CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
13 CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se desarrollan las razones que llevaron a la selección del tema de esta investigación, la cual esta basada en diversas definiciones técnicas que ayudan a cumplir con el objetivo general y los objetivos específicos planteados y resuelven las dudas o interrogantes expuestas en la descripción del problema, para ello se utilizan diversas fuentes de información acerca del área en estudio, de esta forma se hará una definición tanto conceptual como operacional de las variables con el fin de lograr con éxito los objetivos formulados al inicio de este trabajo especial de grado.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo de esta investigación se realizó el estudio de unos trabajos que servirán como precedente al presente proyecto de automatización. La validez de las conclusiones y recomendaciones de los mismos proporcionaran datos e información de gran importancia.
Echeverría, García y Olivares (2006), realizaron una investigación denominada “Control digital directo para la automatización de un proceso batch” la cual fue desarrollada en la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín.
El objetivo de la misma fue analizar el control digital directo para la automatización de un proceso batch. Este trabajo de investigación fue catalogada por ser una investigación tipo descriptiva, aplicada y experimental. El proceso de recolección de datos en este estudio se realizó, a través de la técnica de observación directa, observación indirecta y las entrevistas tomando nota de los avances alcanzados en la misma, así como el análisis de manuales técnicos e informes realizados por personas expertas y en contacto directo con el área de estudio. Los resultados obtenidos cumplieron con la automatización del proceso de reacción quimica el cual se cumplió mediante el control digital directo del proceso batch.
Los principios y fundamentos del control digital directo concuerdan con la tecnología en la que se basa el PLC Allen Bradley cuya programación cumple con los objetivos planteados en la automatización del proceso que fue investigado la cual consistió básicamente en la mejora del proceso llevándolo de un estado netamente manual a otro donde se minimice la presencia del operador de planta a lo estrictamente necesario. Esto apoya el fin de este estudio en cuanto a la automatización ya que será aplicada en la investigación actual.
Ibáñez (2007), presentó un trabajo de investigación titulado:
“Miniaturización de analizadores químicos mediante la tecnología LTCC”, fue realizada en los laboratorio del grupo de sensores y biosensores del departamento de química de la universidad autónoma de Barcelona donde se destaca como propósito el uso de la tecnología low temperature co-fired
ceramic (LTCC) o cerámicas verdes como una alternativa para la fabricación de analizadores químicos miniaturizados.
El objetivo de dicha investigación fue la puesta en marcha de una nueva línea de investigación dirigida a la obtención de microsistemas de análisis utilizando para su fabricación dicha tecnología . Su elección se apoyó en la facilidad de construir sistemas tridimensionales mediante la metodología multicapa que permita la integración de otros componentes y el procesado en cadena, que reduce significativamente los costos y tiempos de producción.
El procedimiento establecido fue una adaptación a las necesidades requeridas del protocolo general de fabricación de circuitos electrónicos mediante el uso de cerámicas verdes, las etapas básicas del proceso de fabricación fueron:
− Diseño del dispositivo mediante un programa CAD (Computer Assisted Design).
− Mecanizado de las capas constituyentes del dispositivo.
− Serigrafiado de pistas conductoras.
− Integración de diferentes componentes en la cerámica.
− Laminación de las capas.
− Sinterización.
Tuvo como finalidad de establecer un marco comparativo, en los siguientes apartados se dio una visión global de las tecnologías ya consolidadas y sus materiales asociados, discutiendo sus ventajas e inconvenientes para finalmente introducir dicha tecnología y sus aplicaciones actuales.
La conclusión más destacable fue la posibilidad de fabricar, mediante el uso de un sustrato y una tecnología única, de manera modular o monolítica, que es aun más interesante, sistemas que incluyan la fluídica y la electrónica de control.
Es preciso señalar, lo esencial que fue la investigación antes mencionada debido a que proporciona una alternativa en el diseño de nuevos componentes electrónicos lo cual reduce significativamente los costos y tiempo de fabricación.
Díaz, Hidalgo y Sandrea (2009), realizaron una investigación a la cual llamaron: “Sistema automatizado para el monitoreo y control de los servicios de luz y agua residencial”, su propósito fue desarrollar un sistema para el monitoreo y control de los servicios de luz y agua residencial. Se sustentó con los autores Forouzan (2002), Stremler G. (1993) y Tomasi (1996), entre otros. Este proyecto de investigación se consideró de tipo aplicada, prospectiva de campo y factible. Se basó en la metodología del libro
“Robótica práctica”, elaborado por José Ma. Angulo (1986), la cual consta de 9 fases: Definición de las especificaciones, esquema general de hardware, ordinograma general, adaptación entre el hardware y el software, ordinogramas modulares y codificación de programas, implementación del hardware, depuración dl software, integración del hardware con el software, construcción del prototipo definitivo y pruebas finales.
El sistema automatizado se basó en el monitoreo y control de la carga eléctrica y flujo de agua entrante a una residencia por medio de un
controlador lógico programable (PLC) modelo SLC 500 Allen Bradley. Los resultados que obtuvieron fueron totalmente satisfactorio, controlando distintas aéreas de la residencia por orden de importancia, dependiendo del porcentaje de entrada de estos servicios públicos al hogar.
La investigación anterior es de gran aporte al presente proyecto debido a que el sistema diseñado es automatizado al igual que la presente investigación. Por esta razón, los autores empleados que fundamentan las bases teóricas son de gran ayuda.
Cárdenas (2009), realizó una investigación llamada “Diseño y automatización de un monocromador óptico”, la cual tuvo como propósito la construcción e implementación de un sistema automatizado de control para un instrumento conocido como monocromador óptico. Dicha investigación fue de tipo aplicada, prospectiva de campo y factible. En esta tesis se desarrolló un sistema de control automático para un monocromador óptico del tipo Mini- chrom. El sistema construido es capaz de obtener el espectro de una señal de luz, realizando barridos desde una longitud de onda definida hasta otra, de manera automatizada.
Además de llevar a cabo la automatización de un monocromador óptico, una parte fundamental del este trabajo consistió en el desarrollo e implementación de una tarjeta de control y adquisición de datos analógico digital (A/D) la cual se fabricó con el propósito de digitalizar la señal del fotomultiplicador (detector óptico) esto fue necesario para llevar a cabo un proceso de control y automatización. El sistema construido disminuye,
asimismo, el tiempo que toma realizar un espectro electromagnetico, además de que éste se adquiere ahora con lecturas más precisas y en formato digital.
Se considera como aporte al presente trabajo los procesos y etapas que debieron desarrollarse con el fin de lograr la automatización y diseño del sistema completo, así como la fundamentación teórica la cual proporcionan conceptos y términos técnicos relevantes las cuales están relacionadas directamente con las variables de estudio.
Guzmán (2010), en su trabajo de investigación titulado: “Conversión de un espectrofotómetro analógico basados en tubos al vacío, en uno digital con semiconductores”, cuyo propósito fue convertir un espectrofotómetro basado en tubos al vacío en uno basado con semiconductores. La investigación fue de tipo explicativa debido a que se manipularon variables de estudio para dar solución a ese problema. El equipo se desarrolló en tres etapas:
− La fuente de poder que suministra la energía necesaria para la fuente de luz y los circuitos de visualización y amplificación.
− Una etapa de amplificación, la cual toma la corriente generada por el fototubo y la prepara para que pueda ser adquirida por la etapa de visualización.
− La última etapa donde se visualizan los valores que se obtienen de la muestra; esto es “absorbancia” y “transmitancia”, los que se muestran en un voltímetro digital adaptado para mostrar lecturas típicas de colorimetría.
