Diario Oficial El Peruano, Edición 9213. 18 de enero de 2016
ESCUELA POLITÉCNIC NACIONAA L FACULTAD DE...
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA TESIS DE GRADO TITULO : DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO PARA CRECIMIENTO DE CRISTALES IÓNICOS BAJO CONDICIONES CONTROLADAS TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO EN LA ESPECIALIZACION DE ELECTRÓNICA Y CONTROL HUGO RAMIRO PINEDA RIVAS Quito, Enero de 1996
Transcript of ESCUELA POLITÉCNIC NACIONAA L FACULTAD DE...
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TESIS DE GRADO
TITULO :
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOPARA CRECIMIENTO DE CRISTALES IÓNICOS
BAJO CONDICIONES CONTROLADAS
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULODE INGENIERO ELÉCTRICO EN LA ESPECIALIZACION
DE ELECTRÓNICA Y CONTROL
HUGO RAMIRO PINEDA RIVAS
Quito, Enero de 1996
Agradezco a:
La "FUNDACIÓN INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO - FID"
por haber financiado y asesorado técnicamente el
desarrollo de este trabajo de Tesis para posibles
propósitos de investigación en esta Fundación.
AGRADECIMIENTO
Al Ing. Fernando Echeverría por su sincera
colaboración en el desarrollo de esta Tesis y
a todos aquellos que supieron dar un poco de
sus conocimientos, y con sabios consejos me
enseñaron el camino para llegar a la
culminación de esta Tesis.
HUGO RAMIRO PINEDA RIVAS
Certifico que el presente trabajo de Tesis
fue realizado en su totalidad por el señor
HUGO RAMIRO PINEDA RIVAS
TSMM&JA
/ <F£¿
Ing. Fernando EcheverríaDIRECTOR DE TESIS
CONTENIDO
PAG.
INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO I
PRINCIPIOS FÍSICOS, MAGNITUDES INVOLUCRADAS Y SENSORES 3
1.1 Principios generales sobre soluciones iónicas 4
1.2 Magnitudes Físicas y Tranductores 8
1.3 El diodo semiconductor como transductor de temperatura 14
1.4 Transductores de conductividad eléctrica en soluciones iónicas 18
Bibliografía del Capítulo I 24
CAPITULO II
EQUIPO PARA CRECIMIENTO DE CRISTALES IÓNICOS: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 26
2.1 Análisis global del Sistema y requerimientos generales 27
2.2 Especificaciones del Sistema 30
2.3 Diseño del termostato y su sistema de control 31
2.4 Diseño del sistema de control de conductividad en soluciones iónicas 43
2.5 Diseño del sistema de control de movimiento de soluciones 56
Bibliografía del Capítulo II 63
CAPITULO III
PRUEBAS EXPERIMENTALES 64
3.1. Operación del termostato 65
3.2. Operación del circuito de control de conductividad eléctrica 69
3.3. Operación del circuito de control de movimiento de soluciones 73
3.4. Operación total del equipo en el crecimiento de cristales iónicos 73
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS 75
4.1. Análisis técnico del equipo construido 76
4.2. Análisis económico del equipo construido 81
4.3. Análisis de los resultados experimentales 84
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 86
5.1. Conclusiones 87
5.2. Recomendaciones 88
Bibliografía general 89
ANEXO 1: Diagramas esquemáticos, Circuitos impresos y ubicación de elementos 90
ÍNDICE ANALÍTICO
PAG.
INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO I
PRINCIPIOS FÍSICOS, MAGNITUDES INVOLUCRADAS Y SENSORES
1.1. Principios generales sobre soluciones iónicas 4
1.1.1 Soluciones 4
1.1.2 Solución iónica 5
1.1.3 Diagramas de solubilidad 5
1.1.4 Concentración. Formas de expresión
de la concentración 7
1.2. Magnitudes Físicas y Transductores 8
1.2.1 La Temperatura 8
1.2.2 Conductividad eléctrica 9
1.2.3 Enlaces Químicos 12
1.2.4 Transductores 12
1.2.5 Principios de transducción 13
1.3. El diodo semiconductor como transductor de temperatura 14
1.4. Transductores de conductividad eléctrica en soluciones iónicas 18
1.4.1 Conductividad de los electrólitos 18
1.4.2 Medida de la conductividad 19
1.4.3 Cristales iónicos y crecimiento 21
1.4.4 Métodos para crecer cristales iónicos 22
Bibliografía del Capítulo I 24
CAPITULO II
EQUIPO PARA CRECIMIENTO DE CRISTALES IÓNICOS: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
2.1. Análisis global del sistema y requerimientos generales 27
2.2. Especificaciones del Sistema 30
2.3. Diseño del termostato y su sistema de control 31
2.3.1 Circuito de potencia 31
2.3.2 Circuito de control 37
2.4. Diseño del sistema de control de conductividad en soluciones iónicas 43
2.4.1 Diagrama de bloques de conductividad y movimiento de solución 43
2.4.2 Celda de conductividad y cálculo de la constante
geométrica 44
2.4.3 Circuito de control de conductividad 50
2.5. Diseño del sistema de control de movimiento de soluciones 56
2.5.1 Aspectos técnicos de la construcción 61
Bibliografía del Capítulo II 63
CAPITULO III
PRUEBAS EXPERIMENTALES
3.1. Operación del termostato 65
3.1.1 Mediciones y pruebas del termostato 65
3.2. Operación del circuito de control de conductividad eléctrica 69
3.2.1 Mediciones y pruebas realizadas al circuito de control de
conductividad 69
3.3. Operación del circuito de control de movimiento de soluciones 73
3.4. Operación total del equipo en el crecimiento de cristales iónicos 73
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. Análisis técnico del equipo construido 76
4.2. Análisis económico del equipo construido 81
4.3. Análisis de los resultados experimentales 84
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones 87
5.2. Recomendaciones 88
Bibliografía general 89
ANEXO 1 : Diagramas esquemáticos, circuitos impresos y
ubicación de elementos 90
ÍNDICE DE FIGURAS
PAG.
CAPITULO 1
Fig. 1.1 Curva de solubilidad 5
Fig. 1.2 Cambio de región saturada a sobresaturada horizontalmente 6
Fig. 1.3 Cambio de región saturada a sobresaturada verticalmente 6
Fig. 1.4 Barrido horizontal y vertical 7
Fig. 1.5 Variación de la conductividad eléctrica específica en función de la
concentración de las soluciones de electrólitos 11
Fig. 1.6 Partes de un transductor 13
Fig. 1.7 (a) Característica ideal para una juntura semiconductora PN
(b) La relación voltaje - corriente para un diodo de silicio 15
Fig. 1.8 Fuente de corriente 18
Fig. 1.9 Circuito para la medición de conductividad 19
CAPITULO U
Fig. 2.1 Elementos del Sistema 27
Fig. 2.2 Bloques de control del Sistema 28
Fig. 2.3 Diagrama de bloques del Termostato 31
Fig. 2.4 Conmutación a tensión nula aplicando períodos completos 33
Fig. 2.5 Circuito de conmutación a tensión nula 34
Fig. 2.6 Diagrama de bloques del circuito de control 37
Fig. 2.7 Amplificador diferencial 38
Fig. 2.8 Circuito sumador-inversor 39
Fig. 2.9 Circuito comparador 40
Fig. 2.10 Interruptor semiconductor 40
Fig. 2.11 Circuito de ajuste grueso y fino 41
Fig. 2.12 Circuito de protección y señalización 42
Fig. 2.13 Diagrama de bloques del sistema de conductividad
y movimiento de solución 43
Fig. 2.14 Celda de conductividad (a) y Circuito equivalente (b) 44
Fig. 2.15 Circuito para cálculo de la constante geométrica 45
Fig. 2.16 Diagrama de bloques del circuito de control de conductividad 50
Fig. 2.17 Oscilador de onda sinusoidal T gemelas 50
Fig. 2.18 Atenuador de señal 51
Fig. 2.19 Amplificador 52
Fig. 2.20 Oscilador de onda cuadrada 52
Fig. 2.21 Discriminador de fase 53
Fig. 2.22 Formas de onda del discrimínador 54
Fig. 2.23 Acondicionador de señal 55
Fig. 2.24 Diagrama de bloques del control de movimiento de solución 56
Fig. 2.25 Circuito comparador de conductividad 57
Fig. 2.26 Circuito de señalización de nivel bajo 58
Fig. 2.27 Circuito de comparación de nivel bajo 59
Fig. 2.28 Circuito de señalización de nivel alto 59
Fig. 2.29 Circuito de comparación de nivel alto 60
CAPITULO III
Fig. 3.1 Característica estática de I sensor de temperatura 67
Fig. 3.2 Curva de calentamiento de 30 litros de agua 68
Fig. 3.3 Curva de solubilidad del SO4Cu en 100 cm3 de agua 71
CAPITULO IV
Fig. 4.1 Vista del panel frontal del equipo construido 76
Fig. 4.2 Vista interna del equipo construido 77
Fig. 4.3 Baño María construido 78
Fig. 4.4 Celda de crecimiento 79
Fig. 4.5 Sensores construidos para el control del Sistema 80
Fig. 4.6 Vista total del Sistema de crecimiento de cristales iónicos 80
Fig. 4.7 Cristales iónicos de sulfato de cobre 85
ÍNDICE DE TABLAS
PAG.
CAPITULO I
Tabla 1.1 Constantes para Si y Ge en las ecuaciones 16
Tabla 1.2 Conductividad específica del KCI 20
CAPITULO II
Tabla 2.1 Características del Triac y SCR 36
Tabla 2.2 Tabulación de voltajes y corrientes de la celda de conductividad 47
Tabla 2.3 Valores tabulados por el método de los mínimos cuadrados 48
Tabla 2.4 Resultados de cálculos por el método de mínimos cuadrados 48
CAPITULO III
Tabla 3.1 Rendimiento del termostato 65
Tabla 3.2 Valores de voltaje, temperatura del sensor y tiempo
de calentamiento del volumen de 30 litros de agua 66
Tabla 3.3 Medición de solubilidad de la sal iónica
de SO4Cu en 100 cm3 de agua 70
Tabla 3.4 Valores referenciales de voltaje para distintos
concentraciones de KCI 72
CAPITULO IV
Tabla 4.1 Lista de materiales 81
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN :
El presente trabajo de Tesis fue propuesto y orientado por el Director de
Tesis. Parte de la formación básica que se da en la especialización de
electrónica y control. Esta motivada por orientar dicha formación a una
aplicación concreta en control interdependiente de temperatura,
conductividad, nivel y manejo de flujo de líquidos. Con el propósito de a
través de un proceso controlado llegar a crecer monocristales iónicos.
El desarrollar la tecnología de crecimiento de cristales iónicos abre un
amplio e importante campo de investigación en la Físico - Química y puede
permitir introducir de manera experimental de la forma más simple la Física
del Estado Sólido. Esta materia resulta útil a especializaciones en Física,
Química, Geología y Electrónica.
Las aplicaciones industriales, de desarrollo de instrumentación y técnica
que parten del crecimiento de cristales iónicos son bastante extensas e
importantes: El estudio de estructuras cristalinas, la posibilidad de
discriminar en su espectro una radiación infrarroja, de observar efectos
piezo eléctricos o discriminar en energía una radiación X o Gamma,son por
mencionar algunas, importantes aplicaciones del crecimiento de cristales
iónicos.
Colateralmente el sensar algunas magnitudes Físicas tales como
temperatura y conductividad nos induce a pensar en la necesidad de medir
estos parámetros y por tanto desarrollar instrumentos adecuados para tal
propósito.
Se considera que el tema de Tesis aquí desarrollado cumple con el objetivo
propuesto al haber logrado diseñar y construir un prototipo para crecer
cristales iónicos y con dicho equipo haber experimentado y logrado en
forma satisfactoria crecer monocristales iónicos bajo condiciones
controladas.
Se espera que el presente trabajo motive futuras investigaciones tendientes
a fortalecer y diversificar este tema.
A continuación se hace una breve descripción de los capítulos y objetivos
fundamentales de la parte escrita de este trabajo de Tesis.
El presente trabajo se compone de 5 capítulos. El Cap. I trata de los
principios Físicos, magnitudes involucradas y sensores. El Cap. II trata
temas referentes al diseño y construcción de un equipo para crecimiento de
cristales iónicos. Cap. III describe las diferentes pruebas experimentales
realizadas con el equipo construido. El Cap. IV se centraliza a un análisis
técnico y económico de los resultados experimentales y construcción del
equipo. En el Cap. V se establece las conclusiones y recomendaciones
resultantes de la investigación.
Al final se adjunta el Anexo de los circuitos electrónicos diseñados y
construidos.
CAPITULO I
PRINCIPIOS FÍSICOS, MAGNITUDES INVOLUCRADAS Y SENSORES.
CONTENIDO:
1.1. Principios generales sobre soluciones iónicas
1.1.1 Solución
1.1.2 Solución iónica
1.1.3 Diagramas de solubilidad
* 1.1.4 Concentración, Formas de expresión de la concentración
1.2. Magnitudes Físicas y Transductores
1.2.1 La Temperatura
1.2.2 Conductividad Eléctrica
1.2.3 Enlaces Químicos
1.2.4 Transductores
1.2.5 Principios de Transducción
* 1.3. El Diodo semiconductor como transductor de temperatura
1.4. Transductores de Conductividad eléctrica en soluciones
iónicas.
1.4.1 Conductividad de los electrólitos
1.4.2 Medida de la conductividad
1.4.3 Cristales iónicos y crecimiento
1.4.4 Métodos para crecer cristales iónicos
Bibliografía del Capítulo I
1.1. Principios generales sobre soluciones iónicas.
1.1.1 Solución .- es un sistema homogéneo constituido por la dispersión
molecular, atómica o iónica de dos o más sustancias. [ 1 ]
En una solución podemos distinguir dos tipos de componentes: el medio
dispersante llamado disolvente, y las sustancias dispersas, llamadas
solutos.
