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Investigación de técnicas y materiales disponibles para la medición de Temperatura, Humedad Relativa, Conductividad y PH.

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Academic year: 2022

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Investigación de técnicas y materiales disponibles para la medición de Temperatura, Humedad Relativa, Conductividad y PH.

Gonzalo Santos

Objetivos :

• Investigación de los métodos utilizados en la medición de variables físico-químicas asociadas a cultivos Hidropónicos y en Invernaderos.

• Diseño y pruebas de laboratorio de sensores fabricados localmente para la medición de: Temperatura, Conductividad, Humedad Relativa, PH y luminosidad. La interfaz de estos es Analógica, para una salida de Voltaje de 0 a 5 V, para conectar a entradas ADC de un microcontrolador PIC.

• Evaluación de sensores comerciales en base a costos y disponibilidad en el País.

Resultados:

I. Temperatura.

Para temperaturas entre -50 °C y 150 °C se pueden utilizar sensores semiconductores en reemplazo de las Termocuplas tradicionales con la ventaja de costos, linealidad y no necesitar de termocupla de referencia.

La medición en estos casos se basa en la variabilidad del voltaje Base-Emisor de un transistor BJT polarizado en directo con Ic constante para un valor de aproximadamente -2 mV/°C.

El sensor más común basado en lo anterior es el LM335 que es un circuito integrado con encapsulado TO- 92 (transistor) que ofrece una variación de -10 mV/°C y se comporta como un diodo Zener de 3 V.

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La medición de temperatura es necesaria para la compensación de otras variables como Conductividad, PH y Humedad Relativa, siendo que en las dos primeras el elemento debe sumergirse en el líquido, el encapsulado del LM335 por su tamaño y el material de construcción presentó muchos problemas de fijación y sellado contra el agua optando por la utilización de un transistor de potencia TIP41 cuya aleta de disipación metálica permite fijación con tornillo, mejor transferencia de calor y separación de los contactos eléctricos del agua, con la desventaja de requerir un circuito más complejo y debe ser calibrado.

(Circuito de referencia para transistor tomado de National Semiconductor Application Note 31 September 2002)

II. Conductividad.

Se utilizan dos métodos para la medición en líquidos:

1. Sumergir dos electrodos de metal inerte o resistente a la corrosión aplicando entre los extremos un voltaje alterno, en base a los resultados del laboratorio, de frecuencia 10 KHz para evitar los problemas generados por la electrolisis y se mide la corriente que circula a través del líquido. La conducción eléctrica en agua con sales, ácidos o bases en solución es distinto a los metales.

También es útil en medición de suelos.

Como material para los electrodos resulta están:

a) Platino o recubrimiento de platino.

b) Oro o metal con un baño de oro.

c) Grafito.

d) Acero inoxidable (como opción de bajo costo).

En las primeras pruebas se usó dos carbones de Electro-ventilador fijados a case metálica y un armazón para sujetarlos sobre el envase con la solución, de estas se determina el modelo eléctrico

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simplificado que es el siguiente:

(A y B son los electrodos. Cel depende del área de los electrodos, la separación y la constante dieléctrica del agua pura. Csol1 y Csol2 son producto del efecto dieléctrico de los iones en solución, el área y es independiente de la separación. Rsol1Rsol2 y Rel dependen de la concentración de electrolitos. Rel es muy grande)

El circuito de medición más sencillo es el siguiente:

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Después por la necesidad de electrodos con área y separación fija para las mediciones adecuadas se elabora un circuito impresos con pistas expuestas que actúan como electrodos usando como protección anticorrosiva Grafito aplicado por fricción sobre el Cobre con un Lápiz 6B de dibujo.

En mismo circuito impreso se agregan agujeros para la sujeción del transistor utilizado como termómetro.

2. Medición de conductividad por inducción: Consiste en sumergir dos bobinas toroidales una como primario y otra como secundario, se utiliza en soluciones altamente corrosivas ya que el sistema es muy voluminoso y pesado.