El trabajo que el investigador expuso que el instrumento que se ha utilizado en este trabajo representa una herramienta de diagnostico muy útil
para el profesional de la salud, con el se puede cuantificar diversos parámetros biológicos que determinan que un paciente se encuentre en condiciones de salud aceptables.
La referida investigación se considera como un aporte al presente trabajo debido al estudio y mejoramiento tecnológico de un espectrofotómetro.
2. BASES TEÓRICAS
A continuación se despliegan las principales teorías realizadas por algunos autores reconocidos en el ámbito de la materia que se investiga, destacándose lo referente a espectrofotometría, absorbancia, luz, entre otros.
2.1. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA QUÍMICA CLÍNICA
Los métodos analíticos en los laboratorios son muy complejos y variables, las disciplinas de física, electrónica y otros son una importante herramienta para comprender este método y los principios de los instrumentos clínicos que se aplican en análisis de química sanguínea.
2.1.1. QUÍMICA ELECTRONICANALITICA
Se basa en el estudio de los iones presentes en una solución cuando se aplica voltaje, lo afirma Tietz (1970, p.81): afirma que al colocar un electrodo positivo y otro negativo en una solución de iones y al aplicar una diferencia de potencial se observa que los iones con cargas positivas se desplazan al electrodo negativo y los iones con cargas negativas a los electrones positivos.
El resultado que se produce es una corriente eléctrica entre los electrodos.
Que dependerá de la diferencia de potencial entre electrodos y la concentración de iones en la solución, en relación con esto Tietz (1970, p.81) expone que este método instrumental se emplea para medir la solución de iones en una disolución y recibe el nombre de conductimetría o ponteciometría .
2.1.2. TÉCNICA DEL IÓN SELECTIVO
Según Tietz (1970, p.81) es la técnica en la que se usan electrodos diseñados para aceptar solo ciertos iones específicos con el fin de determinar la concentración de iones de sodio o calcio o el PH de la disolución analizada.
Otras técnicas electroquímicas importantes son:
2.1.3. POLAROLOGRAFÍA
Es una técnica amperimétrica (medición de intensidad de corriente) según Tietz (1970, p.83) “la técnica consiste en medir la intensidad de una corriente a medida que se varia el potencia”. Este tipo de medición comprende un sistema de dos electrodos.
2.1.4. MEDICIONES ESPECTROFOTOMÉTRICAS Y FOTOMÉTRICAS
Henry (1985, p.71), la define como “la determinación de la densidad luminosa de múltiples longitudes de ondas”. Por otra parte Tietz (1970, p.8.)
“es el procedimiento de efectuar una medición de intensidad de luz independiente de la longitud de onda” Por Mediciones Espectrofotométricas se entiende el estudio de la longitud de onda y de la intensidad de la radiación absorbida o emitida por la muestra analizada.
2.1.5. FLUOROMETRÍA
Es la emisión de energía que ocurre cuando ciertos compuestos absorben radiación electromagnética, se excitan y luego regresan a un nivel de energía ordinario más bajo que su nivel de energía original.
Como la energía emitida es entonces menos que la absorbida, la longitud de onda de la luz emitida será de longitud de onda más larga que la absorbida por la excitación, solo en situaciones raras la energía emitida será igual o más alta que la energía absorbida.
Así pues, entre la absorción de energía y la liberación de parte de esta energía en forma de luz y transcurre un lapso de 10nseg a 0.1mseg si el tiempo de emisión pasa de 0.1mseg desde el tiempo en que la especie química absorbe la energía hasta que el tiempo es emitida, el proceso se llama fosforescencia.
2.1.6. ELECTROFORESIS
Martínez (1999, p.84) menciona “La electroforesis es una técnica de laboratorio, en la cual el suero sanguíneo (la parte líquida de la sangre sin
células) se coloca en un papel especialmente tratado y luego se expone a una corriente eléctrica. Las proteínas en el suero se mueven en el papel para formar bandas que muestran la proporción de cada fracción de proteína. Una fracción puede contener varios tipos diferentes de proteínas”
Las proteínas individuales, con excepción de la albúmina , generalmente no se miden; sin embargo, sí se miden las fracciones o grupos de proteínas.
Los niveles de las fracciones de proteínas se pueden calcular midiendo la proteína sérica total y luego multiplicando eso por el porcentaje relativo de cada fracción de proteína.
La electroforesis de lipoproteínas es un tipo de electroforesis de prote ínas que determina la cantidad de proteínas compuestas de proteína y grasa, llamadas lipoproteínas (como el colesterol LDL).
2.2. ESPECTROMETRÍA Y ESPECTROFOTOMETRÍA
Como ya es sabido la espectroscopia “consiste en la medición e interpretación de fenómenos de absorción, dispersión o emisión de radiación electromagnética que ocurren en átomos, moléculas y otras especies química” así lo expresa Willard, Memitt, Dean y Settle (1998, p. 95); por tanto para entender la espectrofotometría es necesario definir ciertas condiciones y cualidades de la energía luminosa. Para comenzar se supondrá la luz como líneas rectas de energía radiante.
Se dice que la luz no viaja a través de la sus tancias es absorbida por esta.
Por lo tanto se puede medir el efecto de la luz en la sustancia en dos
maneras: transmisión y absorción.
2.2.1. ESPECTROMETRIA DE LA RADIOFRECUENCIA A LOS RAYOS-Y
La medida de la emisiòn y de la absorción de la luz por parte de las sustancias denomina espectrofotometría, a menudo simplificada como espectrometría, que es el término vamos a utilizar. Los términos de absorción emisión tienen el mismo significado que el de su uso cotidiano: absorción significa tomar, y emisión significa dar.
Cuando coloquialmente se utiliza el término luz, se refiere normalmente a la luz visible para los ojos. Sin embargo, la luz visible es únicamente una pequeña parte del espectro electromagnético, que incluye las radiaciones de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
Aquí, la palabra luz se utilizará como un término general para la radiación electromagnética, simplemente porque es menos incómodo que radiación electromagnética desde ondas de radio a la radiación-(y).
Los instrumentos específicos utilizados para la espectrometría se denominan espectrofotómetros, espectroradiómetros o espectrómetros, dependiendo de su construcción. Aquí se utilizará el término espectrómetro para referirse a todos los tipos.
2.2.2. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
En la Figura 1 se indica esquemáticamente una parte de onda electromagnética que viaja a través del espacio, en la dirección x, a la
velocidad de la luz (300.000km/s) en el vacío. Como su nombre lo indica, existen componentes eléctricas y magnéticas en la onda dispuesta en ángulo recto.
Figura 1. Porción de una onda electromagnética.
Fuente: Willard, Merritt, Dean y Settle, (1998)
La energía radiante electromagnética es una forma de energía descrita en términos de las propiedades de la longitud de onda ?, de una fuente de radiación electromagnética es la distancia lineal entre los máximos de cualquiera de sus componentes, Henry (1991, p.50) menciona además la frecuencia, v, y la define como “el nùmero de ciclos ocurridos por segundo” y se puede obtener de la ecuación 1, cuando la onda viaja al vacio 300000 Km/s.
? ? ? ? ? ??)
El espectro electromagnético abarca un intervalo muy amplio de longitudes de onda o energía. Las principales regiones del espectro electromagnético, se ilustran en la tabla 1.
Cabe señalar que, la región perceptible por el ojo humano (el espectro visible) no es más que una pequeña parte del espectro. Radiaciones tan
distintas como los rayos gamma y las ondas de radio únicamente se diferencian de la luz visible en la frecuencia, y por lo tanto, en la magnitud de la energía.