Los convenios más usuales para distinguir entre disolvente y soluto son los
siguientes:
a) Disolvente es el componente de la solución que se encuentra en mayor
proporción.
b) Disolvente es aquel componente de la solución cuyo estado físico inicial
es el mismo que el estado físico de la solución.
c) Disolvente, en el caso de que uno de los componentes sea líquido y el
resto no, es el componente líquido, independientemente del estado físico de
la solución.
Cuando la disolución y la precipitación suceden continuamente y con la
misma rapidez, permanece constante en el tiempo la cantidad de soluto
disuelto presente en una cantidad determinada de solución, se dice que la
solución esta saturada.
Solubilidad de un soluto en un solvente se define como la concentración
del mismo en su solución saturada. Algunos solutos son infinitamente
solubles en un determinado solvente, mientras que otros tienen
solubilidades tan bajas que no son medibles por métodos directos. La
solubilidad depende de las propiedades del soluto y del solvente, y depende
también de la temperatura y presión, generalmente se cuantifica en gr. de
soluto por litro de solución. [ 2 ]
Sobresaturación.- La solubilidad de un sólido aumenta con la temperatura.
Enfriando una solución saturada en caliente, el exceso de soluto suele
separarse de la solución. Sin embargo, teniendo cuidado de evitar la
presencia del menor indicio de soluto sólido en solución saturada antes de
enfriarla, y si el enfriamiento se realiza lentamente; durante este lapso se
dice que la solución esta sobresaturada. [ 3 ]
1.1.2 Solución Jónica .- es una solución homogénea en la cual se
encuentra dispersa un soluto iónico o electrolitos, la misma que se disocia
espontáneamente en iones positivos y negativos; por ejemplo :
Cl K = Cf + K+
1.1.3 Diagramas de solubilidad .- los diagramas de solubilidad se
representan en un plano de dos dimensiones. En donde el eje vertical
representa la cantidad de soluto disuelta en el disolvente, y el eje horizontal
especifica la temperatura de la solución. La curva de solubilidad separa el
diagrama en dos regiones : Una región no saturada y una región
sobresaturada como se muestra en la fig. 1.1. En general las curvas de
solubilidad cruzan el diagrama diagonalmente, usualmente ascendiendo de
izquierda a derecha, porque Ea solubilidad de muchas sales se incrementa
con la temperatura. [ 4 ]
• ' gramo*d«sat
sobresaturada
no saturada
temperatura
Fig. 1.1 Curva de solubilidad
Para moverse de una a la otra región existen dos maneras básicas
diferentes: Esto puede ser horizontalmente o verticalmente.
Para desplazarse desde el punto A, que se encuentra en una región no
saturada, a la posición de B, en la región sobresaturada. Se reduce la
temperatura de TA a TB como se indica en la fig. 1.2.
temperatura
Fig. 1.2 Cambio de región saturada a sobresaturada horizontalmente
La otra manera es moverse desde A a la posición de E como se muestra en
la fig. 1.3. Se mueve el punto verticalmente, por adición de sal a la solución
a temperatura constante, la sal podría disolverse hasta que finalmente
alcance el punto G en la curva de solubilidad, donde la solución se satura.
gramosda sal
temperatura
Fig. 1.3 Cambio de región saturada a sobresaturada verticaimente
Otra forma es desplazarse verticalmente en la región no saturada, y
después cruzar a la otra región horizontalmente. Calentar la solución desde
el punto A hasta el punto C, como se muestra en la fig. 1.4, disolver sal
hasta alcanzar D, y finalmente enfriar la solución otra vez consiguiendo el
punto E.
^ gramosde sal
temperatura
Fig. 1.4 Barrido horizontal y vertical
1.1.4 Concentración. Formas de expresión de la
concentración
La concentración de una solución es una medida de la cantidad de soluto
presente en una cierta cantidad de solvente o de solución y pueden
emplearse varias unidades para expresarla.
Vamos a describir las formas más frecuentes de expresión de la
concentración:
a) Peso de soluto por unidad de volumen de disolución. La unidad que
se utiliza de ordinario es el gramo/litro.
b) Porcentaje en peso de soluto, es decir, gramos de soluto contenidos en
100 gramos de solución.
c) Molaridad. La molaridad es el número de moles de soluto contenidos en
cada litro de solución. El símbolo que se asigna a esta magnitud es M.
d) Molalidad. La molalidad es el número de moles de soluto contenidos en
una solución por cada kilogramo de disolvente. El símbolo que se asigna a
esta magnitud es m.
e) Fracción molar. Llamamos fracción molar de un componente de una
solución al número de moles de ese componente presentes en la solución
dividido por el número de moles totales de las distintas sustancias que
integran la solución. El símbolo que se asigna a esta magnitud es X.
f) Normalidad. Llamamos normalidad de una solución al número de
equivalentes-gramo de soluto contenidos en 1 litro de solución. El símbolo
que se asigna a esta magnitud es N. [ 5 ]
1.2. Magnitudes Físicas y Transductores
1.2.1 La Temperatura
Se define como la condición de un cuerpo el cual determina la transferencia
de calor hacia éste o de éste hacia el exterior u otros cuerpos.
Particularmente esta es una manifestación del promedio de la energía
cinética traslacional de las moléculas de una substancia sometida a una
agitación térmica.
La temperatura es, a diferencia de otras magnitudes físicas una magnitud
intensiva y no extensiva.
Las magnitudes extensivas son aquellas que son aditivas por ejemplo la
longitud, masa, volumen etc. Las magnitudes intensivas no son aditivas por
ejemplo, la densidad, la temperatura, la presión, el volumen específico. [ 6 ]
Se expresa en grados, por lo general en una de las dos escalas relativas:
Centígrada (Celsius) y Fahrenheit, o en una de las dos escalas absolutas:
Kelvin y Rankine. Constituye un parámetro particular más frecuente y más
importante que se manifiesta en procesos físicos, químicos y en
innumerables aplicaciones en procesos industriales. [ 7 ]
La temperatura es una magnitud que no puede medirse directamente, se
utilizan diversos fenómenos físicos que son influidos por la temperatura y
entre los cuales figuran :
a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o
gases);
b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia);
c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores);
d) \lolfaje creada en la unión de dos metales distintos (termopares);
e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de
radiación);
f) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un
gas, frecuencia de resonancia de un cristal...) entre otros. [ 8 ]
1.2.2 Conductividad eléctrica .- la conductividad es la capacidad de
una solución para conducir una corriente eléctrica iónica. El agua
destilada pura no conduce en principio la corriente pero, si se le disuelven
minerales aumenta su capacidad de conducción. Estos sólidos al disolverse
se separan en iones positivos y negativos en equilibrio con el cuerpo. [ 9 ]
Los iones así disueltos son susceptibles de desplazarse bajo la acción de
un campo eléctrico constante o de variación lenta y también bajo ciertas
condiciones de combinarse con otros iones para formar iones nuevos o
cuerpos distintos no necesariamente iónicos, (reacciones químicas).
Movilidad iónica.- se denomina así a la velocidad absoluta de cualquier ion
bajo una caída de potencial de un voltio por cm., las movilidades aumentan
aproximadamente en 2% por cada grado que se eleva la temperatura.
La conductividad de los iones es función de su concentración y de su
movilidad de tal modo que dos electrodos a tensión sumergidos en un
líquido, en el que existe una sal en solución, por ejemplo CINa, producirá el
fenómeno siguiente:
10
Los iones positivos Na + emigrarán al electrodo cargado negativamente,
mientras que los iones negativos Cl " serán atraídos por el electrodo
positivo. Ai llegar a los electrodos, los iones adquieren cargas de signo
contrario y se neutralizan. De este modo se establece una corriente iónica a
través de la solución y eléctrica a través del circuito eléctrico exterior.
La corriente iónica depende de :
1. Número y tipo de iones presentes en la solución.
2. Área efectiva de los electrodos.
3. Diferencia de potencial y distancia entre los electrodos.
4. Temperatura de la solución.
5. Tipo de solvente y soluto.
La conductividad eléctrica específica se define como el recíproco de la
resistencia en ohmios, medida entre dos caras opuestas de un cubo de 1
cm de lado sumergido en una solución. La unidad es el mho o siemens
(recíproco de ohmio) que es la conductancia de una solución que con una
diferencia de potencial de un voltio entre las caras de los electrodos de 1
cm2 de superficie cada uno da lugar a la circulación de un amperio. Gomo
esta unidad es demasiado grande se emplea a menudo en soluciones
diluidas el micromho, (microsiemens) que es la millonésima parte de un
mho.
Los electrólitos son sustancias que en soluciones se disocian en iones.
Estos, por el efecto del campo eléctrico aplicado, se mueven en
determinada dirección y son los portadores de las cargas.
La conductividad eléctrica de las soluciones de electrólitos es
considerablemente mayor que la del solvente puro. Así, los electrólitos son
conductores iónicos, a diferencia de los conductores electrónicos, por
ejemplo, los metales. Los electrólitos pueden ser divididos en fuertes y
débiles. Los primeros son aquellos en los que los enlaces entre partículas,
de modo predominante, son electrostáticos (cristales de las sales), y
fácilmente disociables en solución, en tanto que los segundos son
11
sustancias con enlaces iónicos débiles (no fácilmente disociables en
presencia de un solvente). Este comportamiento tiene su explicación en la
configuración molecular y la distribución espacial de orbitales de enlace. El
grado de disociación del electrólito en la solución es función de su
naturaleza, concentración y del tipo del solvente. [ 10 ]
Para los electrólitos fuertes la conductividad eléctrica específica será tanto
mayor cuanto más alta sea la concentración de iones. Sin embargo, con el
aumento de la concentración de los iones crece la atracción mutua entre
ellos. Este efecto puede llegar a ser más fuerte que el aumento de la
concentración total del electrólito en la solución.
En este caso el aumento de la concentración del electrólito provocará la
disminución de la conductividad eléctrica específica de la solución como se
puede ver en la fig. 1.5 [11]
mol/l
Fig. 1.5 Variación de la conductividad eléctrica específica en
función de la concentración de las soluciones de electrólitos
12
1.2.3 Enlaces Químicos
Se distinguen cuatro tipos de enlaces químicos :
Enlace iónico.- Las partículas son iones cuyas capas externas contienen
generalmente ocho o dieciocho electrones, que pertenecen a uno u otro ion.
Enlace covalente.- Las capas exteriores de cada dos partículas se
completan hasta formar un total de ocho o dieciocho electrones mediante la
compartición de parejas de estos.
Enlace metálico.- Todos los electrones de la capa exterior, o gran número
de ellos, forman una nube negativa móvil, en cuyo seno yacen los iones
positivos.
Enlace de Van der Waals.- Consiste este enlace en una atracción entre
dipolos. Es proporcional a la fuerza del dipolo e inversamente proporcional,
aproximadamente, a la sexta potencia de la distancia, y es muy débil a las
distancias atómicas normales. [ 12 ]
1.2.4 Transductores.
"Un transductor es un dispositivo que proporciona una señal utilizabie en
respuesta a una magnitud física, propiedad o condición específica que se
desea medir." [13]
En varios textos un transductor tiene otras denominaciones, así: en
procesos industriales se los denomina transmisores, en ocasiones son
conocidos también como sensores; en el campo de los dispositivos
electroópicos se les conoce como detectores, en otras ocasiones los
transductores son conocidos por galgas, captadores, sondas o dispositivos
que identifican la utilidad del dispositivo más la terminación metro como
acelerómetro que identifica al transductor de aceleración, tacómetro que
identifica al transductor de velocidad, etc.
Algunos autores definen al transductor como aparato compuesto de dos
partes: el sensor y el acondicionador de señal o circuito de frontera, como
se puede ver en la figura 1.6. El sensor se define como el elemento
13
primario sobre el que actúa directamente la variable a medir, y las
modificaciones causadas por éste, se convierten en señales de información.
El acondicionador de señal o circuito de frontera convierte las señales
integradas por el sensor en información proporcional a la magnitud de la
variable dinámica, en una forma que pueda ser utilizada por elementos de
control o por elementos de medida.
Magnitud SensorCircuito de
Frontera Salida
Fíg. 1.6 Partes de un transductor
1.2.5. Principios de transducción.
El fundamento de cualquier transductor se halla en el principio de
funcionamiento, para aspectos de diseño y construcción es la base de la
que partimos. A continuación nombraremos algunos de los principios más
conocidos:
- Capacitivo
- Inductivo
- Reluctivo
- Electromagnético
- Piezoeléctrico
- Resistivo
- Potenciométrico
- Fotoconductivo
- Fotovoltaico
- Termoeléctrico
- Ionización, etc.
14
El principio de transducción es aprovechado en muchísimos dispositivos.
Cada sensor trabajando con un mismo principio puede hallar un sinnúmero
de aplicaciones, así por ejemplo un sensor del tipo capacitivo puede servir
para detectar cambios de presión, nivel, desplazamiento, posición, etc.
Desde el punto de vista energético podríamos dividir en dos ciases a los
transductores:
Transductores Activos.- Son aquellos que generan una corriente o un
voltaje como resultado de alguna forma de energía o variación de fuerza.
Por ejemplo, una termocupla genera una señal eléctrica que es proporcional
a la cantidad de calor aplicado.
Transductores pasivos.- Son aquellos que cambian sus características
cuando son expuestos a alguna forma de energía o fuerza. Por ejemplo una
fotoresistencia varía su resistencia cuando es expuesto a la energía
luminosa.
1.3. El Diodo semiconductor como transductor de
temperatura
La relación voltaje-corriente en una juntura semiconductora (diodo) es
altamente dependiente de la temperatura. Se parte de este fenómeno para
construir un circuito electrónico que permita medirla.