III. Humedad Relativa.

Aprovechando la experiencia anterior y la propiedad de las sales higroscópicas, como el Cloruro de Magnesio, en que la cantidad de agua retenida está determinada por la Humedad Relativa se utiliza un circuito impreso similar en que las pistas conductoras grafitadas se cubren con Sal Marina (Sal sin refinar que contiene Cloruro de Magnesio) con una arandela de foamy, otra tapa de baquelita con una ventana y una rejilla metálica para evitar la dispersión de la sal y todo esto ensamblado con tornillos.

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En este caso la conductividad aumenta exponencialmente con la Humedad Relativa por lo que se usa un circuito similar al caso anterior con un corrector de linealidad basado en diodo.

En cuanto a sensores comerciales tenemos dos opciones de bajo costo:

El HS1101 es un Condensador con un dieléctrico de polímero higroscópico cuya capacitancia varía con la Humedad Relativa desde aprox. 165 pF para el 5% hasta aprox. 195 pF para el 95%. Requiere de en circuito para su implementación.

El DHT11 es un sensor digital de Humedad Relativa y Temperatura con interfaz adecuada a cualquier microcontrolador.

IV. PH.

El sensor comercial de uso común se basa en una burbuja de Vidrio dopado con Litio que actúa como selector de iones de Hidrógeno la cual se rellena con una solución de referencia Cloruro de Potasio y en esta se sumerge un alambre de Plata, aparte de este se necesita otro electrodo de referencia y un termómetro para compensación de temperatura por que el PH varía con esta.

En los procesos de corrosión o pasivación de metales sumergidos en soluciones iónicas, al formarse el óxido el Oxígeno cede electrones al metal lo que lleva a un potencial Galvánico que varía con el PH de la solución y el metal. Se utilizan para este estudio los Diagramas de Pourbaix (ver Anexos) dando como resultado que con el uso de electrodos diferentes, uno inerte (se usó un electrodo grafitado de las pruebas de conductividad) y otro de Aluminio se puede medir PH mayor a 4,5 y si se sustituye el Aluminio por Antimonio el rango de medición va de 1 a 13. En el laboratorio se uso un circuito impreso de las pruebas

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de conductividad (grafitado) al que se le fija una lámina de Aluminio , las pruebas dieron como resultado un Voltaje en DC en función de Conductividad, PH y temperatura. En este caso es recomendable que el sensor de PH este implementado directamente en el HAPA para el correcto procesamiento de las mediciones.

(Punta de prueba implementada en medición de PH)

V. Luminosidad.

Para este caso se utiliza una Foto-resistencia, cuando se polariza a un voltaje constante la corriente que circula es proporcional a la luminosidad por lo que un circuito sencillo de medición de corriente basta. Este elemento es de facil adquisición y bajo costo.

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Referencias:

Ways of measuring PH - http://www.horiba.com/application/material-property-characterization/water- analysis/water-quality-electrochemistry-instrumentation/the-story-of-ph-and-water-quality/the-story-of- ph/ways-of-measuring-ph/

Physical properties of sea water - http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_7/2_7_9.html

Corrosión Electroquímica -

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079/htm/sec_6.htm

Conductividad Eléctrica - https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica

Informe Técnico 002 de Cabesti S.R.L. -

http://www.cabestisrl.com.ar/CABESTIsrl/02.informestecnicos.02.htm

Comparación del pH de Diversas Soluciones (página 2) -

http://www.monografias.com/trabajos73/comparacion-ph-diversas-soluciones/comparacion-ph-diversas- soluciones2.shtml

Tablas de contenido de humedad – Devatec -

http://www.devatec.com/humidificacion/pdf/Humidity_content_tables-esp.pdf

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Anexo I

Diagramas de Pourbaix Aluminio

Antimonio

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Anexo II

Montajes en el Laboratorio

(En el Osciloscopio las señales del medidor de Conductividad. En el Multímetro de mesa la salida de Humedad Relativa)

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(Montaje en Protoboard de circuitos para los sensores de Conductividad, Temperatura en líquidos, Humedad Relativa, Temperatura Ambiental y Luminosidad)

Referencias

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