Así lo expresan Skoog, West y Holler (1995, p. 386) con su ejemplo un fotón de rayos X (? = ? ?? ??m) es aproximadamente 10000 veces más energético que el emito por un filamento de tungsteno incandescente (? =
? ?? ?m) y ? ??? veces más energético que un fotón de radiofrecuencia (? =
? ?? ?m).
Tabla 1
Región del Espectro Óptico
REGION INTERVALO DE LONGITUD DE ONDA
UV 180-380 nm
INFRARROJO CERCANO 380-750 nm
INFRARROJO MEDIO 0.75-2.5 µm
VISIBLE 2.5-50 µm
Fuente: Skoog, West y Holler, (1995)
2.3. LA LUZ
Es una forma de energía radiante que tiene propiedades ondulatorias, y se describe generalmente en términos de calor, sin embrago cuando el calor debe describirse con precisión o la energía radiante es fuerza del rango visible, debe especificarse la energía en términos de longitud de onda.
Las diferencias de calor manifiestas en el equipo visible no son más que vibraciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda van desde unos 380
nm (violeta) hasta unos 750 nm (rojo) aproximadamente esto se ilustra en la Figura 2.
Figura 2. Espectros visibles.
Fuente: Ferrer (2000)
Las luces de longitud de ondas intermedias a este intervalo se reciben como azul, verde, amarillo o naranja, los valores aproximados de longitudes por cada color se muestran en la tabla 2.
Tabla 2
Longitudes de Onda del Espectro Visible
INTERVALOS DE LONGITUD DE ONDA (nm) COLOR
380- 435 VIOLETA
435-480 AZUL
480-490 AZUL-VERDE
490-500 VERDE-AZUL
500-560 VERDE
560-580 AMARILLO-VERDOSO
580-595 AMARILLO
595-650 NARANJA
650-750 ROJO
Fuente: Skoog, West y Holler, (1995)
Cuando la luz incide entrando en el ojo contiene más de una longitud de onda, la sensación de colores producida es causada por la combinación de
las mismas. Cuando todas las longitudes de ondas de luz visible convergen en haz ligero, se crea la sensación de luz blanca.
2.3.1. DIFRACCION DE LA LUZ
Cuando un haz de luz pasa a través de una ranura muy estrecha, se produce el fenómeno de la difracción consistente según Gilford (1993, p. 4)
“En la descomposición o cambio de dirección de un haz de luz cuando este se hace pasar a través de una pequeña abertura en un cuerpo opaco”
expone además “una ranura puede desviar el haz de tal manera que el rayo difractado se compone de áreas claras y áreas oscuras” lo cual se considera como fraccionamiento del rayo original.
2.3.2. INTERFERENCIA OPTICA
Dos ondas se pueden combinar e interferir constructiva o destructivamente. En la Figura 3. Las ondas poseen valores iguales de longitudes de onda, frecuencia y amplitud, pero se encuentran desfasadas 180.
Figura 3. Dos trenes de ondas desfasados entre sí.
Fuente: Willard, Merritt, Dean y Settle, (1998)
Cuando las amplitudes de estas ondas se suman en una misma en el espacio, el resultado será una interferencia destructiva en la que cancelan sus amplitudes. Si ambas ondas se hallan en fases, el resultado sería una interferencia constructiva que produce una onda con el doble de amplitud de sus componentes para todas las posiciones especiales.
2.4. INSTRUMENTACION PARA LA ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION DE RADIACION VISIBLE
En esta sección se consideran los aspectos operativos y de diseño de los instrumentos que se utilizan en la espectrofotometría de absorción en la región visible del espectro.
Refieren los autores Skoog, West y Holler (1995) que en un instrumento espectroscópico característico incluyen cinco componentes.
− Una fuente estable de energía radiante.
− Un selector de longitud de onda que aísla una región limitada del espectro para hacer la medición.
− Un recipiente transparente para contener la muestra
− Un detector de radiación que convierte la energía radiante en una señal eléctrica.
− Un sistema de tratamiento y lectura de la señal, el cual visualiza la señal transducida en una escala de medida.
Los módulos de los instrumentos y su posible organización se presentan en la figura 4.
a)
b)
Figura 4. Módulos instrumentales para medir la Absorción de Radiación Fuente: (Willard, Merritt, Dean y Settle, 1998)
2.4.1. FUENTE DE RADIACION
La misión de la fuente de energía es proporcionar energía radiante en forma de luz visible o no visible.
Las fuentes de radiación para la espectrofotometría de absorción poseen a)
b)
Fuente de Radiación
Selector de Longitud de
Onda
Muestra Detector Fotoeléctrico
Sistema de Tratamiento y Lectura de Señales
Fuente de Radiación
Muestra Selector de Longitud de
Onda
Detector Fotoeléctrico
Sistema de Tratamiento y Lectura de Señales
dos condiciones básicas, tal como lo explican Willard, Memitt, Dean y Settle (1998, p.115) “primeramente deben proporcionar la suficiente energía radiante a lo largo de toda la región de longitudes de onda en la que se medirá la absorción. Y segundo, deben mantener una intensidad constante por encima del intervalo tiempo durante en el q ue se realicen las medidas”.
Las fuentes espectroscópicas son de dos tipos, las Fuentes Continuas,
“emiten una radiación cuya intensidad varia solo de manera gradual con la longitud de onda” Skoog, West y Holler (1995, p.389), y las Fuentes de Líneas, “emiten un número limitado de bandas de radiación, cada una de las
cuales abarca un intervalo muy reducido de las longitudes de onda” Skoog y Larry (1994, p.93).
La tabla 3, enumera las fuentes continuas que se emplean en la espectroscopia. Las mediciones arriba de 350nm hasta el infrarrojo cercano a 2.5µm generalmente se realizan con lámparas de filamentos incandescentes que dan un aspecto continuo en todo ese intervalo, tal como lo expresa Willard, Merritt, Dean y Settler (1998, p. 116) “las lámparas incandescentes son unidades robustas, robustas de bajo costos.
Tabla 3
Fuentes Continuas para Espectroscopia Óptica Fuente Intervalo de Longitud
de Onda (nm)
Tipo de espectroscopia Lámpara de Xenón 250-600 Fluorescencia Molecular Lámparas de ??y ?? 160-380 Absorción Molecular UV
Lámparas de
Tungsteno/Halógeno 240-2500 Absorción Molecular UV/VIS/IR Cercano Lámparas de
Tungsteno 350-2200 Absorción Moléculas
VIS/IR Cercano Emisor de Nemst 400-20000 Absorción Molecular IR Alambre de Nicromo 750-20000 Absorción Molecular IR Globar 1200-40000 Absorción Molecular IR Fuente: Skoog, West y Holler (1995)
2.4.2. SELECTORES DE LONGITUDES DE ONDA
Todos los espectrofotómetros poseen alguna forma de discriminar entre las diferentes frecuencias de radiación, si se trata de la región visible del espectro, se usa por lo regular filtros, prismas o redes de reflexión. Los prismas y redes de difracción tienen la ventaja de que la señal de salida de longitud de onda se puede variar continuamente a lo largo de un intervalo espectral considerable, por su parte la ventaja de los filtros radica en su simplicidad, resistencia y bajo costo.
Filtros: Los filtros de interferencia se basan en las interferencias ópticas para así proporcionar bandas de radiación estrechas.
Dos tipos de filtros se emplean para la selección de la longitud de onda, los de Absorción y los de Interferencia. En general los filtros se catalogan por la longitud de onda a la cual se obtiene la transmisión máxima y por sus anchos de bandas efectivos.