La física de la juntura se describe en textos de electrónica o de estado
sólido. La ecuación que rige la relación voltaje-corriente en una juntura es :
[14]
/ = Corriente que se considera positiva cuando fluye del lado P al lado N de la juntura
lo = Corriente inversa de saturación de la juntura (A)
V = Voltaje aplicado a la juntura, se considera positivo cuando el lado P de la juntura es
positivo respecto de N (V)
VT = Voltaje equivalente de la temperatura (V)
r¡ = Constante adimensional que depende del material semiconductor (Si , Ge)
e = Base de los logaritmos naturales e = 2.718282
La fig.1.7 muestra esta relación:
15
lo
I (mA)
60
50
40
30
20
10
0.2 0.6 V(V)
Vz
Fig.1.7 (a) La característica ideal para una juntura semiconductora PN.(b) La relación voltaje-corriente para un diodo de silicio.
El voltaje equivalente de la temperatura es una magnitud termodinámica
dada por:
KxT(1.2)
en que:
K = Constante de Boltzman K = 1.381 x 10'23 [J/°K]-19q = Carga eléctrica elemental q = 1.602x10 [C]
Sin embargo la corriente inversa de saturación de la juntura lo, tomada
como parámetro de la figura 1.1 es también función de la temperatura:
Io = Io(T) = K*Tm*e~*0°/ri*T (1.3)
donde:
16
K = Constante experimental adimensional independiente de T
T = Temperatura en escala absqluta [°K]
m = Constante adimensional dependiente del material semiconductor
VGO - Voltaje equivalente a la banda de energía prohibida entre las bandas de conducción
y valencia en un semiconductor [V]
Tabla 1.1 Constantes para Si y Ge en las ecuaciones
Semiconductor
Si
Ge
TI
2
1
m
1.5
2
VGO
1.21
0.785
Información de la cual es posible obtener una expresión explícita del voltaje
a través de la juntura en función de la temperatura ie:
V=V(I,T) (1.4)
Si se mantiene l=lb= constante
V=V(T) (1.5)
Es decir que fas variaciones de voltaje medidas a través de una juntura
semiconductora directamente polarizada por la que atraviesa una corriente
constante son función exclusiva de la temperatura a la que está expuesta la
juntura.
La expresión (1.5) es teórica, en el dispositivo real existen además
corrientes de fuga. Al minimizar la corriente se permite una mayor
desviación de voltaje de la juntura dentro de un mismo intervalo de
variación de temperatura. En todo caso es necesario estimar un valor de
17
corriente I que permita variaciones de voltaje entre 0.2 a 0.8 en el rango de
operación del termómetro.
Una juntura que a corriente I constante presenta diferentes voltajes aJ variar
la temperatura constituye en realidad una impedancia variable. El mantener
una corriente constante bajo tales condiciones implica diseñar una fuente de
corriente.
Un dispositivo semiconductor que de una manera simple permite diseñar
una fuente de corriente es el transistor de efecto de campo (JFET) cuyo
comportamiento igualmente se explica en textos de electrónica o estado
sólido. [ 15]
La configuración más simple que cumple con esta función se muestra en la
fig.1.8 en la que se incluye un potenciómetro para ajuste fino y verificación
de I midiendo VR. Puesto que la juntura del diodo D1 estará sometida a un
amplio rango de temperaturas se recomienda separarla de la etapa restante
del circuito por varios decímetros de cable conductor según se sugiere en la
fig.1.8. Las ideas expuestas en 1.3 se encuentran resumidas en los
apuntes [16].
O +Vdo
s
—ff-JU
VD
Fig. 1.8 Fuente de corriente
18
1.4. Transductores de Conductividad eléctrica en
soluciones iónicas.
1.4.1 Conductividad de los electrólitos .- Las disoluciones iónicas,
para pequeñas señales, al igual que los conductores metálicos, obedecen la
ley de Ohm. Si a un conductor de resistencia R se le aplica un voltaje V,
según la ley de Ohm la intensidad de la corriente I que pasa es
I = VÍR (1.7)
Según la ecuación (1.7) la corriente que pasa a través de un conductor
dado, bajo la influencia de un voltaje constante, es inversamente
proporcional a la resistencia, la cantidad 1/R será una medida del poder
conductor, y se denomina conductancia , se expresa en ohmios recíprocos,
esto es, ohms"1, llamados a veces mhos. La unidad de conductividad en el
SI. para soluciones es el siemens, 1 siemens = 1 mho ver sección 1.2.2
conductividad eléctrica. La resistencia de un conductor varía directamente
con su longitud e inversamente con su superficie; esto es,
R = T* — (1.8)
Donde t es la resistencia específica o resistividad, L es la longitud del
conductor, A es el área de la sección transversal, de modo que la
conductividad C, es
C = l/R (1.9)
C = ( I / T ) * ( Á / L ) (1.10)
Donde 1/i representa la conductividad eléctrica específica K,
C = K*(A/L) (1.11)
Donde (A/L) se conoce como factor geométrico de la celda o constante de la
celda, además según las ecuaciones (1.7) y (1.S) se tiene:
K = ( f / V ) * ( L / A) (1.12)
19
El poder conductor de todos los iones producidos por 1 equivalente-gramo
de un electrolito a cualquier concentración dada se podrá evaluar
imaginando dos grandes electrodos paralelos separados 1 cm y suponiendo
que la totalidad de la disolución que contiene 1 equi.g está colocada entre
ellos. La conductividad del sistema resultante se denomina Conductividad
Equivalente (ó) a la concentración dada.
S=lWQ*(K/c) (1.13)
Donde c es la concentración de la solución en equivalentes gramo por litro o
normalidad de la solución. [ 17 ]
1.4.2. Medida de la conductividad.- Los resultados irregulares
obtenidos en las primeras medidas de la conductividad de soluciones eran
debidos al empleo de corriente continua. Los gases liberados en los
electrodos no sólo aumentan la resistencia, sino que promueven una fuerza
contraelectromotriz de polarización que se opone al paso de la corriente
alterna. El método más satisfactorio para eliminar la polarización consiste
en emplear una corriente alterna de frecuencia elevada y de baja
intensidad, el circuito utilizado para la obtención de la conductividad
eléctrica es como se muestra en la fig. 1.9.
Ve
Celda
ResistenciaVt
Fuentedecorrientealterna
1KHz
Fig. 1.9 Circuito para la medición de conductividad.
20
En este circuito determinamos el voltaje a través de la resistencia VR y el
voltaje total de 1Khz aplicado Vt, como Vc es el voltaje que atraviesa la
celda, y siendo una conexión en serie tenemos, que:
Vc=Vt-VR (1.14)
La intensidad I que atraviesa el circuito es constante e igual a la intensidad
IR que pasa por la resistencia; como la resistencia R es conocida entonces:
I = IR=VRIR (1.15)
Dando varios voltajes a la celda obtenemos varios valores de Vc e I, con los
cuales hacemos el gráfico VC=F(I) de donde la pendiente de la parte recta
del mismo representa la resistencia de la celda Rc.
Para la determinación del factor geométrico tenemos:
(1.16)A/L = Constante de la celda
K = Conductividad específica
Rc = Resistencia de la celda.
Utilizamos las conocidas soluciones que poseen una conductividad
específica conocida:
TABLA 1.2 Conductividad específica del KCI
Concentración:
equiv-gr/!itro
1,0 N
0,1 N
0.01N
gr KCI/litro
74,557
7,4557
0,74557
K (S/cm)
0°C
0,06543
0,007154
0,000775
18 °C
0,0982
0,011192
0,0012227
25 °C
0,11173
0,012886
0,0014114
Nota: E18 ]
21
1.4.3 Cristales iónicos y crecimiento
Cristal.- Se define como un grupo ordenado de átomos, los cuales forman
varios tipos de estructuras cristalinas, dependiendo de la geometría o del
arreglo atómico.
Los cristales iónicos están constituidos por iones con cargas positivas y
negativas. Estos iones son esféricamente simétricos e interaccionan entre
si mediante fuerzas centrales ejercidas por los núcleos sobre los electrones
de los orbitales de enlace, es decir, fuerzas de Coulomb. Para que exista el
cristal en forma estable, estas fuerzas se hallan en equilibrio con fuerzas
repulsivas existentes entre los núcleos en la estructura cristalina por una
parte y también entre los electrones, por otra. El enlace iónico es el que
resulta de la interacción electrostática entre iones con carga opuesta.
Para el crecimiento de cristales a partir de una semilla se necesita una
sobresaturación de una solución, en donde los átomos o iones inciden en la
superficie de la semilla, se desplazan por ella y se fijan en los puntos donde
se ejerce una mayor fuerza de atracción.
Para una descripción del comportamiento de los iones en una solución para
dar lugar a la formación preliminar de semillas se recomienda revisar la
referencia [19].
El crecimiento de cristales viene acompañado de una serie de fenómenos
inherentes tales como defectos en los mismos. Los defectos tienen distintas
causas y son de distintos tipos : Cambio de dirección de ejes en el
crecimiento del cristal, dislocaciones, discontinuidades, introducción de
impurezas etc. Para un mayor detalle ver referencias [ 20, 21 ].
Estas anomalías deben evitarse en lo posible en el crecimiento de
monocristales. El crecer un cristal en condiciones controladas disminuye
notablemente la presencia de defectos en cristales.
22
En general los cristales están formados por una repetición regular de
bloques idénticos. Cuando un cristal crece en un medio constante, la forma
permanece inalterada durante el crecimiento como si se fueran añadiendo
continuamente bloques elementales idénticos. Los bloques elementales son
átomos o grupo de átomos, los cuales se encuentran en una disposición
periódica en tres dimensiones.
Un cristal puede estar formado por más de un elemento químico o puede
contener varios grupos de átomos asociados por ejemplo el ion S04= del
sulfato de cobre. Se describe la estructura de todos los cristales en función
de una red periódica simple, pero con un grupo de átomos ligados a cada
punto de la red o situado en cada paralelepípedo elemental. Este grupo de
átomos recibe el nombre de base que, al repetirse en el espacio forma el
cristal. Una red es una disposición periódica regular de puntos en el
espacio. La estructura del cristal se forma cuando una base de átomos se
dispone de manera idéntica con respecto a cada punto de la red.
Un cristal ideal se compone de átomos dispuestos sobre una red definida
por tres vectores fundamentales de translación a,b,c. ( vectores de la base
1.4.4 Métodos para crecer cristales iónicos
Entre los métodos para crecer grandes cristales iónicos se tiene dos
procedimientos generales, en ambos métodos se suspende una semilla
cristalina, dentro de un recipiente que contiene la solución sobresaturada.
El primer método se llama de "Recipiente tapado", donde se sobresatura la
solución y se tapa el recipiente, evitando la evaporación del agua. La
semilla crecerá por el exceso de sal contenida en la solución. Este método
es rápido y más utilizado en el crecimiento de cristales iónicos.
23
El segundo, es el "método por evaporación", donde se empieza con una
solución saturada y se permite que esta se evapore lentamente. Se deja el
recipiente sin tapar, y cubierto la parte superior del recipiente con un
pedazo de lienzo limpio o papel filtro, para reducir la evaporación y evitar el
polvo del medio ambiente.
En ambos casos el control de la temperatura es muy importante, porque
cambios en la temperatura dan lugar a cambios del grado de
sobresaturación. Consecuentemente, es prudente tener el recipiente en
lugares donde la temperatura varia poco, o tener el recipiente en un baño
María.
En los dos métodos de crecimiento de cristales, el primer paso es hacer una
solución saturada a la temperatura a la cual va a crecer el cristal iónico.[22]
Para obtener una solución sobresaturada por el método de recipiente
tapado se calienta la solución a una temperatura alta, donde ésta se
encuentra no saturada. Entonces se disuelve un poco más de sal en la
solución, se suspende la semilla, y se enfría la solución a la temperatura
original, donde la solución por sí misma se sobresatura. La concentración
del grado de sobresaturación varia con cada sal.
24
BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO I
[ 1 ] Lozano Lucea, J. J., Fundamentos de Química, pag. 74,75, Editorial
Alhambra, Madrid, 1985
[ 2 ] John B. Russell, Química General, pag. 330, Editorial Me Graw-Hill,
Bogotá, 1985
[ 3 ] Babor Ibarz, Química General Moderna, pag. 230, Editorial Marin ,
Barcelona, 1983
[ 4 ] Alan Molden & Phylis Singer, Crvstal and Crvstal Growing. pag.
84,85,86; Editorial Heineman, Great Britain - London, 1971
[ 5 ] ídem [ 1 ], pag. 75, 76, 77, 78
[6] Gilbert Newton Lewis, Merle Randall, Thermodvnamics. pag. 10,
intensive and extensive properties, Press. Me Graw - Hill, 1961
[7] Robert C. Weast, PHD., Handbook of Chemistrv and Phvsics. 68th
Edition 1987-1988, CRC, Press, Inc.
[8] Antonio Creus Solé, Instrumentación Industrial, pag. 215, Editorial
Marcombo, Barcelona, 1985
[ 9 ] ídem [8], pag. 317, 318
[10] K. P. Mishenko, Prácticas de Química- Física, pag. 211,222,
Editorial Mir, Moscú. 1985
[11] O. A. Burmistrova, Prácticas de Química- Física, pag. 290,291,
Editorial MIR MOSCÚ, 1977
[12] W. F. de Jong, Cristalografía General, pag. 170,173,306, Editorial
Aguilar, Madrid-España, 1967
[13] Enciclopedia Mundo Electrónico, Transductores de temperatura.
pag. 115, Editorial Marcombo, Boixareu, Barcelona-México, 1983
[ 14 ] Millman, Halkias, Electrónica Integrada, pag. 57,60, Barcelona 1976.
