrónico.

Figura 3. Módulo electrónico del prototipo.

Fuentes de alimentación

Circuito de medición de pH

Relevador para la electroválvula

Microcontrolador

Reloj en tiempo real

Recipiente de recolección Recipiente de

almacenamiento

Electrodo de medición de pH

Electroválvula

Servomotores

Memoria SD

Grabador de Memoria SD

Interruptor general

Fusible


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1. El reloj en tiempo real debe tener colocada la batería. Si no es así, se debe colocar una nueva bateria. Más adelante se indica como revisar la fecha y hora del reloj. Si está desajustado, se debe reemplazar la batería.

2. El grabador de memoria SD debe tener colocada una memoria SD. Antes de colocar

la memoria, se debe revisar que esté formateada con formato FAT16 o FAT32. Si la memoria ya tiene archivos de datos, se puede colocar y los nuevos archivos se anexarán sin afectar a los ya existentes.

3. Se debe verificar que el fusible esté en buen estado. Si no es así, se debe reemplazar

por un fusible de 3 Amper a 250 volts. 4. Se debe verificar que el cable de alimentación esté conectado correctamente al

gabinete pequeño.

5. Una vez verificados estos puntos, se conecta el prototipo a una toma de alimentación eléctrica de 127 volts y se enciende por medio del interruptor principal, el cual está colocado en el costado inferior izquierdo del gabinete pequeño.

Operación de la interfaz hombre – máquina. La interfaz hombre – máquina tiene, una pantalla alfanumerica donde se muestra la función a realizar, y 5 botones para elegir las acciones a realizar.

Figura 4.Interfaz hombre – máquina.


79

Al presionar el botón central se accede al menú de opciones. Las tres posibilidades son:

Figura 5. Menú principal.

Con el botón de flecha abajo y flecha arriba se puede preseleccionar una de estas opciones. Con el botón de flecha a la derecha se accede a la opción preseleccionada. Si se selecciona el menú “Calibrar pH” se muestra el valor de pH leído por el prototipo. Primero se coloca el electrodo dentro de una solución de 7 pH y se varía la perilla de ajuste de cero hasta que en la pantalla se muestre pH: 7.00. Después se coloca el electrodo dentro de una solución de 4 pH y se varía la perilla de ajuste de pendiente hasta que en la pantalla se muestre pH: 4.00. Con el botón de flecha a la izquierda se regresa al menu principal.

Figura 6. Menú de calibración de pH.

Si se selecciona el menú “Ajustar reloj” se muestra la fecha y hora de acuerdo al reloj de tiempo real del prototipo. Si el tiempo es correcto, con el botón de flecha a la izquierda se regresa el menú principal. Si el tiempo es incorrecto, con el botón de flecha a la derecha se puede acceder a un campo de los parámetros del reloj, y presionando alternadamente el botón de flecha a la derecha se puede cambiar de campo. Al presionar los botones de flecha arriba ó flecha abajo, se incrementa o disminuye el valor de dicho campo. Para salir de la ventana de ajuste de reloj se presiona el botón de flecha a la izquierda. Para verificar que la pila del reloj esté funcionando adecuadamente, se debe apagar el prototipo y volver a encender. Al ingresar nuevamente al menu de “Ajustar reloj” se debe verificar que la fecha y hora están actualizadas, de lo contrario, será necesario reemplazar la batería del reloj en tiempo real.


80

Figura 7. Menú de ajuste de reloj.

Funcionamiento del prototipo. Una vez verificados todos los puntos anteriores, se coloca y atornilla la tapa de metal del gabinete del prototipo. Se conecta a la toma de alimentación eléctrica, de preferencia a un regulador de voltaje con batería de respaldo, para que el prototipo esté funcionando y tomando mediciones en todo momento. Si no se coloca un regulador con respaldo, y se interrumpe el suministro de energía eléctrica, el aparato no funcionará, pero cuando regrese la energía se reestablecerá automáticamente y seguirá guardando los datos que esté midiendo. Obtención de los datos registrados por el prototipo. Una vez terminado el evento de lluvia, se debe retirar la tapa de metal y extraer la memoria SD del grabador de memoria.