Los filtros de absorción son más económicos que los filtros de
interferencia, se limitan a la región visible del espectro y funciona absorbiendo ciertas zonas del mismo. El tipo más usual según Skoog y Learry (1994) es un vidrio coloreado o una suspensión de un colo rante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio, así mismo, expresan respecto al primero “tienen la ventaja de una mayor estabilidad térmica”.
La figura 5. Muestra las características de transmisión de un filtro de absorbancia y un filtro de interferencia comunes.
− PRISMAS: Los prismas pueden utilizarse para dispersar radiación ultravioleta, visible e infrarroja, y se puede seleccionar la longitud de onda deseada usando un sistema mecánico.
− REDES DE DIFRACCIÓN: Una red de difracción consiste en un material transparente que tiene una serie de líneas finas o ranuras. El número de líneas determina la calidad de la red, esta proyecta un espectro lineal después de dispersa la energía, se puede utilizar algún medio mecánico para separar la longitud de onda a usar
Figura 5. Anchura de Banda efectiva para dos tipos de filtros.
Fuente: Skoog, West y Holler, (1995)
2.4.3. RECIPIENTE PARA LA MUESTRA
Todos los estudios espectroscópicos, con excepción de la espectroscopia de emisión, precisa de recipientes que contenga la muestra. Al igual que los elementos ópticos de los instrumentos, las celdas o cubetas que contienen las muestras deben fabricarse de un material que permita el paso de la radiación de la región espectral de interés. La figura 6 permite observar algunos ejemplos de cubetas.
Figura 6. Ejemplos de celdas más comunes.
Fuente: Carrillo, Belandia, Leones, Medina (1995)
2.4.4. DETECTOR DE RADIACION
Un detector es un dispositivo que indica la existencia de algún fenómeno físico. En los primeros instrumentos espectroscópicos se usaban el ojo humano, las películas o placa fotográficas, hoy en día estos se han sustituidos por transductores que convierten la energía radiante en una señal eléctrica.
El detector ideal debería tener según Skoog y Learry (1994.p 113) “un amplio intervalo de longitudes de onda, una elevada sensibilidad, una elevada relación señal/ruido y una respuestas constante”, además debería poseer un tiempo de repuesta rápido y una mínima señal de salida en ausencia de iluminación.
Por tanto la señal producida por el transductor debería ser proporcional a la potencia radiante. Esto es, S = K x P (2); en donde S es la repuesta eléctrica en término de corriente, voltaje o resistencia, y K es un factor proporcional.
Para Willard, Meritt, Dean y Settle (1998, p 138) las características más importantes de un detector son “sensibilidad espectral, repuesta a la longitud de onda, ganancia y tiempo de repuesta”.
Existe dos tipos generales de transductores de radiación; uno responde a los fotones y el otro al calor. Todos los detectores de fotones (también llamados fotoeléctricos o cuánticos) tienen una superficie activa capaz de absorber radiación, los detectores térmicos por su parte responde a la potencia media de la radiación incidente.
− TUBOS FOTOEMISORES: Los tubos fotoemisores al vacío son combinaciones simples de fotocátodo- ánodo alojado en una cubierta al vacío.
Este elemento contiene un cátodo sensible a la radiación, con forma de medio cilindro metálico recubierto es su superficie receptora por una capa de material sensible a la radiación, y un ánodo en forma de alambre dispuesto en el eje del cilindro o como un alambre de configuración rectangular que enmarca el cátodo.
El fotocátodo opera según el principio de que se emite electrones desde algunos materiales en proporción directa al número de fotones que inciden en su superficie.
− TUBOS FOTOMULTIPLICADORES: Estos son una combinación de un cátodo fotoemisivo y una cadena interna de dinodos multiplicadores de electrones.
La radiación incidente expulsa fotoelectrones del cátodo. Estos fotoelectrones son enfocados por unos campos electrostáticos y acelerados hacia un electrodo curvo, que corresponde al primer dinodo, el cual está recubierto por un compuesto, que expulse varios electrones como resultado del impacto de un electrón de alta energía. Repitiendo este proceso multiplicador electrónico a lo largo de una serie de dinodos sucesivos que se mantiene a altos voltajes, se produce una corriente de avalancha que finalmente arriba el ánodo.
− FOTODIODOS: Los fotodiodos operan según un principio completamente distinto al de los detectores anteriores. La construcción de diodo con unión P-N, se indica en la figura 7. El proceso comienza con un material que posee resistividad intrínseca muy alta, posteriormente se realizan difusiones p y n muy superficiales en las caras superior e inferior respectivamente y la superficie interior se protege con un recubrimiento de dióxido de silicio. Se
forman contacto metálico en la superficie superior e inferior para permitir las conexiones eléctricas. Las regiones P difusas determinan la unión y el área óptimamente activa. Un fotón debe llegar al área activa (o intrínseca) para producir flujo de corriente en el circuito externo.
Figura 7. Configuración de un fotodiodo de unión P-N y difusión plana.
Fuente: Willard, Merritt, Dean y Settle, (1998)
2.4.5. PROCESADORES DE SEÑALES Y DISPOSITIVOS DE LECTURAS
El procesador de señales, es un dispositivo electrónico que amplifica la señal electrónica del detector, además para eliminar los componentes indeseados, puede alterar una señal de corriente continua a alterna (o viceversa) cambiaria de fase o filtraría. Así mismo, puede ser necesario que el procesador de señales realice operaciones matemáticas con la señal tales como diferenciar, integrar o convertir el logaritmo.
Respecto a los dispositivos de lectura, se conoce en los instrumentos modernos varios tipos, por ejemplo: medidores digitales y analógicos,
registradores, monitores de microcomputadoras, entre otros.
2.5. DISEÑO DE INSTRUMENTOS
Los componentes descritos anteriormente se han combinado en varias formas para fabricar dos tipos de instrumentos que se utilizan para las mediciones con radiación ultravioleta, visible o infrarroja, espectrofotómetros y fotómetros.
Los espectrofotómetros emplea una rejilla o un prisma para proporcional una banda angosta de radiación para las mediciones. Los fotómetros, en contraste, utilizan un filtro de absorción o un filtro de interferencia para este propósito.
Puede decirse que los espectrofotómetros ofrecen la ventaja de que la longitud de onda que se usa se puede variar continuamente, haciendo así posible el registro de todo el espectro de absorción. Por su parte, los fotómetros tienen la ventaja de simplicidad, robustez y bajo costo.
2.5.1. INSTRUMENTOS DE UN SOLO HAZ
El tipo más simple de espectrófotometro de absorción se basa en la operación con un solo haz, en el cual “la muestra se examina para determinar la cantidad de radiación absorbida a una longitud de onda dada.
Los resultados se comparan con el de una referencia obtenida en una determinación separada” Willard, Merritt, Dean y Settle (1998, p 146).
El material de referencia (prueba en blanco del disolvente solo) se coloca en el trayecto de la radiación y el instrumento se ajusta a 0% en transmitancia, con el obturador bloqueando por completo la radiación hacia el detector y, al retirar el obturador, el valor de transmitancia se deberá ajustar hasta 100% transmitancia. En general, Skoog y Learry (1994, p 160) afirman:
“la determi nación de la transmitancia supone tres etapas sucesivas separadas en el tiempo: (1) ajuste del 0% de T colocando un obturador en posición; (2) ajuste del 100% de T con el disolvente en la trayectoria de la luz; y (3) medición del % de T con la muestra colocada”.