[15] Boylestad Robert, Electrónica, pag. 199, Editorial Prentice-HalI ,
México. 1982
[16] Fernando Echeverría, Circuito de referencia para medición de
temperatura, pag. 1, 4
25
[ 17 ] Samuel Glasstone, Tratado de Química - Física. Cap. 12, pag. 798,
Editorial Aguilar, 1976.
[18] Cordón M Barrow, Física Química, pag. 619, Editorial Me Graw -
Hill, 1973
[19] Richard W. Ramette, Equilibrio v Análisis Químico. Cap 6.2, pag.
181, 184: nucleación, Editorial Fondo Educativo Interamericano,
1983
[20] Charles Kittel, Introducción a la Física del Estado Sólido. Cap 19 :
Defectos puntuales pag. 661, Cap 20 : Dislocaciones, pag 693,
Editorial Reverte, 1975.
[ 21 ] Ashcroft / Mermin, Solid State Phvsics. Cap 30 : Defects in crystals,
pag. 615, Press. Holt, Rineheart and Winston, 1976.
[22] ídem [4] , pag. 93, 94.
CAPITULO II
EQUIPO PARA CRECIMIENTO DE CRISTALES IÓNICOS:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
CONTENIDO:
2.1. Análisis global del sistema y requerimientos generales
2.2. Especificaciones del sistema
2.3. Diseño del termostato y su sistema de control
2.3.1 Circuito de potencia
2.3.2 Circuito de control
2.4. Diseño del sistema de control de conductividad en
soluciones iónicas
2.4.1 Diagrama de bloques de conductividad y movimiento
de solución
2.4.2 Celda de conductividad y cálculo de la constante geométrica
2.4.3 Circuito de control de conductividad
2.5. Diseño del sistema de control de movimiento de soluciones
2.5.1 Aspectos técnicos de la construcción
Bibliografía del Capítulo II
27
2.1. Análisis global del sistema y requerimientos generales
Se ha llegado a concebir el sistema a través de una serie de discusiones
entre el suscrito y el Director de Tesis. La versión final se describe a
continuación.
El proceso de crecimiento de cristales iónicos requiere de los siguientes
elementos como se puede ver en la fíg. 2.1.
12
1 Sensor de temperatura
2 Sensor de Conductividad
3 Crista) iónico
4 Sensor de nivel bajo
5 Sensor de nivel alto
6 Solución Iónica
7 Trípode
8 Agua para Baño María
9 y 10 Resistencias de calefacción
11 Ductos de entra y salidade solución
12 Celda de crecimiento
13 Termo
Fig. 2.1 Elementos del Sistema
El sistema esta compuesto por un termo (13), que contiene en su interior
agua (8), las resistencias de calentamiento (9,10), la celda de crecimiento
(12) y un trípode (7).
En el interior de la celda de crecimiento se encuentra el sensor de
temperatura (1), sensor de conductividad (2), el cristal iónico (3), sensor de
nivel bajo (4), sensor de nivel alto (5), la solución iónica (6), y los ductos de
entrada y salida de solución (11). Para establecer el sistema de control en
base a la figura antes mencionada se requiere de dos bloque: 1)
Temperatura en la solución y 2) Conductividad y movimiento de solución,
como se indica en la fig. 2.2.
BLO
QU
E 1
Tem
pera
tura
en l
a so
luci
ón
Sis
tem
a de
co
ntr
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Sis
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oluc
ión
Fig
. 2.2
Blo
ques
de
cont
rol
del s
iste
ma
00
29
1) Temperatura en la solución.- Para mantener la celda de crecimiento a
temperatura constante, se requiere de dos subsistemas: Sistema de control
de temperatura y circuito de potencia.
Formando parte del sistema de temperatura se encuentra una cadena de
diodos, que forman el sensor de esta magnitud, de la cual se aprovecha la
característica corriente - voltaje de la unión semiconductora, (ver
subcapítulo 1.3). La señal obtenida del sensor de temperatura permite
realizar el control de la potencia de disipación de las resistencias de
calentamiento del termostato.
El sistema esta diseñado para realizar un control de la temperatura en un
amplio rango y de una manera continua.
El subsistema del circuito de potencia es el que permite conectar y
desconectar la resistencia calentadora en base a semiconductores de
potencia.
2) Conductividad y movimiento de solución .- Para realizar el crecimiento
del cristal iónico se necesitan de dos subsistemas: Sistema de control de
conductividad , y control de movimiento de solución.
El sistema de control de conductividad esta compuesto básicamente del
sensor que es alimentado por una corriente alterna, de frecuencia 1 Khz y
baja intensidad.
Al iniciarse el proceso, la celda de crecimiento se encuentra llena de
solución sobresaturada. El cristal iónico empieza a crecer conforme la
solución sobresaturada se va enfriando y los iones se depositan
ordenadamente sobre la semilla hasta llegar a la temperatura de crecimiento
constante. La solución pierde concentración y por tanto cambia su
conductividad hasta alcanzar el punto de referencia ajustado. En este
instante se activa la bomba para desalojar la solución gastada, finalizando
el vaciado cuando se activa el sensor de nivel bajo, que a su vez enciende
una segunda bomba de llenado de nueva solución sobresaturada a la celda
de crecimiento. El proceso de llenado continua hasta activar el sensor de
nivel alto que da la señal de apagado de la segunda bomba, dejando el
30
proceso en estado de espera regido por el monitoreo continuo de la
conductividad de la solución hasta que se active la unidad de control de
conductividad. De esta manera se repite el proceso en una forma
automática.
El movimiento de solución depende directamente del sistema de control de
conductividad eléctrica, y se encuentra diseñado para realizar un control
continuo.
Complementariamente se diseña la fuente de polarización de los circuitos
de control con un voltaje de ±12 voltios de corriente continua y con una
capacidad de 1 amperio, una fuente de alimentación de bombas que
controlan el flujo de líquidos de ± 12 voltios de corriente continua y una
capacidad de 2 amperios.
Se procura que el sistema completo sea robusto con un control analógico,
factible de construirse y repararse con elementos que se encuentran
fácilmente en el mercado local.
2.2. Especificaciones del sistema
Para lograr el crecimiento de cristales iónicos se tendrán las siguientes
especificaciones:
1) Alimentación AC del sistema 120 V
2) Alimentación DC del sistema ± 12 V
3) Potencia Nominal del termostato 1000 W
4) Rango de temperatura del termostato 15 °C a 85 °C
5) Rango de detección de conductividad de 1 a 800 msiemens
6) Volumen de solución a controlar 2 litros
7) Volumen de agua del termo 30 litros
8) Variación del control de temperatura en todo el rango continua
9) Variación del control de conductividad en todo el rango continua
31
2.3. Diseño del Termostato y su sistema de control
El termostato está formado por los siguientes bloques: El bloque 1, es el
circuito de control de temperatura, bloque 2, es el circuito de potencia y el
bloque 3, 4 son las resistencias de calentamiento y sensor de temperatura
respectivamente, como se puede ver en el diagrama de bloques de la fig.
2.3.
Fig. 2.3 Diagrama de bloques del Termostato
2.3.1 Circuito de potencia
En el diseño del circuito de potencia se tiene presente el tipo de carga y la
corriente que va a circular.
Para el cálculo de la potencia nominal del equipo se parte del volumen de
agua a calentarse y el rango de temperatura a controlar.
El cálculo de la potencia necesaria de calentamiento de líquidos se obtiene
de la siguiente expresión : [ 1 ]
32
<
m = masa del líquido, Kg.
c = calor específico del líquido, Kcal/Kw - h
At = variación de temperatura, °C
1,16x10"3 = factor de conversión, 1Kcal/Kw.h
h = tiempo de calentamiento
El termo tiene una capacidad de 30 litros de agua y la variación de
temperatura es de 15 °C a 85 °C.
Masa de agua contenida en el termo:
m = 30 Kg.
c= 1Kcal/Kg°C
At = 70 °C
De la ecuación 2.1 se tiene :
3QKg*lKcal I Kg° C*70° C*l,16 x 10"3-
h
Analizando los resultados se observa que para calentar 30 litros de agua,
con una variación de 70 °C durante una hora se necesita 2,43 Kw.
EE termostato contiene 2 resistencias de 8 Q cada una, conectadas en serie
a la red de voltaje de 120 VAC. Con estas especificaciones se calcula la
potencia de calentamiento :
• - R- 4í (2'2)K 1 t>
P = 0,9 Kw
V = voltaje de la red de suministro
R = resistencia
P = potencia
Como conclusión de los cálculos se observa que para una potencia de
calentamiento de 0,9 Kw, 30 litros de agua y variación de temperatura de 70
°C se necesita aproximadamente 3 horas de calentamiento del termo.
33
La corriente que circula por la carga es:
7 = f (2-3)
Donde :
P = potencia del equipo, 0,9Kw
V= voltaje de alimentación, 120V
De la ecuación 2.3 se calcula la corriente de carga de 7,5 amperios, por
esta especificación se utiliza en el diseño un triac de 15 amperios.
Para gobernar y regular la potencia suministrada a una carga resistiva
existen diferentes técnicas : [ 2 ]
a) Aplicar por todo o nada a partir de la red,
b) Aplicar impulsos de frecuencia constante y ancho variable
c) Aplicar impulsos de frecuencia variable y ancho constante
d) En c.a., y en control de media onda, aplicar las semiondas con ángulo de fase variable.
e) Actuar de idéntica forma en onda completa, dejando siempre intacta una de las
semiondas.
f) Actuar sobre el ángulo de fase de las semiondas.
g) Conmutar a tensión nula y aplicar períodos o semiondas enteras.
En el diseño del circuito de potencia se utiliza la técnica g) conmutar a
tensión nula y aplicar períodos completos de la onda sinusoidal de la red de
suministro como se indica en la fig. 2.4. Esta técnica presenta la ventaja de
no introducir ruido en la red de alimentación y es muy usada en el manejo
de cargas resistivas.
Fig. 2.4. Conmutación a tensión nulaaplicando períodos completos
34
v Ar
nú VA u
Circuito deco ntro 1
<
S1
_/'""- zi
\3 p C2
R4D4
D3 ^» [ÍH
? D2
Q1 1
i p>t
D5
~ C3
-^-
>c
"< R5
>
Q2
TRIAC
CARGA
Fíg. 2.5 Circuito de conmutación a tensión nula
Para el sistema de conmutación y control del Triac se ha elegido la
topología que se muestra en la fig. 2.5. Se ha tomado esta decisión, pese a
existir circuitos integrados de cruce por cero por tratarse de un circcuito
práctico, robusto y construido con elementos discretos comunes en el
mercado local. Su funcionamiento se describe a continuación.
Como se puede ver en la fig. 2.5, la operación del circuito es el siguiente: [3]
En el inicio del semiciclo positivo, el voltaje crece rápidamente de cero,
causando un gran flujo de corriente dentro del capacitor C2. La corriente
circula a través de C2 y por medio de R4, D3 y D4 hacia la compuerta del
triac Q2, causando el encendido de éste. Entonces Q2 se enciende,
capacitor C3 se carga al pico de voltaje de línea por medio de D5. Guando
el voltaje de línea pasa a través del pico, D5 se polariza inversamente y 03
empieza a descargarse a través de D4 y la compuerta de Q2. A este
momento el voltaje en 03 se atrasa del voltaje de línea. Ouando el voltaje de
línea pasa a través de cero, todavía se tiene carga en 03, también que
cuando el voltaje de línea empieza la parte negativa, 03 se encuentra
todavía descargándose por medio de la compuerta de Q2.
35
Así Q2 es también encendido cerca del cero en el semiciclo negativo. Esta
operación continua para cada ciclo, hasta que el interruptor S1 es cerrado, a
este momento el SCR Q1 es encendido. Q1 desvía la corriente que va a la
compuerta de Q2 durante cada semiciclo positivo, evitando a Q2
encenderse. Q2 no puede encenderse durante el semiciclo negativo porque
C3 no puede cargarse a menos que Q2 este encendido durante el semiciclo
positivo.
Si S1 se cierra inicialmente durante un semiciclo positivo, el SCR Q1 se
enciende pero la operación del circuito continua por el resto del ciclo
completo y entonces se apaga. Si S1 es cerrado durante un semiciclo
negativo, Q1 no se enciende porque esta polarizado inversamente. Q1
entonces se enciende al comienzo de los semiciclos positivos y Q2 se
apaga.
El apagado-encendido de cruce por cero cuando S1 es abierto esta
asegurado por ias características del SCR Q1. Si S1 es abierto durante el
semiciclo positivo, Q1 continua conduciendo por el semiciclo entero y el
triac Q2 no puede encenderse en la mitad del semiciclo positivo. Q2 no se
enciende durante el semiciclo negativo porque C3 fue incapaz de cargarse
durante el semiciclo positivo. Q2 empieza a conducir al primer semiciclo
positivo completo. Si se abre S1 durante el semiciclo negativo, Q2 todavía
no puede encenderse hasta el comienzo del semiciclo positivo porque C3
esta descargado.
Como se indica en la fig. 2.5 del circuito de potencia se requiere de dos
semiconductores, Q1 es un SCR y Q2 es un Triac. Q2 es el que maneja la
carga de las resistencias de calentamiento. Q1 es el semiconductor que
permite el apagado y encendido de Q2.
La selección del triac se hace en base a la potencia nominal, voltaje nominal
y corriente nominal del sistema.
36
El triac y SCR utilizados tienen las siguientes características dadas por el
fabricante, según se muestra en la Tabla 2.1.