Figura 8. Grabador de memoria SD.


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Se introduce la memoria SD en una computadora y automáticamente se abre una ventana que muestra el archivo de texto con los datos almacenados. El nombre del archivo de texto está conformado por los cuatro dígitos del año, dos del mes, y dos del día (AAAAMMDD.txt ). Dentro del archivo de datos están los datos almacenados separados por tabuladores.

Figura 9. Archivo de texto que contiene los datos registrados por el prototipo.

Figura 10 Datos registrados por el prototipo.


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Anexo 5. Articulo técnico. Longoria R., R., Román S., M. y González R. S., J. L., " Diseño y construcción de un prototipo para medición simultánea de la precipitación pluvial y su pH", 6º Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico, 2008.

CIINDET 20086º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,

8 al 10 de octubre de 2008, Cuernavaca, Morelos., México.

121 Pág. 1

Diseño y Construcción de un Prototipo para Medición Simultánea de la Precipitación Pluvial y su pH

R. Longoria Ramírez, M. Román Sedeño, J. L. González Rubio Sandoval

Resumen: Este trabajo presenta el diseño de un prototipo mecatrónico para medir y registrar la precipitación pluvial y su pH*. Este dispositivo utiliza un pluviómetro de balancín, un electrodo combinado para medición de pH, un sensor de temperatura y un microcontrolador, el cual adquiere y procesa la información de estos sensores. La contribución principal de este trabajo está en el diseño de un sistema electrónico de registro de lluvia, en la adaptación del medidor medidor de pH a este sistema, en el diseño de un mecanismo para la manipulación del electrodo de medición de pH y en la programación del microcontrolador para operar el equipo de forma automática. Palabras Clave: pluviómetro de balancín, electrodo de medición de pH, microcontrolador. Abstract: This work presents the design of a mechatronic prototype to measure and register pluvial precipitation and its pH. This device uses a tipping bucket rain gauge, a pH electrode, a temperature sensor and a microcontroller, which acquires and processes data from these sensors. The main contribution of this work is on designing a rain recording electronic system, on adapting the pH meter to this system, on designing a mechanism to handle the electrode and the microcontroller programming for the automatic equipment operation. Introducción La meteorología es la ciencia que estudia los fenómenos que ocurren en la atmósfera. Una de sus herramientas principales son las estaciones

meteorológicas. Estas estaciones cuentan con instrumentos que miden velocidad y dirección del viento, temperatura ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar, precipitación pluvial, etc. En las últimas décadas, los cambios climáticos han producido, entre otros efectos, la lluvia ácida. Por ello se considera importante poder medir el valor del pH de la lluvia. Sin embargo, no existen equipos comerciales que midan de forma simultánea la precipitación pluvial y el pH de ésta, por esta razón en este proyecto se diseña un prototipo para tal fin, cuya utilización está dirigida a investigadores en el área ambiental. En este trabajo se muestra su diseño, con las especificaciones dadas más adelante para cada uno de los sensores. En su realización, se planteó integrar funcionalmente el pluviómetro y el medidor de pH. En esta integración se utiliza un microcontrolador [1] para controlar la adquisición, procesamiento y almacenamiento de los datos y, sobretodo, la operación automática del dispositivo. Componentes y procedimientos. Las variables que mide el prototipo son: la cantidad de lluvia precipitada, el pH de ésta y su temperatura. Este último dato podrá ser utilizado en caso de ser necesario hacer correcciones en la variación del pH. Pluviómetro. La unidad de medida de la cantidad de lluvia es el milímetro de precipitación pluvial, que equivale a la altura de columna de agua que se formaría cuando se precipita un litro de agua sobre una superficie de un metro cuadrado (m2). El pluviómetro de balancín es el instrumento más empleado para medir la precipitación y su distribución en el tiempo. Este instrumento cuenta con un mecanismo que produce el cierre de un contacto cada que se recolecta una determinada cantidad de precipitación. En la Figura 1 se muestra el pluviómetro de balancín que se emplea en este prototipo, y el tipo de pulsos que se generan durante su operación.