Un espectrómetro de haz simple contiene una fuente capaz de producir todas las longitudes de onda necesarias. La energía de la fuente se dirige, por una lente, a una red de difracción o un prisma que refracta o dispersa la energía para producir un espectro, o un filtro para seleccionar la longitud de onda deseada para el análisis, este detiene toda la energía a excepción de la longitud de onda seleccionada, pasa por la muestra la cual absorbe parte de la energía, y el balance de energía es tomada por el detector, convirtiéndolo una cantidad equivalente de energía eléctrica. Moderada por el dispositivo de lectura que es adecuadamente marcado. En la figura 8 se puede observar unos de los variantes de este diseño.
Figura 8. Instrumentos de un solo haz.
Fuente: Gilford, (1993)
Al utilizar estos instrumentos de un solo haz, se deberá conocer con anticipación el valor máximo de absorción para el analito y establecer la longitud de onda correspondiente a este valor, siendo así, un funcionamiento típico es el siguiente:
− Manualmente seleccionar la primera longitud de onda
− Insertar la referencia
− Ajuste el instrumento a 0 absorbancia, o 100% transmitancia
− Inserta la muestra y tomar el valor de absorbancia
− Realizar los cálculos pertinentes 2.5.2. INSTRUMENTOS DE DOBLE HAZ
La figura 9 representa un diagrama de un instrumento característico de doble haz, en estos instrumentos de radiación se divide en dos componentes con potencias radiantes similares. Un haz pasa a través de
la muestra, y el otro a través de la solución de referencia o del blanco.
En este caso, un espejo sectorizado rotatorio dirige la radiación procedente del filtro o monocromador, alternativamente a la cubeta de la muestra. Los pulsos de radiación se combinan por medio de un espejo que refleja unos de los haces y trasmite al otro detector.
Figura 9. Sistema óptico de un instrumento de doble haz.
Fuente: Gilford, (1993)
2.5.3. INSTRUMENTOS MULTICANAL
Un tercer tipo de instrumento de absorción, se basa en una serie de diodos, tal como se muestra en la figura 10. Este tipo de instrumento puede tener una óptica sencilla, precisado solo una fuente y una red de reflexión fija que dirija la radiación dispersada a la superficie de una serie de diodos, donde todos los elementos espectrales se detectan simultáneamente.
Hay que detectar que los instrumentos de serie de diodos se diferencian
de los otros tipos de diseños en que la muestra se coloca entre la fuente y el monocromador. Esta geometría se necesita porque todas las longitudes de onda se miden a la vez. Por el contrario, en los instrumentos ordinarios de un solo haz y doble haz, la muestra se suele colocar entre selector de longitud de onda y detector.
Skoog y Learry (1994, p. 161). Exponen:
Esta disposición es necesaria en los instrumentos de ultravioleta/visible (pero no en los infrarrojos), para poder minimizar la fotodescomposición de las especies que resultan de la exposición a toda la potencia de la fuente. En los instrumentos de series de diodos, la fotodescomposición no suele ocurrir, ya que la exposición a la radiación dura solo un tiempo breve.
Figura 10. Espectrómetro multicanal de serie de diodos.
Fuente: Skoog y Learry, (1994) 2.5.4. FOTOMETRO
Se determinò mediante los siguientes autores Willard, Merritt y Dean (1975, p. 390) que el espectrofotómetro de emisión es uno de los instrumentos mas importantes entre los que se utilizan hoy en día en
laboratorios clínicos. Ofrece una de las determinaciones más convenientes, exactas y precisas.
2.6. TRANSMITANCIA Y ABSORBANCIA
En análisis espectrofotométricos, interesa medir el efecto de la energía radiante en sustancias específicas, para lo cual se aplica en términos de transmitancia y absorbancia.
2.6.1. TRANSMITANCIA
La transmitancia T de la solución la definen Skoog, West y Holler (1995. p.
404) “como la fracción incidente transmitida por la solución”, y así se expresa en la ecuación 3:
? ? ? (3)
Es común que la transmitancia se exprese como un porcentaje.
2.6.2. ABSORBANCIA
La absorbancia de una solución se define la ecuación 4:
? ? ?? ??? ? ?? ???? ? ? ? (4)
Obsérvese que la absorbancia de una solución aumenta conforme disminuye la transmitancia.
Figura 11. Representación de la Transmitancia de una solución.
Fuente: Skoog, West y Holler, (1995)
2.6.3. LEY DE BEER
Las características de una sustancia expuesta en las ecuaciones 5,6 y 7 siguen la Ley de Beer. “la absorbancia de una muestra homogénea es directamente proporcional a la concentración de la sustancia absorbente”, así lo afirma Henry (1985. p.73). De acuerdo con esta ley, la absorbancia está relacionada linealmente con la concentración de la especie absorbente (c) y con la longitud de la trayectoria (b) de la radiación en el medio absorbente.
Es decir,
? ? ?? ????? ??? ? ? ??? (5)
Donde a es una constante de proporcionalidad denominada absorbitividad, puesto que la absorbancia es una cantidad adimensional, la absorbitividad debe tener unidades que canceles las unidades de b y c.
Cuando la concentración c en la ecuación se expresa en moles por litro, y b en centímetros, la constante de proporcionalidad se denomina absorbitividad molar, y se le representa con el símbolo €. Por tanto,
? ? ¼? ? (6)
Donde € tiene unidades de L ?? ? ?? ? ?? ? (7)
2.7. QUIMICA SANGUINEA
En carácter general, la química sanguínea se puede definir como la aplicación de la química analítica al análisis de los componentes sanguíneos, al respecto Skoog, West y Holler (1995, p. 1) citan lo escrito por Wilhenlm Ostwald (1984);
La química analítica, o el arte de conocer diferentes sustancias y determinar sus constituyentes, adquiere un lugar destacado en las aplicaciones de la ciencia, gracias a que nos permite contestar las preguntas que surgen cuando se emplean cualesquiera de los procesos químicos para propósitos científicos o técnicos. Su gran importancia ha hecho que se cultive desde los inicios de la historia de la química, y ha permitido que gran parte del trabajo cuantitativo se extienda a todo el dominio de la ciencia.
Para Wendell Caraway, colaborador en Tietz (1972, p.125), el termino química sanguínea se refiere “a la determinación de la composición elemental de una muestra… o la determinación de una sustancia presente en la muestra”. Las técnicas de análisis químicos permiten definir cualitativa y cuantitativamente la presencia de ciertos componentes de la sangre en determinado individuo, entre los componentes sanguíneos que se podrán analizar al culminar esta investigación, cuentan:
− Glicemia
− Colesterol
− Triglicéridos
Para la determinación cuantitativa de los componentes sanguíneos antes mencionados, es necesaria la preparación previa de la muestra sanguínea.
Que en modo general comprende lo siguiente:
(1) Separación de la sangre plasma sanguíneo y suero.
(2) Preparar una porción de suero necesaria con el reactivo indicado para el componente que se desea estudiar. Estas preparaciones son realizadas por el personal necesario y dependen directamente del análisis requerido y el reactivo químico a utilizar.
(3) Contando ya con la mezcla especifica, se pueden realizar las mediciones. Para química sanguínea se utilizan por lo general las técnicas de análisis espectrofotométricas.
A continuación se indican el principio de medición, condiciones y cálculos necesarios para realizar el análisis cuantitativo de química sanguínea, de acuerdo al tipo de reacción de la sustancia que se desee estudiar, considerando solo los más comunes.
2.7.1. METODO PUNTO FINAL (PF)
La figura 12 indica una típica reacción Punto Final. Después del tiempo de incubación requerido la reacción alcanza el desarrollo máximo del color, llega al Punto Final. El color de la reacción permanece estable y constante por cierto periodo de tiempo. Sigma Diagnostics (1996, p.55) expresa “Durante este tiempo una medición de Absorbancia o Densidad Óptica es tomada”.
Figura 12. Reacción Punto Final de una Sustancia.