TABLA 2.1 : Características del Triac y SCR
ELEMENTO: NTE 56016 (TRIAC)
Máxima corriente directa RMS IRMS = 25 A
Mínima corriente DC de compuerta lGTmin = 50 mA
Máximo voltaje DC de compuerta VGTmax = 2,5 V
Potencia media de compuerta PGAV = 0,5 W
Tasa de variación de voltaje versus tiempo dv/dt = 40 V/useg.
Temperatura de juntura semiconductora Tj °C = -40 a + 125
ELEMENTO: NTE 5415 (SCR)
Máxima corriente directa RMS IRMS = 4 A
Máxima corriente media directa IAV = 2,5 A
Mínima corriente DC de compuerta lGTmin = 200 uA
Máximo voltaje DC de compuerta VGTmax = 1,0 V
Potencia media de compuerta PGAV = 0,1 W
Temperatura de juntura semiconductora Tj °C = -40 a 110
Tasa de variación de voltaje versus tiempo dv/dt = 10 V/useg.
El diseño y construcción de los diagramas esquemático, ubicación de
componentes y circuito impreso de la parte de potencia se encuentran en el
Anexo 1, figuras 1, 2 y 3.
37
2.3.2 Circuito de control
En la fig. 2.6 se muestra el diagrama de bloques del circuito de control. En
él, se pueden apreciar los dispositivos básicos que lo conforman.
Cada bloque está identificado con un número, de tal manera que la
explicación del funcionamiento se puede analizar en forma secuencial.
Sensor
Circuito da controlde temperatura
Fig. 2.6 Diagrama de bloques del circuito de control
Como se puede ver en la fig. 2.6 el sensor esta formado por 10 diodos
1N4148, de 200 mA, se utiliza como sensor de temperatura ya que por ser
una unión PN, tiene un coeficiente de voltaje negativo, o sea que a medida
que aumenta la temperatura, el voltaje disminuye.
El voltaje en el sensor es amplificado por el bloque 1, que está constituido
por un amplificador diferencial como se indica en la fig. 2.7. Que sirve para
amplificar sólo una parte del rango total de respuesta del sensor.
< V12 +
R1
R2
R6
u-r Q4
JFETi
R5
Sensor
^r^
I-™*™»1
f
U
^
-y — '
1A
C1
V12-
R7
Fig. 2.7 Amplificador diferencial
38
.SALIDA
En el circuito de la fig. 2.7, la señal de voltaje del sensor de temperatura,
ingresa por la entrada inversora del amplificador. El sensor es alimentado
por una fuente de corriente constante que esta construida en base a un
JFET. La corriente que circula por el sensor es de intensidad baja y esta en
el orden de los 50 uA. Es necesario que la fuente de corriente sea
constante para que no exista variaciones en el voltaje de juntura del sensor
por esta causa, e intensidad baja para aumentar el rango de variación de
voltaje dentro del rango de temperatura, además de no obtener disipación
apreciable de calor en la juntura. Con estos cuidados se evita influir en la
temperatura de la solución a controlar.
Por la entrada no inversora del amplificador ingresa la señal que sirve para
ajustar al mismo voltaje obtenido de la cadena de diodos a temperatura
ambiente de la solución. Es necesario que las entradas inversora y no
inversora se encuentren al mismo voltaje, para disminuir el error, por ello se
tiene el potenciómetro R2 que sirve para calibrar este voltaje.
39
El bloque 2 es un amplificador sumador - inversor, en esta etapa se invierte
la señal obtenida del bloque 1 y se suma un voltaje DC. Este voltaje sirve
para acondicionar la señal de salida del amplificador, adicionalmente se
tiene un ajuste de voltaje offset del circuito. Este circuito se indica en la fig.
2.8.
R10
ENTRADAR8
R9
R12
R13
R11
Fig. 2.8 Circuito sumador - inversor
El bloque 3 esta constituido por un operacional que trabaja como
comparador. En esta etapa ingresa la señal obtenida del bloque 2 y la
señal de ajuste grueso o fino del bloque 5, que establece el usuario del
sistema a través de un control externo al circuito electrónico (perilla de
control). Este voltaje es análogo a la temperatura en grados seleccionada
en la escala del panel frontal del módulo. Se comparan los dos niveles de
voltaje y dependiendo cual es mayor o menor se obtiene a la salida del
comparador un nivel alto o nivel bajo de DC. Este circuito comparador es el
que permite realizar el control del Triac a través de un interruptor
semiconductor. Dependiendo del voltaje Vo de salida del circuito de la fig.
2.8. y el voltaje de comparación ajustado por el usuario. Permitirá obtener
un control de tipo integral, esto es, números de períodos completos de la
40
onda sinusoidal de la red de suministro hacia la carga como se indicó en la
fig. 2.4. Este circuito se puede ver en la fig. 2.9.
VGRUESO..-O
-CK
Fig. 2.9 Circuito comparador
El bloque 4 es un interruptor semiconductor que esta diseñado en base a un
transistor PNP 2N3905. Dependiendo de la señal de salida del comparador
del bloque 3, la base del transistor se polariza con un nivel alto o bajo de
voltaje. El transistor trabaja como un interruptor en estado de corte o
saturación. Este interruptor sirve para encender o apagar el SOR del
circuito de potencia del bloque 7. El circuito se puede ver en la fig. 2.10.
R30
Fig. 2.10 Interruptor semiconductor
41
El bloque 5 esta constituido por un arreglo de resistencias de precisión que
sirven para obtener el voltaje de referencia de ajuste grueso por medio de
un selector que se encuentra en el panel frontal del equipo. Adicionalmente
se tiene un potenciómetro que varía desde OV a 1V, este voltaje y el de
ajuste grueso son ingresados a un amplificador sumador, que permite
obtener a su salida un voltaje continuo desde el voltaje grueso seleccionado
sumándole desde OV a 1V. El circuito se muestra en la fig. 2.11.
Fig. 2.11 Circuito de ajuste grueso y fíno
El bloque 6 contiene el circuito de protección y señalización. Los circuitos
están diseñados en base a comparadores. Los comparadores trabajan
dependiendo de la señal de voltaje del sensor de temperatura obtenida del
bloque 2 y el voltaje de protección como se muestra en la fig. 2.12.
Estos circuitos trabajan de la siguiente manera, cuando el sensor de
temperatura se encuentra averiado, el voltaje VO es mayor que el voltaje de
protección. El primer comparador se pone en nivel bajo a su salida lo que
42
hace que el LED se encuentre apagado, dando así información del estado
del sensor. El segundo comparador da un nivel bajo a su salida y el
transistor Q2 se corta. Se apaga el relé K1.
Con esto se consigue cerrar el interruptor semiconductor del bloque 4.
Encendiendo el SCR del circuito de potencia que deshabilita la alimentación
de las resistencias del termostato.
V.PROTECCIO
Fig. 2.12 Circuito de protección y señalización
Los diagramas esquemático, ubicación de componentes y circuito impreso
del control de temperatura se pueden ver en el Anexo 1, figuras 4,5,6,7.
43
2.4. Diseño del sistema de control de conductividad en
soluciones iónicas.
2.4.1 Diagrama de bloques de conductividad y movimiento de
solución
Para establecer el sistema de conductividad y movimiento de solución se
requiere de dos subsistemas. El primero es control de conductividad y el
segundo es el control de movimiento de solución.
Estos dos sistemas son interdependientes. Debido a que el sistema de
control de movimiento de solución depende de la señal de control de
conductividad, como se muestra en la fig. 2.13
Fig. 2.13 Diagrama de bloques del sistema de conductividad
y movimiento de solución
44
2.4.2 Celda de Conductividad y cálculo de la constante
geométrica
Se representa el sistema de dos electrodos ubicados en una solución
mediante el siguiente esquema eléctrico equivalente. Como se indica en la
fig. 2.14.
( a ) ( b )
Fig. 2.14 Celda de conductividad (a) y Circuito equivalente (b)
Donde R es la resistencia óhrnica de la solución y C es la capacitancia
formada por la superficie de separación entre electrodo y electrólito, así que
la impedancia del circuito es : [ 4 ]
1JwC (2.4)
(2.5)
Del circuito equivalente de la celda se tiene una componente resistiva, que
es la que se quiere medir y una componente capacitiva que se necesita
eliminar del circuito, para lograr esto se recurre a un circuito discriminador
de fase que mas adelante describiremos su funcionamiento (ver fig. 2.21).
En la medición de conductividades no se emplea corriente continua, debido
a que superando cierto valor de voltaje puede ocurrir electrólisis, esto es
45
reacción electroquímica que altera la solución en estudio. Debido a lo
anterior lo procedente para eliminar la polarización consiste en emplear una
corriente alterna de frecuencia elevada y de baja intensidad; de esta manera
la dirección de la corriente se invierte unas mil veces por seg., y la
polarización producida por cada pulsación de la corriente viene neutralizada
por la siguiente, siempre que las alternancias sean simétricas. [ 5 ]
La celda es construida en base a dos electrodos cuyo material debe ser de
conductores que no sean afectados por las sales iónicas, montados sobre
un cuerpo de material aislante.
La constante de la celda depende del tamaño de los electrodos, de la
distancia entre ellos, de su forma y disposición mutua.
Una manera para determinar la constante geométrica de la celda se utiliza
el circuito de lafig. 2.15. [6 ]
Celda
Resistencia
Fuentedecorrientealterna
1KHz
Fig. 2.15 Circuito para cálculo de la
constante geométrica
46
En donde se determina eí voltaje VR y el voltaje total del circuito Vt, como Vc
es el voltaje que atraviesa la celda, y siendo una conexión en serie
tenemos, que:
(2.6)
La intensidad I que atraviesa el circuito es constante e igual a la intensidad
IR que pasa por la resistencia conocida, entonces se tiene:
(2.7)
Para encontrar la constante se arma el circuito de la fig. 2.15 en un tablero
de montaje de circuitos electrónicos, utilizando un osciloscopio y un
generador de señales a una frecuencia de 1khz, se varia el voltaje de salida
Vt desde 1 V hasta 10 V, con la ayuda del canal 1 del osciloscopio se
realiza esta medición. Para cada voltaje de salida se mide el voltaje de la
resistencia VR con la ayuda del canal 2 del osciloscopio. Los valores
obtenidos se tabulan en la tabla 2.2
Con este procedimiento se llega a obtener valores de Vc e I y se realiza el
tratamiento analítico de VC=F(I), donde la pendiente de la recta representa
la resistencia de la celda R.
Finalmente para la determinación del factor geométrico de la celda se tiene :
A/L = 1/(K*R) (2.8)
Para los sensores de conductividad construidos para la realización de este
trabajo de Tesis y, utilizando la solución de KCI que posee una
conductividad específica conocida y la ecuación 2.8, se llega a determinar la
constante de la celda de conductividad.
TABLA 2.2 Tabulación de voltajes y comentes de la celda de conductividad
47
vt(V)
1,0
1,6
2,0
2,6
3,0
3,6
4,0
4,6
5,0
5,6
6,0
6,6
7,0
7,6
8,0
9,0
10,0
Vr
(mV)
18
26
32
40
46
54
60
68
76
84
92
100
108
116
124
144
155
I
(A)
0,015
2,166E-2
2,16E-2
3,33E-2
3,83E-2
0,045
5,OE-2
5,66E-2
5,66E-2
0,07
7,66E-2
8,33E-2
9,OE-2
9.66E-2
10.3E-2
12,OE-2
0,1291
Ve
(V)
0,982
1,574
1,574
2,56
2,954
3,546
3,94
4,532
4,532
5,516
5,908
6,5
6,892
7,484
7,876
8,856
9,845
Realizando una regresión lineal, por el método de mínimos cuadrados de la
función Vc = F(I), con los datos correspondientes a la tabla 2.2, se obtiene
los valores tabulados en la tabla 2.3. [ 7 ]
TABLA 2.3 Valores tabulados por el método de los mínimos cuadrados
48
Xo
11111111111111111
X1 *(10 2)
1,5
2,166
2,666
3,333
3,833
4,5
5,0
5,666
6,333
7,0
7,666
8,333
9,0
9,666
10,33
12,0
12,91
X2*(10~*)
2,25
4,691556
7,107556
11,108889
14,691889
20,25
25,0
32,103556
40,106889
49,0
58,76755
69,4388
81,0
93,4315
106,708
144,0
166,6681
Y
0,982
1,574
1,968
2,56
2,954
3,546
3,94
4,532
4,924
5,516
5,908
6,5
6,892
7,484
7,876
8,856
9,845
XY*(102)
1,473
3,499284
5,246688
8,53248
11,322682
15,957
19,70
25,67831
31,183692
38,612-2
45,2907
54,1645
62,028
72,3403
81,3590
106,272
127,09
Ejecutando los cálculos por el método de los mínimos cuadrados se tabulan
los resultados en la tabla 2.4.
TABLA 2.4 Resultado de cálculos por el método de mínimos cuadrados
S(x°)
17
ZCX1)
1,11902
Z(x2)0,0926325336
ZOO85,857
Z(XY)
7,0965979
49
Con los valores correspondientes de la tabla 2.4 se obtiene el sistema de
ecuaciones :
17a0 + 1,11902ai=85,857
1,11902a0 + 0,0926325336a! = 7,0965979
Resolviendo el sistema se encuentra los valores de :
a0 = 0,036944831
an =78, 1639
Obteniéndose la ecuación de Ve = f(I) :
Ve = 0.036944831 + 76,167 (2.9)
Donde la expresión 2.9 representa la ecuación de una recta, cuya
pendiente, m, significa la resistencia de la celda de conductividad, entonces
tf = /w = 76,16Q (2.10)
La conductividad específica K, de la solución 1 Normal a 18 °C es:
K = 0,0982(5 Icm) (2.11)
Remplazando los valores de R y K en la ecuación (2.8):
= l/(K*R)
A 1(2 1 2}v '
L 0,0982*76,16
La constante geométrica de la celda de conductividad es:
(2.13)
50
2.4.3 Circuito de control de conductividad
En el diseño del circuito de control de conductividad de soluciones se tiene
varios bloques numerados que se explicarán uno a uno su funcionamiento.