_______________________________________________________ Rigoberto Longoria Ramírez, Moisés Román Sedeño y José Luis González Rubio Sandoval Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Avenida Palmira y Apatzingán s/n, Colonia Palmira Cuernavaca, Morelos, 62490 México Tel. 01 (777) 3 62 77 70 Ext. 112 Email; [email protected] Se agradece al Dr. Marco A. Oliver Salazar por el apoyo para laadquisición de componentes para este prototipo. *pH es la medida de la acidez o de alcalinidad de una solución.


08 al 10 de octubre de 2008, Cuernavaca, Morelos., México

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Figura 1. Pluviómetro de balancín.

En un pluviómetro de balancín estándar, se produce el cierre del contacto cada que se recolectan 0.25 mm, y por tanto cada pulso equivaldrá a esta cantidad de lluvia recolectada. La resolución de este instrumento es de 0.25 mm y su exactitud es de ± 4 %. Electrodo de pH. La medición de pH consiste en medir el milivoltaje generado por la concentración de iones de hidrógeno de la solución problema y un electrodo de referencia [2]. En la figura 2 se muestra el electrodo que integra el electrodo de referencia.

Figura 2. Electrodo de pH.

Sensor de temperatura. Para medir la temperatura de la lluvia recolectada se emplea el sensor digital de temperatura DS1820. Este sensor proporciona como salida un dato digital correspondiente al valor de la temperatura medida. En [3] se pueden encontrar las especificaciones de éste. Procedimiento de diseño. En general, las etapas de un sistema electrónico de medición son: sensado de la variable a medir, acondicionamiento de la señal proveniente del elemento sensor, procesamiento de la información de la señal, e indicación y almacenamiento del valor de la variable. En este prototipo, los sensores de precipitación y de temperatura se conectan con un arreglo de resistencias a las terminales de entrada del microcontrolador, y se realiza un programa para adquirir la información de cada uno. El electrodo de pH se conecta a un medidor que acondiciona la señal analógica proporcionada por el electrodo de pH, y entrega como salida un valor digital. Esta información digital se envía al microcontrolador en forma serial. Una vez que se tienen estos datos, se almacenan en una memoria extraíble. Se incorpora, además, un mecanismo que manipula el electrodo de pH, permitiendo con ello que el proceso de medición se realice sin intervenir un operador para

posicionar el electrodo. Así como una interfase de usuario que muestra el valor de pH de la solución patrón empleada en la calibración del electrodo. Diseño del prototipo. El prototipo consiste en tres sistemas principales, los cuales se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Sistemas del prototipo.

Adaptación del medidor de pH. La información digital que proporciona el medidor de pH, se lleva al microcontrolador a través de una conexión RS-232. El microcontrolador procesa este valor digital y genera un valor correspondiente de pH, el cual será mostrado y almacenado. En la figura 4 se muestra un esquema de la adaptación del medidor de pH con el microcontrolador.

Figura 4. Adaptación del medidor de pH.

Calibración de la medición de pH. El valor neutro de pH es 7, en este punto el voltaje proporcionado por el electrodo teóricamente debería ser 0 (por ello se le conoce como punto cero del electrodo). Sin embargo, en la realidad se presenta una desviación de este punto, la cual es usual, ya que representa las verdaderas características del electrodo de pH, por ello se realiza un ajuste del punto cero del electrodo, que consiste en hacer un corrimiento del valor de salida de pH, es decir, hacer una suma o resta al valor que proporciona el medidor.