Fuente: Sigma Diagnostics, (1996)
La reacción sigue la Ley de Beer y los cálculos de concentración se realizan usando un Standard cocido y Factor y aplicando la ecuación 8 y 9:
?? ? ? ? ?? ? ??? ? ??? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? (8) Donde:
? ? ? ? ? ? ? ??? ? ??? ? ? ? ?? ? ??? ??? ? ? ? ?? ? ? (9)
? ? ? ?? = Concentración de la muestra desconocida.
? ? ?? = Absorbancia de la muestra desconocida.
? ? ?? ? Absorbancia del blanco.
? ? ?? ? ? ? Absorbancia del estándar.
? ? ? ?? ? ? ? Concentración del estándar conocida.
2.7.2. METODO ENZIMATICO
A diferencia del caso anterior, la actividad enzimática, es variable linealmente durante cierto periodo de tiempo, después del tiempo de
incubación. Para determinar la concentración de una sustancia con este comportamiento se requiere entonces, tomar dos lecturas de absorbancia, tal como lo expresa Sigma Diagnostics (1996. p. 5-8) “Después del tiempo de incubación pre-definido, dos lecturas de absorbancia son tomadas separadas por un intervalo de tiempo programado”.
La figura 13 muestra un ejemplo de la reacción enzimática y la concentración de sustancia en la muestra, se define según la ecuación 10 y 11 siguiente:
?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (10) Donde:
? ? ? ? ? ?? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ?? (11)
?? ? ? ? ?? = concentración de la muestra desconocida.
? ? ? ? ? ? ? Valor proporcional conocido.
?? ? ???? ? Absorbancia de la muestra en ??
?? ? ???? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ??? (12)
?? ? ???? ? Absorbancia de la muestra en ??
?? ? ???? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ??? (13)
Figura 13. Cambios de Absorbancia en una Reacción Enzimática.
Fuente: Sigma Diagnostic, (1996)
Para expresar la actividad enzimática la Unión Internacional de Bioquímica a principios de los años 60, acepto como unidad generalizada la Unidad Internacional (IU), la cual define la cantidad de una enzima que catalizara la transformación de un 1µmol de sustancias por minuto bajo condiciones estándares. Al respecto Lawrence y Pesce (1989. p. 35) enuncian “Esta actividad es expresada en términos de unidades de enzima por litro de suero, o mini unidades por mililitros, en la siguiente ecuación:
1IU/L = µmol/minuto/litro de suero
2.8. SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATIZADOS
De acuerdo al propósito de estudio se comprenderá por sistema la reunión de un conjunto de subsistemas que individualmente trabajan sobre una serie de objetivos, donde el resultado logrado de la integración de cada uno de estos supere la suma de los productos arrojados particularmente el ambiente que los rodea.
Con respecto a los sistemas de control automatizados Dorf (1989. P.105) expresa que el análisis de los sistemas se basa en los criterios arrojados por los sistemas locales lo que supone una relación causa efecto por los componentes de un sistema común, en el cual la variable controladora se denomina plata o proceso que es la cantidad o condición modificada por el controlador a fin de efectuar la variable controladora.
Los sistemas de control manejan lazos que están constituidos por los
siguientes elementos de control: el proceso, la variable de control, el elemento primario, el elemento que realiza el control de la variable mediante un programa o algoritmo de control (el controlador) y finalmente el elemento que realiza la información sobre la condición de la variable, cuyas características principales son según Ogata (1993. p.83) las siguientes:
− ESTABILIDAD: significa que la respuesta a una señal debe mantenerse útil y alcanza un objetivo determinado durante un periodo de tiempo razonable, por lo que un sistema de control que no cumpla con esta condición podría producir oscilaciones persistente o de gran amplitud en la señal o hacerla que tome valores extremos lo que perjudica la estabilidad del proceso disminuyendo la confiablidad del mismo.
− VELOCIDAD: los sistemas de control deben completar una respuesta a una señal en un tiempo aceptable, dicha velocidad depende de las necesidades de los usuarios del sistema de control.
− SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO: se denomina abierto aquel en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, por lo cual un sistema de control de circuito abierto utiliza un regulador o actuador de control a fin de obtener la respuesta deseada.
− SISTEMA DE CONTROL A LAZO CERRADO: se denomina cerrado aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida de alguna entrada de referencia, comparándola y utilizando la diferencia como medio de control.
En contraste con un sistema de control de lazo abierto, el de lazo cerrado utiliza una medición adicional de la salida real, para compararla con la respuesta de salida deseada.
2.8.1. CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATIZADOS
Los sistemas de control automatizados se clasifican de acuerdo a la acción de control que estos realizan y se dividen según Ogata (1993) de la siguiente forma:
− CONTROL ON-OFF: en este sistema de control el elemento de acción presenta únicamente dos posiciones fijas, que en mucho de los casos son simplemente conectados o desconectados, donde el rango en el que se debe desplazar la señal de error actuante antes de que se produzca la conmutación se llama brecha diferencial la cual esta expresada en la ecuaciones 14 y 15:
M (t) = M1 para e (t) mayor que 0 (14) M (t)= M2 para e (t), menor que 0 (15)
Donde M (t) es la señal de salida de control y e (t) la señal de error actuante, para la cual la señal M (t) permanecerá en un valor máximo o mínimo dependiendo de que la señal de error actuante sea positiva o negativa, por lo que la brecha diferencial hace que la salida de control M (t) mantenga su valor hasta que la señal de error actuante haya pasado levemente el valor de cero.
− CONTROL PROPORCIONAL: consiste esencialmente en un amplificador con ganancia ajustable independientemente del mecanismo que utiliza y la potencia que lo alimenta, para la cual la relación entre la salida de control M(t) y la señal de error actuante se representa en la ecuación 16:
M (t) = Kp. e (t) (16)
Donde Kp viene a ser la sensibilidad o ganancia proporcional.
− CONTROL INTEGRAL: consiste en un sistema que elimina la acción del control proporcional por lo cual es denominado también control de reposición donde el valor de la salida del controlador varia proporcionalmente a la señal de error actuante y se representa en la ecuación 17:
? ??? ? ?? G? ????G? ??? (17) Donde ?? es una constante regulable.
Cabe destacar que, en este tipo de sistema al duplicar el valor de e(t) el valor de M(t) varia dos veces más rápido, y para un error actuante igual a cero M(t) se mantiene estable.
− CONTROL PROPORCIONAL E INTEGRAL: este tipo de control queda defi nido en la ecuación 18:
? ??? ? ? ? G???? ? ????G? ? ???G? ????G? ??? (18)
Donde Kp representa la sensibilidad proporcional o ganancia y ?? el tiempo integral, para este tipo de control tanto Kp como ?? son regulables, donde Kp efectúa tanto la parte integral como a la proporcional de la acción de control, mientras que ?? regula la acción del control integral, por otro lado el inverso del tiempo integral es el número de veces por minuto que se duplica la parte
proporcional de la acción de control.
− CONTROL PROPORCIONAL Y DERIVATIVO: el control proporcional y derivativo queda definido en la ecuación ecuación 19:
? ??? ? ? ? G???? ? ? ? G? ? G?? ?? ??G???? (19)
Donde Kp es la sensibilidad proporcional y Td el tiempo derivativo, tanto Kp como Td son regulables. Donde la acción de control derivativa, a veces denominada control de velocidad, es aquella en la cual el valor de salida de control es proporcional a la velocidad de variación de la señal de error actuante.