Los bloques a diseñar se indican en la fig. 2.16
Sensor1
Oscilador deonda sinusoidal
2
Atenuador(.
4Oscilador daonda cuadrada
M
^- — --.
--- — --
>
y3
Amplificador
5D ¡acriminadorde Fase
6
Amplificador Señal deConductividad
Fig. 2.16 Diagrama de bloques del circuito de control
de conductividad
El bloque 1 constituye un oscilador de onda sinusoidal de amplitud 5 voltios
pico y una frecuencia de 1 Khz. Este circuito se muestra en la fig. 2.17
Fig. 2.17 Oscilador de onda sinusoidal T gemelas
51
En este circuito R3, R4, R5, C1, C2, C3, y C4 forman un filtro T gemelas,
que cuando es conectado en el lazo de realimentación de un amplificador
operacional, el resultado de este circuito genera una onda sinusoidal, de
frecuencia : [ 8 ]
f= 12*x*R*C ^2'14)
donde R = R3 = R4 y C = C1 = C2 = C3 = C4.
Se ha elegido este circuito por su alta estabilidad y frecuencia muy limpia de
componentes a más altas frecuencias.
Bloque 2.- Esta formado por un atenuador de señal. Este bloque sirve para
disminuir la amplitud de la señal sinusoidal del bloque 1 desde 5V pico a 25
mV pico. Existe un seguidor de voltaje para no producir efecto de carga al
atenuador amplificando la corriente a su salida. La señal obtenida circulará
por el sensor de conductividad y una resistencia de 1 KQ denominada
resistencia espía. De esta resistencia se toma la señal de voltaje que
ingresa al siguiente bloque. Este circuito se indica en la fig. 2.18
R8 SENSOR DECONDUCTIVIDAD
RESISTENCIAESPÍA
Fig. 2.18 Atenuador de señal
El bloque 3 sirve para amplificar la señal sinusoidal obtenida del bloque 2.
La misma que es amplificada nuevamente a los 5 V pico. En esta etapa se
elimina la componente DC del circuito con el condensador C9 y se elimina el
52
efecto de carga con el seguidor de voltaje. Este circuito se indica en la
fig.2.19.
RH
Señalsinusoidal
^-^^\"
^\U
f^ j. f.
T5K
1MC9
Fig.2.19 Amplificador
El bloque 4 esta formado por un oscilador de onda cuadrada que se
encuentra en fase con el oscilador de onda sinusoidal del bloque 1. El
oscilador es diseñado en base a un comparador y dos diodos zener
conectados a su salida que forman la onda cuadrada. El circuito se muestra
en lafig. 2.20
R6
VSINUSOIDAL
D2
VCUADRADO
D1
Fig. 2.20 Oscilador de onda cuadrada
El bloque 5 constituye el discriminador de fase. A este bloque ingresa la
señal del bloque 3 y del bloque 4. La función del discriminador es eliminar
la componente capacitiva formada por los electrodos de la celda de
53
conductividad como ya antes se analizó en el literal 2.4.2. A continuación
se realiza una descripción detallada del funcionamiento del bloque 5.
Al discriminador de fase se le dan otros nombres como son discriminador
sensitivo de fase, detector sincrónico, discriminador de interruptor
sincrónico.
Además este circuito puede ser considerado como un rectificador de onda
completa sincronizado. Si la señal de entrada V¡ se encuentra exactamente
en fase con la señal Vc, en la salida se obtiene una forma de onda
rectificada completa como se muestra en la fig. 2.22, el valor promedio de la
onda rectificada completa es máximo. [ 9 ]
Si V¡ esta 90° fuera de fase, el valor promedio de la salida es cero.
Discriminadores sincrónicos son usados a menudo en sistemas de bajo
ruido porque tienen esta propiedad de reducción de ruido.
Vi
Vc
Fig. 2.21 Discriminador de fase
54
Son
S o f f
v¡ (peokl
¡ (30°)
'o (-i=90°),dc OVE rogé' = ZEfO
/fif. 2.22 Formas de onda del discríminador
La etapa A1 de la fig. 2.21 es un amplificador con una ganancia de -R2/R1.
Entonces -V¡ R2/R1 aparece en el lado izquierdo del interruptor S. Esta
señal recibe además la ganancia de -R7/R6 durante el tiempo cuando S
esta encendido. A través de esta ruta la señal recibe una ganancia total de
R2R7/R1R6. A esto debe añadirse la señal a Vo que viene directamente a
través de R5 con una ganancia de -R7/R5. Durante el tiempo que S esta
encendido tenemos:
R7^
R5 (2.15)
Mientras S esta apagado tenemos que
(2.16)
La ganancia del término R2R7/R1R6 debe ser dos veces de R7/R5. Bajo
estas condiciones el máximo voltaje de salida es
V —yo -
RT_R5
55
(2.17)
El voltaje de salida DC es una función del ángulo 0 de fase entre V, y \/c,
donde V¡ es sinusoidal
V0(DC) = Q. (2.18)
La constante es el valor promedio de la mitad de una onda sinusoidal. La
etapa A2 es un integrador con entradas dual a través de R5 y R6. El grado
de rizado en Vo puede ser controlado con C1. Este capacitor no es tan
grande y el integrador no necesita ser inicializado.
El bloque 6 es un amplificador que sirve para acondicionamiento de la señal
obtenida del discriminador de fase. Esta señal varia en amplitud,
dependiendo de la conductividad de la solución iónica. El circuito se indica
en lafig. 2.23.
R23
VCONDUCTIVIDAD
R22
Fig. 2.23 Acondicionador de señal
Los diagramas esquemáticos, ubicación de elementos y circuito impreso del
control de conductividad se encuentran en el Anexo 1 figuras 8,9,10 y 11.
56
2.5. Diseño del sistema de control de movimiento de
soluciones
En el control del proceso de crecimiento de cristales iónicos, se tiene que
evacuar solución que ha perdido concentración de sal iónica, para realizar
este control, se establece el diagrama de bloques de la fig. 2.24.
Señal de conductlvid
¡ »
1Comparador
2Rete
! ' 'ReferenciaAjuatable
3Sensor danivel bajoSeñalización
6Sensor denivel alioSeñalización
4
Comparador
7
Comparador
5Relé
8
Refe
Bomba 1
Bomba2
Celda decrecimiento
Fig. 2.24 Diagrama de bloques del control
de movimiento de solución
El bloque 1 esta formado por un comparador. Ingresan la señales de
conductividad y referencia ajustable. La referencia es variada por el usuario
por medio de un potenciómetro que se encuentra en la parte frontal del
equipo.
El comparador controla la base de un transistor PNP. Sirve para conectar o
desconectar el relé del bloque 2. El relé permite alimentar la bomba 1 de
vaciado de solución gastada de la celda de crecimiento. Este circuito se
indica en la fig. 2.25.
57
R2
Sensor deConductividad
REFERENCIAAJUSTAB1£
Fig. 2.25 Circuito comparador de conductividad
El bloque 3 es diseñado en base a un comparador. A este bloque llega la
señal del sensor de nivel bajo. Los sensores de nivel son construidos por
dos electrodos, de material anticorrosivo a la sal iónica. El sensor es
alimentado por una fuente de corriente de baja intensidad. Por la entrada
no inversora del comparador se fija un voltaje. Sirve como punto de
comparación del circuito.
Dependiendo del nivel alto o bajo del comparador se controla el encendido
o apagado del LED. El estado del LED sirve de señalización del nivel de
solución. El circuito se indica en la fig. 2.26.
58
SENSOR DENIVEL BAJO
Fig. 2.26 Circuito de señalización
El bloque 4 constituye un comparador. Este bloque sirve para conectar o
desconectar el relé del bloque 5. El relé a su vez controla el encendido o
apagado de la bomba 2 de llenado de nueva solución sobresaturada a la
celda de crecimiento. El circuito se muestra en la fig. 2.27.
59
Sensor deNivea Bqo
Fig. 2.27 Circuito de comparación de nivel bajo
El bloque 6 es diseñado con los mismos elementos electrónicos del bloque
3. Su funcionamiento sirve para detectar el nivel alto de solución. El
circuito se indica en la fig. 2.28.
Fig. 2.28 Circuito de señalización de nivel alto
60
El bloque 7 es un comparador que sirve para conectar o desconectar el relé
del bloque 8, dependiendo del estado de la señal del sensor de nivel alto.
Con esto se logra controlar al relé del bloque 5, apagando la bomba 2 de
llenado de solución. Para finalmente tener el sistema en estado de espera
de nueva señal de conductividad. Ef circuito se muestra en la fig. 2.29.
Sensor deNivel alto
Fig. 2.29 Circuito de comparación de nivel alto
Los diagramas esquemático, ubicación de componentes y circuito impreso
del control de movimiento de soluciones se encuentran en el Anexo 1
figuras 12, 13, 14 y 15.
En el diseño del control de solución se utilizan bombas de agua que son
alimentadas por 12 V DC. y 2A.
Se diseña además la fuente de polarización para los diferentes circuitos
electrónicos con un voltaje de alimentación de ± 12 V DC. y corriente de
carga de 1 A.
61
Las fuentes mencionadas, se hallan construidas en base a reguladores
integrados; así, la fuente de +12 V a 1 A está construida con el circuito
integrado 7812, la fuente de -12 V a 1 A está construida con el circuito
integrado 7912. La fuente de + 12 V a 2A está construida en base al
circuito integrado 935.
Los diagramas esquemáticos, ubicación de componentes y circuitos
impresos se encuentran en el Anexo 1 figuras 16, 17 y 18 que
corresponden a la fuente de los circuitos de control, y figuras 19, 20 y 21
corresponden a la fuente de alimentación de bombas.
2.5.1 Aspectos técnicos de la construcción.
En este trabajo de tesis se diseña y construye un total de 6 tarjetas
electrónicas de dimensiones 16 cm. x 10 cm.
Las tarjetas construidas son :
1 tarjeta para el circuito de potencia
1 tarjeta para el circuito de control de temperatura
1 tarjeta para el circuito de control de conductividad
1 tarjeta para el circuito de control de movimiento de solución
1 tarjeta para la fuente de polarización de circuitos de control
1 tarjeta para la fuente de alimentación de bombas de agua
Los diagramas esquemáticos, ubicación de componentes y circuitos
impresos de las tarjetas se encuentran en el Anexo del trabajo.
Todas las tarjetas se encuentran ensambladas en un gabinete metálico de
las siguientes dimensiones: 40 cm. x 30 cm. x 20 cm.
El montaje de las tarjetas, se lo ha hecho sobre una estructura metálica.
Sirven como soporte canaletas de material aislante, evitando así cualquier
contacto con materiales conductores que puedan provocar un cortocircuito.
El montaje se lo ha realizado de tal manera que cualquier cambio o chequeo
62
de elementos sea efectuado con relativa facilidad, cada tarjeta es
desmontable.
Además de las tarjetas mencionadas se tiene en el interior del gabinete
metálico los transformadores de alimentación para las fuentes de voltaje,
disipadores de calor del triac, disipador de calor del regulador de voltaje
935, y un contactor para alimentación de la red de suministro.
En el panel frontal, en su interior se tienen todas la conexiones necesarias
para los distintos elementos exteriores, como potenciómetros, selector,
pulsante de encendido, luces de señalización, entradas de los diferentes
sensores y salidas de alimentación de las bombas.
En la parte externa del panel frontal se tiene un bloque de señalización del
proceso. Un bloque de control donde se encuentran ubicados los
potenciómetros, selectores y pulsante de encendido del sistema, y el último
bloque se tiene las entradas de los sensores de temperatura, conductividad,
nivel de solución y salidas de alimentación de las bombas. A un lado del
gabinete se encuentra el cable de alimentación a la red de suministro de
120 VAC, y los terminales para la conexión de las resistencias del
termostato.
Como parte del sistema de crecimiento de cristales iónicos se construye un
cubo metálico aislado térmicamente que servirá como baño María. Tiene
una capacidad de 30 litros de agua. En su interior se encuentran dos
resistencias de calentamiento de 8 ohmios cada una. Mayores detalles
constructivos se dan en la sección 4.1.
Con esto se concluye la descripción de los principios de funcionamiento y
los circuitos que comprenden los distintos sistemas de control de este
equipo.
El Anexo 1 contiene los diagramas de circuitos esquemáticos, impresos y
ubicación de elementos.
63
BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO II
[ 1 ] Omega, The electric heaters. pag. A-12
[2] Henri Lilen, Tirístores v triacs. pag. 120,121, Marcombo Boixareu
Editores, Barcelona - México 19S6
[ 3 ] Motorola, Thvristor device data, pag. 55,56. Printed U.S.A. 1989
[ 4 ] K. P. Mischenko, Prácticas de Química - Física, pag. 220, 221
Editorial Mir, Moscú, 1985.
[ 5 ] Samuel Glasstone, Tratado de Química - Física, pag. 798,799.
Editorial Aguilar S. A. Madrid, 1976
[ 6 ] Apuntes de Rosa Díaz Pérez, Fernando Echeverría, Construcción v
Calibración de Celdas de Conductividad
[ 7 ] Richard Burden, Análisis numérico, pag. 376,378, Editorial
Iberoamérica, México, 1985
[ 8 ] Forrest M. Mims, Enqineer's mini - notebook OP - AMP circuíts. pag.
47, Printed U.S.A. 1985.
[ 9 ] David F. Stout, Handbook of Qperational Amplifier Circuit Pesian.
chapter7, pag. 1,3. Editorial McGrraw- Hill.