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La pendiente del electrodo cambia conforme éste envejece. Para ajustar la pendiente se multiplica el valor de pH por un factor de corrección. Las operaciones necesarias para efectuar la calibración se llevan a cabo en el programa del microcontrolador. Procesamiento de los datos de los sensores. Las señales acondicionadas de los sensores se introducen al microcontrolador, que se encarga de realizar el procesamiento necesario para convertir estas señales en valores numéricos de precipitación pluvial, temperatura y pH. El microcontrolador acumula el valor de 0.25 cada que recibe un pulso del pluviómetro, y de esta manera se obtiene la cantidad de lluvia precipitada. El sensor de temperatura utiliza el protocolo de comunicación denominado “1- Wire Bus”, es decir se emplea sólo una línea para establecer la comunicación entre éste y el microcontrolador, el cual envía los comandos de control para obtener del sensor el valor digital de la temperatura. El programa del microcontrolador permite obtener un valor de pH a partir del dato digital proporcionado por el medidor de pH al microcontrolador. Almacenamiento de los datos. Un programa en el microcontrolador convierte la información en código ASCII*. De esta manera, esta información puede ser mostrada y almacenada. En este prototipo se empleará una memoria extraíble del tipo SD para almacenar los datos. Interfaz de usuario. La función principal de la interfaz es mostrar el valor de pH de la solución medida. Esta interfase consiste en una pantalla de cristal líquido [4] que visualiza caracteres alfanuméricos y unos botones para operar las funciones de la interfase. Un programa en el microcontrolador permite enviar los datos a este dispositivo de visualización [5] para mostrarlos de forma adecuada. Mecanismo de manipulación del electrodo. El mecanismo de manipulación del electrodo permite mover el electrodo de un recipiente de almacenamiento a otro de medición, y viceversa.

Resultados. Se ha construido el sistema que permite la medición y registro de lluvia, almacenándose esta información en una memoria SD, así como la programación del microcontrolador, diseño y construcción del mecanismo de manipulación del electrodo. Conclusiones. Este desarrollo tecnológico da respuesta a la necesidad de contar con un instrumento capaz de proporcionar, en tiempo real, información sobre intensidad y volumen de la precipitación pluvial, su concentración de iones hidrógeno y temperatura. Información presentada en un arreglo de fácil comprensión y manejo. La adquisición de los elementos sensores y la adaptación nuestra de circuitos y señales significa una disminución importante en el costo del prototipo en general. La adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos, así como la operación de los instrumentos se realizan automáticamente gracias al microcontrolador, lo cual representa un aporte técnico.

Referencias [1] Hoja de especificaciones del microcontrolador PIC16F877A,

Microchip. [2] Creus Sole Antonio, Instrumentación industrial, 7ª edición [3] Hoja de especificaciones del sensor digital de temperatura

DS1820, Dallas Semiconductor, Maxim. [4] Hoja de especificaciones de la pantalla de cristal líquido

JHD204A. [5] Hoja de especificaciones del controlador para pantalla de cristal

líquido de matriz de puntos HD44780U, Hitachi.

Currículo de los autores. Rigoberto Longoria Ramírez. Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Obtuvo su doctorado en el Reino Unido sobre estudios de reacciones químicas en la atmósfera. Ha trabajado en el Grupo Alfa de Monterrey, el Instituto de Investigaciones Eléctricas y en el Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.

*ASCII es el acrónimo de American Standard Code for Information Interchange (Código Normalizado Americano para el Intercambio de la Información). Es un esquema de codificación que asigna valores numéricos a las letras, números, signos de puntuación y otros caracteres, lo cual permite que los ordenadores o computadoras y programas informáticos intercambien información.



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Moisés Román Sedeño. Ingeniero Mecánico egresado del Instituto Politécnico Nacional en 2006. En ese año ingresó al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico para cursar la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica. José Luis González Rubio Sandoval. Ingeniero Mecánico egresado del Instituto Politécnico Nacional en 1976. Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET en 1994. Ha sido profesor de los programas de postgrado de Mecatrónica del CENIDET desde su inicio en 2000.

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - CENIDET · TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS “Diseño y Construcción de un Prototipo Mecatrónico para Medir y Registrar la Precipitación Pluvial

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