El tiempo Td es el intervalo en el que la acción de velocidad adelanta al efecto de acción proporcional (predice el error), la cual es la principal ventaja del control derivativo, teniendo como desventaja que amplifica las señales de ruido y puede produce efectos de saturación en el accionador, por lo cual nunca se debe tener una acción de control derivativa sola, porque este control es efectivo únicamente durante periodos transitorios.
− CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID): la característica principal que presenta esta acción de control es que presenta todas las ventajas que posee cada sistema por separado, es decir se encuentra que es proporcional ya que el flujo entrante es proporcional al error actuante, para dar un corrimiento en la repuesta de entrada, donde la acción integral se encarga de eliminar este corrimiento y al unir este a la acción debilitada brinda la posibilidad de obtener un control de alta sensibilidad corrigiendo la variación de error actuante antes de que el valor del mismo sea excesivo.
Por esto la mayoría de los lazos de retroalimentación son controlados por este tipo de algoritmos o pequeñas variaciones de este, además de la utilización en el ámbito mundial de la mayoría de los instrumentistas en ingenieros de control en su trabajo diario.
Cabe destacar, que el PID es muy difícil de entonar debido a que se tienen tres accionadores para ajustar, por tales razones requiere de un ajuste continuo y extensivo para mantenerlo debidamente entonado.
La ecuación de esta acción de control combinado está dada por la ecuación 20:
0??? ? ? G???? ? ? G ? ??????? ???? ? ? ?? ????G???? (20)
Con respecto a los procesos de automatización en las plantas e industrias, estos son aquellos donde los procesos son principalmente coordinados y controlados mediante sistemas automáticos.
Por consiguiente, automatizar los procesos implica crear una infraestructura que permite desarrollar las operaciones del proceso, dentro de los criterios y límites establecidos, permitiendo la adquisición de datos en tiempo real y el manejo de dicha información dentro de todos los niveles supervisorios involucrados, que deben cubrir todo el control automático del proceso como también el control automático de la información.
De lo antes expuesto se asume que la automatización es entonces, el resultado de la unión del sistema supervisorio y de control, esta minimiza una serie de etapas que se realizan en los procesos operacionales o parte de ellos, son ejecutados o controlados por equipos autónomos sin intervención manual.
Lo antes indicado hace inferir que automatizar implica fundamentalmente mecanizar la interface de medición y control de los parámetros asociados y facilidades de las operaciones de producción, a través de la implantación de sistemas de supervisión y control.
Otro beneficio que produce la automatización es que permite posibilidades adicionales para el manejo de relaciones complejas, integración de procesos asociados y optimización dinámica y global, que son inherentes al equipamiento utilizado.
Es importante destacar que, la automatización se basa fundamentalmente en la explosión de capacidad de comunicaciones y procesamiento de datos, lo que hace posible la captura y transferencia de un alto número de mediciones y/o controles de proceso en forma confiable, oportuna y económicamente atractiva, así como el procesamiento de la información en forma integrada y coherente para optimizar el rendimiento de la operación.
2.9. ELECTRONICA: FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS DE ESTADO SOLIDO
En esta sección se proporciona una breve descripción de los principios básicos de la tecnología de los semiconductores y de los componentes esenciales que se utilizan en los instrumentos modernos.
2.9.1. COMPONENTES SEMICONDUCTORES
Se denomina semiconductor a “un material que posee un nivel de
conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor” Boylestad y Nashelsky (1997. p. 3), conociendo que un conductor es cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales. Y un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.
Los semiconductores se pueden dividir en dos tipos:
− SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS: llamados puros, es decir, aquellos en los que todo el material está formado por un solo componente básico.
− SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS: llamados impuros, queriendo con ello decir que no todo el material está formado por un componente, sino que están mezclados con otros, en proporción y tipo adecuado.
Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro, esto se conoce como proceso de dopado.
Dentro de los componentes extrínsecos se encuentran
− LOS TIPO P: en los cuales el material es dopado con impurezas trivalentes (átomos de tres e-3 de valencia).
− LOS TIPOS N: en los cuales el material es dopado con impurezas pentavalentes (átomos de cinco e-5 de valencia).
Los principales componentes activos de los circuitos electrónicos son los transitares y los diodos. El diodo es el dispositivo más simple que permite el paso de corriente eléctrica en un sentido o dirección, pero no en el opuesto, y
se forma con solo juntar el material tipo p y tipo n.
Respecto a las condiciones de funcionamiento básico del diodo Sahuquillo y Lascorz (1993. p. 21) expresan “Disponen de dos terminales llamados ánodos y cátodo que son respectivamente el bloque P y el N. su principal característica es dejar pasar la corriente en un sentido, es decir, es unidireccional”, su símbolo grafico más común es el que se muestra en la figura 14.
Figura 14. Diodo Semiconductor.
Fuente: Sahuquillo y Lascorz, (1993)
El transitar lo define Boylestad y Nashelsky (1997. p. 113) como “ un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste en dos capas de material tipo N y una capa tipo P o bien dos capas de tipo P y una capa de tipo N. al primero se le llama transistor tipo npn, en tanto que al segundo pnp”.
Figura 15. Símbolos y Terminales del Transistor NPN y PNP.
Fuente: Sahuquillo y Lascorz ,(1993)
Los nombres de sus terminales son según lo explica Sahuquillo y Lascorz (1993):
− BASE: terminal cuya conductividad es contraria a los otros terminales.
− EMISOR: es el terminal fuente de la corriente principal (de conductividad igual a colector y la mas dopada de las tres).
− COLECTOR: es el encargado de recoger la corriente que, regulada por la base, emana del emisor. Esta menos dopado que el emisor y más que la base.
2.9.2. DIODOS EMISORES DE LUZ
La utilización creciente de pantallas digitales en calculadoras, relojes y en toda forma de instrumentación ha contribuido al amplio interés actual en estructuras que puedan emitir luz cuando se polarizan en forma apropiada.
Las dos formas que comúnmente se utilizan en la actualidad para realizar dicha función son los diodos emisores de luz (LED del ingles: Light Emitting Diode) y la pantalla de cristal líquido (LCD del ingles: Liquid Cristal Display).
Según lo afirma Boylestad y Nashelsky (2003, p. 40) “el diodo emisor (LED) es un diodo que es capaz de emitir luz visible cuando se energiza”.
En cualquier unión p-n con polarización directa existe, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, una recombinación de huecos y electrones. Esta recombinación requiere que la energía poseída en el electrón libre sin enlace sea transferida hacia otro estado. En todas las uniones de semiconductores p-n cierta cantidad de esta energía se desprenderá en forma de calor y otra en forma de fotones.
Actualmente es posible encontrar Leds en color rojo, verde, amarillo, naranja y blanco. Estos operan en rangos de voltaje entre 1.7v y 3.3v, lo cual los hace compatibles con los circuitos de estados sólidos. Además cuentan con tiempos de respuesta rápidos en el orden de los nanosegundos y ofrecen índices buenos de contraste para mejor visibilidad. Sus requerimientos de potencia son típicamente de 10 a 150mW (mili vatios) con tiempos de vida útil de más de 100.000 horas.
2.9.3. TRANSDUCTORES OPTICOS
Los transductores ópticos o de luz son tal cual lo indica Cekit (1998. p. 16)
“los principales tipos de transductores de luz son utilizados son las fotoceldas, los fotodiodos fototransistores, los visualizadores, entre otros.
Las fotoceldas concierten luz en señales eléctricas, estas pueden ser conductivas o fotovoltaicas, cambian su resistencia de acuerdo a la cantidad de luz incidente. La celdas fotovoltaicas, producen un voltaje cuando son aluminizadas”.
Los fotodiodos y los fototransistores son respectivamente, diodos o transistores, cuya capacidad de conducción o amplificación de corriente se incrementa en proporción a la cantidad de luz que pasa a través de una ventana transparente.