CAPITULO III
PRUEBAS EXPERIMENTALES
CONTENIDO :
3.1. Operación del Termostato
3.1.1 Mediciones y pruebas del termostato
3.2. Operación del circuito de control de conductividad
eléctrica
3.2.1 Mediciones y pruebas realizadas al circuito de control
de conductividad
3.3. Operación del circuito de control de movimiento
de soluciones
3.4. Operación total del equipo en el crecimiento de
cristales iónicos
65
3.1. Operación del Termostato
3.1.1 Mediciones y pruebas del termostato
Las mediciones y pruebas realizadas al termostato han sido referentes a
valores de voltaje y corriente para determinar el rendimiento de potencia.
Las mediciones realizadas se presentan a continuación en la tabla 3.1
TABLA 3.1: Rendimiento del termostato
Vin[V]
123,5
lin [A]
8,16
Pin[W]
1007,76
lo [A]
8,06
Vo[V]
121,4
Po[Wl
978,5
TI = Po/Pin
0,97
De los resultados de la tabla 3.1 se observa un rendimiento porcentual del
97% que se entrega a las resistencias de calentamiento. El 3% restante son
pérdidas que se producen por disipación de calor en el circuito de potencia
del termostato y debido a la polarización de los circuitos electrónicos de
control.
La potencia de consumo para mantener el Sistema a una cierta temperatura
de operación es de aproximadamente 20 W. Este consumo representa el
2% de la potencia total que puede entregar el equipo y es una medida del
buen criterio constructivo del sistema.
Otra de las pruebas realizadas al termostato son referentes a valores de
voltaje y temperatura para determinar la característica estática del sensor de
temperatura y el tiempo de calentamiento de un volumen de 30 litros de
agua.
Para la realización de esta prueba se inicia desde la temperatura ambiente
del agua, y se toma el tiempo inicial to- En este caso la temperatura
ambiente es de 15 °C medidos con un termómetro digital.
Para cada valor de voltaje que se fija con el selector de ajuste grueso con
intervalos de aproximadamente 7 °C del termostato ubicado en el panel
frontal (ajuste grueso), le corresponderá una temperatura definida. Con el
66
ajuste fino existe un control continuo de la temperatura variando desde una
temperatura fijada con el selector del termostato en un rango de 1 a 7 °C.
Obteniéndose un control continuo en todo el rango de temperatura del
termostato. Estos controles de ajuste grueso y fino se encuentran
involucrados en el circuito de control del termostato del subcapítulo 2.3.2,
fig. 2.11.
Los valores medidos se presentan a continuación en la tabla 3.2, con los
valores obtenidos en la tabla 3.2 se gráfica la curva de la característica
estática del sensor de temperatura y la curva del tiempo de calentamiento
del agua. Estas curvas se muestran en las figs. 3.1 y 3.2 respectivamente.
TABLA 3.2 : Valores de voltaje, temperatura del sensor y tiempo de calentamiento
del volumen de 30 litros de agua
Voltaje de salida [V]
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Temperatura [°C]
15
21
28
35
42
49
56
62
68
74
80
85
tiempo [min]
0
20
38
56
73
89
105
121
138
154
174
194
Observando los valores experimentales de la tabla 3.2, se puede decir que
el rango de control del termostato va desde 15 °C hasta un máximo de 85
°C. La variación de temperatura, cuando todo el volumen de agua alcance
el equilibrio térmico es de 3 °C. Esto es debido a que el agua forma capas y
su transmisión de calor se realiza por movimiento de las mismas desde la
parte inferior hacia arriba. Además su movimiento es de tipo turbulento.
FIG
. 3.
1 :
CA
RA
CT
ER
ÍST
ICA
ES
TÁ
TIC
A D
EL
SE
NS
OR
DE
TE
MP
ER
AT
UR
A
2128
3542
49
56
62
TEM
PE
RA
TUR
A
EN L
A S
OLU
CIÓ
N
[°C
]68
7480
85
ON
FIG
. 3.
2 :
CU
RV
A D
E C
AL
EN
TA
MIE
NT
O D
E 3
0 L
ITR
OS
DE
AG
UA
89
105
121
TIE
MP
O [
min
]
138
154
174
194
oo
69
De los datos de la tabla 3.2 se observa que el tiempo necesario para
calentar 30 litros de agua son aproximadamente 194 minutos que equivalen
a 3 horas y 14 minutos.
3.2. Operación del circuito de control de conductividad
eléctrica
Toda vez que el propósito del presente trabajo de Tesis es desarrollar un
equipo para crecimiento de monocristales iónicos y no es su objetivo crecer
distintos tipos de cristales; en la parte experimental se ha circunscrito, a
propósito, a crecer un solo tipo de monocristal en base al compuesto de
sulfato de cobre (SO4Cu). Los valores aquí reportados se refieren
exclusivamente al compuesto mencionado. Posteriormente a la conclusión
de este trabajo de Tesis, se ha previsto continuar trabajos experimentales
con otros tipos de cristales a través de la Fundación Investigación y
Desarrollo - FID.
3.2.1 Mediciones y pruebas realizadas al circuito de control
de conductividad
El circuito involucrado en esta experimentación se encuentra explicado en el
subcapítulo 2.4.3, y el circuito completo en el Anexo 1, fig. 8.
La prueba se realiza partiendo de una solución de 100 cm3 de disolvente y
sal iónica a temperatura constante. Inicialmente se tiene una solución no
saturada. Luego se continua disolviendo sal en cantidades pequeñas hasta
llegar al límite en donde la sal ya no se disuelve y comienza a depositarse
en el fondo del recipiente. En este instante se dice que la solución se
encuentra saturada. La saturación representa a una temperatura específica
la condición límite. Cuando se llega al punto de saturación se pesa en
gramos la sal iónica disuelta y con el sensor de conductividad se mide el
voltaje de equivalente. Repitiendo el procedimiento anterior y variando la
temperatura se obtiene varios puntos que forman la curva de solubilidad de
la sal iónica. Las mediciones realizadas para la obtención de la curva de
solubilidad se encuentran en la tabla 3.3.
70
TABLA 3.3 Medición de solubilidad del la sal iónica de SO4 Cu en 100 cm3 de agua
Temperatura [°C]
15
20
30
40
50
60
70
80
Peso [gr.]
29
34
43
52
62
72
82
92
Voltios [V]
4,62
5,05
5,32
5,47
5,53
5,65
6,30
6,75
Con los valores de la tabla 3.3 se gráfica la curva de solubilidad en la fig.
3.3
A fin de obtener valores referenciales de conductividad, relacionados con el
voltaje de salida del circuito sensor de conductividad se realiza mediciones
para varias concentraciones de cloruro de potasio. Los voltajes obtenidos
son referenciales para cada concentración de la sal iónica en mención. Se
aclara que esta prueba se hace debido a que el objetivo no es medir
conductividad, únicamente se requiere sensar éste parámetro para
propósitos de control. El cloruro de potasio (KC1), cloruro de sodio son
disoluciones estándar, cuya conductividad específica es conocida y son
frecuentemente utilizadas en la calibración de medidores de conductividad y
obtención de la constante geométrica de la celda de conductividad, debido a
su característica lineal que presenta cuando se varia la concentración de la
sales mencionadas y a la alta movilidad de sus iones.
Los valores obtenidos en esta prueba servirán para tener una referencia de
la conductividad eléctrica en milisiemens del compuesto de sulfato de cobre.
La unidad de concentración utilizada para la obtención de la tabla 3.4 es la
Normalidad que es igual a los gramos-equivalentes del compuesto por litro
de solución.
FIG
. 3.3 :
C
UR
VA
DE
SO
LUB
ILID
AD
DE
L S
04C
u E
N 1
00 c
m3 D
E A
GU
A
1520
3040
50
TEM
PE
RA
TUR
A [
°C]
60
7080
72
En la tabla 3.4 se presentan los voltajes referenciales medidos con el sensor
de conductividad para distintas concentraciones de KC1.
Tabla 3.4 Valores referenciales de voltaje para distintas concentraciones
deKCI
CONCENTRACIÓN
[equiv-gr/litro]
0,1
0,5
1,0
1,5
2,0
VOLTAJE
M
5,0
5,50
5,80
6,25
6,72
CONDUCTIVIDAD
[ms/cm]
12,7
50,0
93,2
134,0
170,5
Los valores de conductividad de la tabla 3.4 fueron obtenidos con un
medidor de conductividad de las siguientes características :
Marca : HANNA Instruments
Modelo : Hl 8820
Rangos: a) 0.0a 199.9 uS/cm
b) Oa 1999uS/cm
c) 0.00a 19.99mS/cm
d) 0.0 a 99.9 mS/cm
Precisión ± 1% a fondo de escala
Constante celda ± 10% ajustable con potenciómetro
Temperatura de compensación automática de O °C a 40 °C
Display LCD con 34 dígitos con símbolos
Alimentación 100/115 o 230/240, (50/60 Hz)
Condiciones de Operación de O a 50 °C, HR 95% máximo
Peso aproximadamente 1 Kg. (2.2 Ibs)
73
3.3 Operación del circuito de control de movimiento de
soluciones
Las pruebas referentes al control de movimiento de soluciones han sido
realizadas conjuntamente con el termostato y el control de conductividad.
Este control de movimiento de soluciones se lo realiza en base a los
sensores de nivel alto, bajo y la señal de conductividad eléctrica de la
solución. El circuito involucrado en la etapa de movimiento de soluciones,
se encuentra explicado en el subcapítulo 2.5 y el circuito completo en el
anexo, fig. 12. El movimiento de la solución se produce cuando ha variado
la conductividad eléctrica y da una señal para activación de la bomba de
desalojo de solución gastada. El volumen inicial de solución es de 2 litros, y
el volumen desalojado dependerá de la posición del sensor de nivel bajo.
Una vez que detectó el sensor de nivel bajo, simultáneamente se activa una
segunda bomba que permite el ingreso de nueva solución sobresaturada a
la celda de crecimiento. Este proceso se da hasta cuando el sensor de nivel
alto detecta y apaga la bomba.
Todo el procedimiento descrito se lo obtiene experimentalmente y de una
manera muy satisfactoria para nuestro objetivo.
3.4 Operación total del equipo en el crecimiento de cristales
iónicos
Finalmente para crecer el cristal iónico se conectan todos los sensores al
equipo, se introduce la solución sobresaturada de sulfato de cobre a
temperatura elevada, y se suspende la semilla del cristal a crecer. La
temperatura de crecimiento del cristal se la fija con el selector de control del
termostato. Se ajusta el voltaje de referencia para el control de
conductividad de la solución a un cierto valor que permitirá que crezca el
cristal.
En estas condiciones se deja el sistema y actuará de una manera
automática. El crecimiento del cristal necesita de tiempo en el rango de
74
horas, toda vez que el sistema mantiene condiciones controladas de
temperatura y conductividad.
Experimentalmente se llegó a comprobar que la temperatura ideal de
crecimiento del cristal iónico de sulfato de cobre se encuentra entre ios 28
°C a 35 °C
Se llega al crecimiento del cristal iónico de suffato de cobre de dimensiones
apreciables, de manera muy satisfactoria. Las características que presenta
el cristal obtenido experimentalmente es de color azul y tiene una forma
geométrica triclínica.
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONTENIDO:
4.1 Análisis técnico del equipo construido
4.2 Análisis económico del equipo construido
4.3 Análisis de los resultados experimentales
76
4.1 Análisis técnico del equipo construido
El equipo está construido con criterios técnicos como son el tamaño de las
tarjetas electrónicas que tienen dimensiones definidas de 16 cm de largo
por 10 cm de ancho, dimensiones estandarizadas en equipos electrónicos
europeos. La disposición de los potenciómetros, selectores, interruptores,
elementos de control, entradas de sensores y salidas de alimentación, se
encuentran ubicados en el panel frontal de una manera ordenada y
específica para facilitar el manejo del equipo.
El panel frontal del equipo se indica en la fig. 4.1
Fig. 4.1 Vista del panel frontal del equipo construido
El módulo tiene conexión a tierra para evitar interferencias
electromagnéticas, ruidos de alta frecuencia debido a que se manejan
señales pequeñas.
77
Los cables de los sensores son blindados para evitar la introducción de
ruido al sistema.
La disposición y ubicación interna de los diferentes elementos que
conforman el sistema tales como: El montaje de las tarjetas electrónicas,
ubicación de los disipadores de calor, contactor eléctrico, transformadores y
cableado se puede observar en la fig. 4.2
Fig. 4.2 Vista interna del equipo construido
Se construye un sistema para calentamiento de agua, comúnmente llamado
baño María, con una capacidad de 30 litros, y se aplica criterios técnicos
como son el aislamiento térmico utilizando fibra de vidrio para eliminar las
pérdidas por convección al medio ambiente.
El cuerpo del baño María esta construido de hojalata inoxidable de 1m.m. de
espesor, hermético para evitar fugas de agua y resistente a la corrosión.
Externamente tiene una tapa con un agujero en el centro, donde se ubica la
celda de crecimiento. Las paredes tienen un espacio intermedio de 6 cm,
78
en donde se rellena de fibra de vidrio, el que permite tener un aislamiento
térmico con el medio ambiente.
Las resistencias de calentamiento se encuentran ubicadas en la parte
inferior del baño María, en esta ubicación se obtiene una mejor conducción
del calor hacia todo el volumen de agua a calentar.
En la fig. 4.3 se indica el baño María construido.
Fig. 4.3 Baño María construido
La celda de crecimiento es el recipiente donde se encuentra la solución
sobresaturada del compuesto de sulfato de cobre, sensor de temperatura,
sensor de conductividad, sensores de nivel alto, bajo y los ductos de
desalojo y llenado de nueva solución.
En la fig. 4.4 se observan los elementos antes mencionados y su
distribución interior según se imaginó ubicarlos.