Los opto acopladores, según lo explican a Sahuquillo y Lascorz (1993) son dispositivos que transfieren señales de un circuito a otro por vía óptica, es decir sin contacto eléctrico. Están formados por un emisor de luz de un lado y un detector de luz en el otro.
Los visualizadores o displays, son dispositivos que convierten señales eléctricas en información visual, incluyendo imágenes, letras, números y otros.
2.9.4. AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Un amplificador operacional, también llamado OP-AMP es un dispositivo integrado, cuya característica es básicamente, la de amplificar el voltaje con una alta ganancia, Boylestad y Nashelsky (1997). En la figura 16 se muestra el símbolo utilizado para mostrar este amplificador en los circuitos electrónicos. El dispositivo posee dos líneas de entradas (+,-), una línea de salida, dos líneas de alimentación (+V, -V) y amplifica la diferencia entre los voltajes de entrada.
Cabe señalar que, recibe el nombre de operacional porque en un principio se utilizó para las calculadoras analógicas, ya que con este tipo de amplificador puede realizarse operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, logaritmos, antilogaritmos, derivadas e incluso integrales.
Figura 16. Símbolo de un Amplificador Operacional.
Fuente: Cekit, (1998)
El uso del OPAMP’s en las calculadoras ya no es el principal mercado de los mismos, ahora se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones electrónica, amplificación, rectificación de precisión, comparadores, osciladores, generadores de señal, y en definitiva en todas aquellas ocasiones donde sea preciso un control respecto de alguna operación aritmética.
2.10. FUNDAMENTOS DE LOS CIRCUITOS DIGITALES
La mayor parte de los componentes examinados hasta el momento son analógicos, es decir, trabajan con señales que varían sobre un amplio rango de valor de voltajes y/o corriente. (Ver figura 17), las señales análogas son continuas, es decir varían gradualmente con el tiempo
.
Figura 17. Ejemplo de una Señal Analógica.
Fuente: Cekit, (1998)
Existen, sin embargo, situaciones en las cuales es necesario tratar con señales de voltaje o de corriente que solo adoptan un numero finito de valores (ver figura 18), este tipo de señales se denominan señales digitales o
lógicas y los circuitos que trabajan las mismas circuitos digitales o lógicos.
Figura 18. Ejemplo de una Señal Digital.
Fuente: Cekit, (1998)
De la gran gama de circuitos digitales que existen hoy en día, los utilizados más comúnmente en los equipos de análisis químicos son:
2.10.1. COMPUERTAS LÓGICAS
Antes de indagar sobre las compuertas lógicas es necesario definir un término Función Lógica, conceptualizado por Sahuquillo y Lascorz (1993, p.
248), como “una variable binaria cuyo valor final depende de una expresión algebraica enlazada por operadores matemáticos”. Estas funciones solo podrán tener dos posibles valores 1 ó 0, verdadero ó falso, si ó no, abierto ó cerrado, distinguiéndose de las posibilidades que puedan tener las operaciones aritméticas convencionales.
Hay tres compuestas básicas para representar las funciones lógicas fundamentales AND, OR y NOT. Cada una de estas compuertas representa una función lógica. La operación de una compuerta se resume en una tabla de la verdad, que da los valores de salida como función de combinaciones diversas de los valores de entrada. Los símbolos lógicos y las tablas de verdad de las compuertas básicas se dan en la figura 19.
Figura 19. Resumen de Compuertas Lógicas Digitales.
Fuente Cekit, (1997)
2.10.2. CONVERTIDOR ANALOGICO/DIGITAL Y DIGITAL/ANALOGICO
Hay fenómenos del mundo real cuyas señales son continuas y son representadas por señales analógicas para procesar esta información, los circuitos digitales utilizan dos tipos de circuitos; uno para convertir señales
analógicas en digitales y otro para convertir señales digitales en analógicas.
Por esta razón estos circuitos se denominan, convertidores analógicos/digitales o A/D o ADC y convertidores digitales/analógicos o D/A o DAC. Cekit (1998) aplica una definición que puede definirse de la siguiente manera:
− CONVERTIDOR ANALÓGICO/DIGITAL: toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica.
− CONVERTIDOR DIGITAL/ANALÓGICO: es un dispositivo que convierte una entrada digital en un voltaje o corriente proporcional (salida analógica o eléctrica).
Figura 20. Convertidor A/D.
Fuente: Cekit (1997)
Figura 21. Convertidor D/A.
Fuente: Cekit (1997)
2.11. MICROCONTROLADORES Y SISTEMAS MICROCONTROLADOS
El microcontrolador lo definen Angulo y Angulo (1997, p.1) como “un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador” este fue creado en 1980 aproximadamente, como un dispositivo programable que puede ejecutar un sinnúmero de tareas y procesos.
Hoy en día es común encontrar microcontroladores en las cafeteras, hornos microondas, videograbadoras, alarmas, automóviles, entre otros.
Las aplicaciones son infinitas. La posibilidad de manejar señales de entradas y de salidas, así como su capacidad para procesar datos y tomas decisiones, lo convierte en unos de los elementos electrónicos mas versátiles que existen. El diagrama general de un sistema microcontrolador seria el que muestra la figura 22.
Figura 22. Diagrama General de un sistema microcontrolado Fuente: Duo (1997)
Cuando se habla de dispositivo de entrada se hace referencia a todos los elementos que puede cambiar de estado ante alguna determinada condición y generan una señal que puede ser utilizada por el microcontrolador para tomar
Dispositivos de entrada
Microcontrolador Programa
Dispositivos de salida
alguna decisión, por ejemplo un teclado, un interruptor, un sensor u otro.
Los dispositivos de salida pueden ser indicadores visuales, indicadores audibles, interruptores de potencia que manejan motores, u otros dispositivos como relés, motores, válvulas y otros.
2.11.1. DIFERENCIAS ENTRE MICROCONTROLADORES Y MICROPROCESADORES
Antes de existir el microcontrolador, se utilizaban para controlar los sistemas con microprocesadores, el cual necesitaba de varios elementos externos para llevar a cabo sus funciones.
En general la diferencia entre loa microcontroladores y microprocesadores se puede resumir de lo expuesto por Angulo y Angulo (1997) en:
− El microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine, con esto puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios.
− Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de prestaciones limitadas que no se puede modificar.
2.11.2. VENTAJAS DEL MICROCONTROLADOR SOBRE EL MICROPROCESADOR
Existen algunas ventajas importantes cuando se realiza el diseño de un
circuito utilizando un microcontrolador, según lo expuesto por Duque (1997):
− El circuito impreso es mucho más pequeño ya que muchos de los componentes se encuentran dentro del circuito integrado.
− El costo del sistema total es mucho menor, al reducir el numero de.
− Los problemas de ruido que pueden afectar los sistemas con microprocesadores se eliminan, debido a que todo el sistema principal se encuentre en un solo encapsulado.
− El tiempo de desarrollo de un sistema se reduce notablemente.
2.11.3. ARQUITECTURA INTERNA DE LOS MICROCONTROLADORES
Un microcontrolador posee todos los componentes de un computador, pero con unas características fijas que no pueden alcanzarse.
Las partes principales del microcontrolador son:
(a) El procesador
Se presenta dos diseños básicos de arquitecturas de unos procesadores, estas son arquitecturas de Harvard y arquitectura de von Neumann. Esta última se caracteriza porque la UCP (Unidad Central de Procesamiento) se conecta con una memoria única, donde coexisten datos o ins trucciones a través de un sistema de buses (véase la figura 23).