79
Fig. 4.4 Celda de crecimiento
Los sensores utilizados en el crecimiento de monocristales iónicos son
construidos en base a criterios de aislamiento, tamaño, clase de material.
Teniendo presente lo anterior, el sensor de temperatura es aislado
físicamente del contacto con el agua por medio de espagueti térmico, los
diodos se encuentran conectados en serie, y su longitud depende del
volumen de solución a controlar.
El sensor de conductividad es construido con electrodos de material
resistente a la solución a controlar, y estos se encuentran montados en un
cuerpo aislante de polietiieno con silicona. Los sensores de nivel alto y bajo
son construidos con electrodos del mismo material del sensor de
conductividad.
Los sensores construidos se observan en la fig. 4.5
Finalmente en la fig. 4.6 se indican todos los elementos que conforman el
sistema de crecimiento de cristales iónicos.
80
Fig. 4.5 Sensores construidos para el control del Sistema
Fig. 4.6 Vista total del Sistema de crecimiento de cristales iónicos
81
4.2 Análisis económico del equipo construido
A continuación se presenta una lista detallada de todo el material utilizado y
sus precios en el mercado nacional.
En el mercado nacional no se dispone de este tipo de equipos, es por esta
razón que no se puede hacer una comparación del costo del equipo
construido. Al final se hace el equivalente a dólares para la fecha de Enero
de 1996.
En la tabla 4.1 se detalla el material utilizado:
Tabla 4.1 Lista de materiales
Descripción
Acrílico
Baño María
Baquelita y circuitos impresos
Bomba de agua 12V, 1A
Bornera
Cable blindado, 2 conductores
Cable 3x1 4 AWG (sucre)
Cable#14AWG
Cable #18
Celda de crecimiento
Condensadores polyester 0.1 uF, 25V
Condensadores cerámica 0.1 uF, 25V
Condensador cerámica 0.01 uF, 25V
Condensadores polyester 0.68uF,25V
Condensadores polyester 2uF, 200V
Condensador cerámica .0047uF,1KV
Condensador electrolito 2200uF, 25V
Condensador electrolito 100uF, 25V
Condensador no polarizado 2uF 200V
Condensador no polarizado 1 uF 200V
Conectores de tarjeta electrónica
Conectar BNC macho
Conector BNC hembra
Contactor FANAL, bobina 11 OVAC
Diodos
Cantidad
1
1
6
2
1
8
2
4
8
1
14
8
4
2
1
2
3
3
1
1
26
4
4
1
14
P/Unit.
20.000
260.000
35.000
20.000
6.000
3.450
3.920
1.500
1.280
8.000
800
250
250
1.000
2.000
250
2500
1.000
3.000
2.000
2500
4.570
2.000
59.790
300
P/Total
20.000,0
260.000,0
210.000,0
40.000,0
6.000,0
27.600,0
7.840,0
6.000,0
10.240,0
8.000,0
11.200,0
2.000,0
1.000,0
2,000,0
2.000,0
500,0
7.500,0
3.000,0
3.000,0
2.000,0
65.000,0
18.280,0
8.000,0
59.790,0
4.200,0
82
Diodozener5.1V
Disipadores grandes
Disipadores pequeños
Enchufe 3 terminales 15A
Fusibles
Gabinete metálico Larsen 40x30x20
Inductancia
Jacks
Leds
Manguera plástica
Operacionai TL084
Operacional TLOS2
Plugs
Portaled
Potenciómetros 100K, 50k, 20k, 5k
Potenciómetro lineal 10k
Puente rectificador
Pulsador doble con luz
Regulador de voltaje LM7812
Regulador de voltaje LM7912
Regulador de voltaje ECG935
Rele12VSPST
Rele12VDPDT
Resistencias Viw, tolerancia 10%
Resistencias de precisión
Resistencia 1.4K, 15W
Resistencia 1.2K, 15W
Resistencia 5Q, 20W
Resistencia 1.8Q, 15W
Resistencia 150, 2W
Resistencia de calentamiento 8Q
SCR4A
Selector 12 posiciones
Sensor de temperatura
Sensor de conductividad
Sensor de nivel
Sócalos DIP14
Sócalos DIP8
Sulfato de cobre
Transformador 12.6V, tap central
2
2
2
1
3
1
2
8
8
4
5
2
8
5
9
2
2
1
1
1
1
3
3
69
12
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
5
2
2Kg
1
500
10.000
1.500
5.000
500
109.300
3.000
1.000
800
800
4.500
4.000
2.000
1.500
2.500
10.000
4.000
34.430
2.000
2.000
15.000
6.000
8.000
50
150
3.000
3.000
3,000
2.000
500
18.000
4.500
15.000
7.000
10.000
1.000
3.000
2.500
6.600
40.000
1.000,0
20.000,0
3.000,0
5.000,0
1.500,0
109.300,0
6.000,0
8.000,0
6.400,0
3.200,0
22.500,0
8.000,0
16.000,0
7.500,0
22.500,0
20.000,0
8.000,0
34.430,0
2.000,0
2.000,0
15.000,0
18.000,0
24.000,0
3.450,0
1.800,0
3.000,0
3.000,0
3.000,0
2.000,0
500,0
36.000,0
4.500,0
15.000,0
7.000,0
10.000,0
2.000,0
15.000,0
5.000,0
13.200,0
40.000,0
83
Transformador 1 2.6V
Transistores
Transistores JFET
TRIAC 25A
Varistor
1
10
3
1
1
40.000
2.000
2.000
20.000
9.000
TOTAL
40.000,0
20.000,0
6.000,0
20.000,0
9.000,0
$1.407.930,0
En la tabla anterior se puede observar el costo total del sistema en cuanto
tiene que ver con los elementos y demás accesorios que se encuentran
instalados en el equipo.
La materialización práctica del presente trabajo se ha llevado a cabo a partir
de una serie de pruebas. Al realizar dichas pruebas se tuvieron problemas
debido a los cuales se destruyeron algunos elementos cuyo valor
representa también parte del costo de desarrollo del equipo.
Además para realizar las pruebas iniciales se adquirieron elementos que
luego no fueron utilizados o fueron reemplazados. Esto representa un costo
adicional en el equipo, este costo se estima aproximadamente en el 10% del
costo total, valor económico perdido entre elementos no utilizados y
elementos destruidos.
El tiempo requerido para realizar el diseño y montaje del sistema también
debe ser tomado en cuenta, puesto que representa un trabajo intelectual ai
servicio de la construcción del equipo para crecimiento de cristales iónicos,
que a pesar de no tener que ver directamente con costos, indirectamente
eleva el costo del sistema.
Por lo expuesto, el costo del equipo no puede ser determinado tan solo por
los elementos que lo componen sino que además se debe tomar en cuenta
todo lo que representan pérdidas, además debe incluirse de alguna manera
el tiempo empleado en el diseño y en la construcción del equipo para que
este opere de manera satisfactoria. Se atribuye un costo del 50% del costo
total al tiempo de diseño y construcción. Por lo tanto el costo real
aproximado es el siguiente $ 2.252.688, a la cotización actual del dólar sería
$ 762,33 dólares aproximadamente.
84
4.3 Análisis de los resultados experimentales
Sobre las pruebas realizadas al termostato se puede observar que la curva
característica del sensor de temperatura es muy lineal. Anteriormente se
menciona la construcción del sensor de temperatura, que esta compuesto
por 10 diodos de señal 1N4148. Esta característica lineal de voltaje de
juntura frente a la variación de temperatura representa una gran ventaja ya
que el costo de los diodos es mínimo frente al costo de sensores de
temperatura como pueden ser termistores o termocuplas.
La razón por la que se utiliza este tipo de sensor en el presente trabajo es
su costo, rango de temperatura a controlar y la construcción de un nuevo
sensores muy fácil.
De los resultados obtenidos de la curva de calentamiento de 30 litros de
agua se puede decir que el tiempo es largo. Una de las razones es por la
potencia entregada a las resistencias de calentamiento que es de 1000
vatios, y su conexión es de tipo serie. Pero para el objetivo de este trabajo
se necesita que la temperatura aumente o disminuya lentamente.
No así la estabilidad def Sistema a una temperatura de operación, donde
existe un bajo consumo de potencia una vez que el sistema se encuentra en
dicho punto. (Esta en el orden del 2% de la potencia nominal).
De los resultados experimentales que se observan con el sensor de
conductividad referente a la obtención de la curva de solubilidad del sulfato
de cobre son muy satisfactorios. (Fig. 3.3).
Esta curva es muy importante en el crecimiento de cristales iónicos, porque
de ella depende la cantidad de sal disuelta en la solución a cierta
temperatura, para estar seguros que la solución se encuentra saturada.
Otra de las pruebas realizadas con el sensor de conductividad fue la
obtención de una tabla de referencia para distintos valores de concentración
de cloruro de potasio. Esta tabla sirve para tener un valor referencia! en
milisiemens del voltaje equivalente en de. que entrega el sensor de
conductividad construido a una determinada concentración. Cabe aclarar
85
nuevamente que sale del ámbito de este tema de Tesis el realizar una
medición de conductividad.
Finalmente, referente al control de movimiento de solución y operación del
equipo total en el crecimiento de cristales iónicos se puede afirmar que los
resultados fueron los esperados para este objetivo.
En la fig. 4.7 se muestran algunos cristales iónicos de sulfato de cobre
crecidos experimentalmente.
Fig. 4.7 Cristales iónicos de sulfato de cobre
CAPITULO V
CONCLUSIONES
CONTENIDO:
5.1 Conclusiones
5.2 Recomendaciones
87
5.1 CONCLUSIONES.
- El diseño y construcción del equipo para crecimiento de cristales iónicos
que se presenta en esta Tesis, es el resultado de muchas horas de diseño,
investigación y pruebas realizadas que han concluido en esta Tesis de
ingeniería. Este tema ha sido desarrollado tanto en su diseño teórico
como en su elaboración práctica con el fin de consolidar las bases teóricas
de las materias de Cristalografía, Física del Estado Sólido, temas que son
de interés a especializaciones de Geología, Física y Química.
- De todo lo diseñado en el presente trabajo se puede afirmar, en base a
los resultados obtenidos. Que cada uno de los subsistemas, se van
uniendo entre si, hasta formar un sistema de control completo que logra el
principal objetivo propuesto.
- De las mediciones y pruebas realizadas se puede afirmar que los
resultados son satisfactorios para un equipo de estas características.
Tomando en cuenta que se llegó a crecer cristales de sulfato de cobre de
dimensiones apreciables.
- De las especificaciones planteadas para este sistema se puede observar
que se llega a cumplir satisfactoriamente con lo propuesto al inicio del
presente trabajo, prueba de ello son los resultados obtenidos con el
equipo.
- La investigación, diseño y construcción de este equipo servirá como base
para futuros trabajos que tengan que ver con temperatura y conductividad
eléctrica.
- Igualmente el Sistema construido se utilizará para el crecimiento de
algunos tipos de cristales iónicos con propósitos específicos. La
iniciativa en este trabajo posterior la toma la Fundación Investigación y
Desarrollo - FID.
- Con este trabajo se demuestra que se logró la construcción de un equipo
para crecimiento de cristales iónicos en condiciones controladas.
Obteniéndose un equipo robusto, de fácil manejo y su diseño esta en
base a elementos electrónicos de uso común en el mercado local.
88
5.2 RECOMENDACIONES.
En base al trabajo de Tesis desarrollado se recomienda realizar
posteriores trabajos experimentales en crecimiento de cristales iónicos
con propósitos educativos y de aplicación en desarrollo de
instrumentación o industrial.
- Dentro del campo educativo el crecer cristales con este Sistema puede
resultar muy instructivo para introducir el tema de Física del estado
Sólido y Cristalografía.
- Desarrollar mayor experimentación en el tema con la concurrencia de
personal formado en otras disciplinas como son Química, Físico -
Químico y Física.
- La experimentación en el proceso de crecimiento de cristales nos hace ver
la necesidad de disponer de instrumentos adecuados para medir
conductividad y temperatura entre otros parámetros, y se recomienda el
desarrollo de estos instrumentos como temas de futuros trabajos de
Tesis.
- El trabajo aquí desarrollado puede servir como referencia preliminar a
futuros trabajos, principalmente en medición de conductividad,
temperatura y crecimiento de cristales iónicos.
- A plazo mediato y con mayores dificultades se recomienda desarrollar una
serie de Tesis encaminada a diseñar y construir equipo para crecimiento
de cristales de enlace covalente.
Se recomienda se perfeccione el sistema aquí desarrollado para
crecimiento de cristales iónicos con aplicaciones específicas.
- Se recomienda que la Escuela financie la construcción de un equipo
similar para propósitos de experimentación y estudio.
- Se recomienda que grupo interdisciplinario en Física y Química se
preocupe en experimentar con el crecimiento de distintos tipos de
cristales iónicos y buscar aplicaciones.
89
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
Charles Kittel, Introducción a la Física del Estado Sólido. Editorial
Reverte, Barcelona, 1975.
Fernando Mario Beroqui, Cristalización. Editorial Universitaria de
Buenos Aires, 1972.
J. M. Amigó, Brianso, Coy, Huguet, Cristalografía. Editorial Rueda,
Madrid, 1981.
Mott, N. F. y R. W. Gurney, Electronic Processes ín lonic Crvstals.
Oxford University Press, Inc, Nueva York, 1950.
Handbook of Chemistrv and Phvsics 68TH edition 1987 - 1988, CRC
Press, In Boca Ratón, Florida, pag. B67, B145
Luis A Romo S., Ph. D., Química - Física. Cap. XV Soluciones iónicas,
Cap. XVI Conductividad Electrolítica, Editorial Universitaria, Quito,
1972.
Linus Pauling, Uniones Químicas. Cap. 13, Editorial Kapelusz, Buenos
Aires, 1965.
ANEXO 1
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