LANDIM, Jorge de Lima [1], LIMA, Jaylton Matos [2], LESSA, Avanir Carlos [3], QUINTINO, Luís Fernando [4]
Landim, Jorge de Lima. Et al. Sensor J&J para sistema de monitoreo de conductividad de ósmosis. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. año 03, Ed. 09, Vol. 06, PP. 57-74 septiembre 2018. ISSN: 0959-2448
RESUMEN
Este artículo pretende presentar prototipo y asistir en el desarrollo de futuros desarrollos de sistemas similares, sirviendo como base para su mejora. El artículo describió el sensor de ósmosis cuya función analizó aspectos de las cantidades y propiedades del agua, demostrando resultados significativos para un mejor aprovechamiento del agua, debido a varias aplicaciones, por ejemplo, la ósmosis, que es responsable de Analizar la conductividad y la temperatura del agua, causando su purificación para poder ser utilizado en el siguiente paso del sistema. En el transcurso de este artículo se desarrolló el sensor J&J de ósmosis, y este detallado, especificado puede ser informatizado, de manera que una persona de poca información técnica pueda entender este sistema y con una formación adecuada, ejecutarlo. Así, se elaboró hardware que facilitará su uso, siendo este innovador y que resultó ser eficaz, de bajo coste y fácil accesibilidad. El prototipo fue asaltado y probado en el laboratorio y obtuvo satisfactoriamente la identificación del agua bajo condiciones de desmineralización especificadas.
Palabras clave: ósmosis, conductividad, sensor.
INTRODUCCIÓN
UN sistema de control es un conjunto de componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos que trabajan para tomar decisiones "inteligentes" sobre un proceso. Según (OLIVEIRA, 2012), la mayoría de los controladores utilizan los complejos circuitos electrónicos (como los procesadores) para realizar la medición del proceso y tomar las acciones apropiadas.
El agua está presente en casi todo, como en el aire en el que respiramos, en el suelo, en las plantas y en nuestros cuerpos. Basándose en esto, si una persona toma una cierta cantidad de agua contaminada, ella estará enferma o incluso morirá debido al agua no purificada o apropiada para el consumo humano. Esto también ocurre con las máquinas que hacen uso del agua, ya sea para la producción, refrigeración o limpieza que disminuirá su capacidad de producción, la vida útil e incluso se vuelven inútiles en una función determinada (Rheinnheimer, 1998).
Para ello, las máquinas que dependen del agua para la producción o refrigeración tienen la necesidad de pasar por un sistema de filtrado, cuyo nombre del sistema es la ósmosis inversa, que no es más que un sistema con un conjunto de filtros previamente desarrollados, con el El propósito de remover impurezas y minerales que dañen el equipo.
Para muchos, sólo será un sistema de filtrado, pero dentro del contexto de áreas como la química, la farmacia, la salud y la ingeniería, es un sistema más complejo que un simple filtro casero, siendo un sistema de control que permite evidencias a través de muestras Realizado en laboratorios especializados y/o, en un equipo instalado en la propia ósmosis inversa, que evidencia si el resultado final (producto) está de acuerdo con lo previsto y lo especificado.
Este equipo de control y análisis se desarrolla a través de un modelado matemático que presenta un resultado (engendró, 2011).
Los parámetros más conocidos son pH (potencial hidrogenado), temperatura, PPM (partículas por millón) y conductividad. A través del pH del agua es posible identificar la viscosidad del agua. En el caso del equipo hay preocupación sobre PPM, temperatura y conductividad y para una mejor comprensión el contexto de la importancia de la conductividad del agua (Fernande, 2013) fue abordado.
El muestreo de agua en PPM es un análisis a través de una sonda formada por dos electrodos separados a un centímetro ² de distancia unos de otros, con el objetivo de analizar la cantidad de partículas existentes en la distancia de un cm ².
Este muestreo se realiza a través de una tensión de entrada fija, teniendo debidamente en cuenta el tipo de tensión aplicada, siendo necesario el cuidado con respecto al material analizado y la calidad del agua, que contiene iones que cuando se aplica un voltaje provoca que los iones Expandiendo, creando así resultados.
La temperatura es también un factor que puede interferir con los resultados. Idealmente, esta agua cuando se analiza es la más cercana a una temperatura de 25 º C.
Para el modelado, la conductividad del agua se interpretó como la inversa de la resistencia eléctrica, es decir, la resistencia eléctrica como su nombre sugiere oponerse al paso de la corriente eléctrica y cuando más alta esta resistencia será esta corriente eléctrica Que pasa a través de él. La conductividad es la parte contraria a esta resistencia, es decir, es la capacidad que un medio tiene de propagar (impulsión) la corriente eléctrica en el agua mineralizada, tratando así como un agua rica en sales minerales.
Esta conductividad tiende a ser alta, obligando así la instalación de un sistema que controlará esta condición. Así, para disminuir la conductividad del agua en este medio era posible mediante el modelado matemático, definiendo con precisión y objetividad el resultado. Una vez especificado el valor del resultado, fue posible desarrollar el sistema, que tiene como objetivo medir el resultado de este producto (agua desmineralizada).
Ocupándose del ambiente de la química y de la ingeniería, la conductividad eléctrica en la gran mayoría tiene su representación por los sólidos en agua mineral-rica. Dos sólidos tienen un punto culminante:
- Los compuestos que tienen cargas negativas, teniendo en su capa de electrones libres de Valencia que son los compuestos iónicos, fosfatos, cloruros, sulfatos.
- Los otros son aquellos con cargas positivas, con pérdida de electrones en la capa de Valencia, que son compuestos catiónicos, cuyos ejemplos son el sodio, hierro, calcio, aluminio y amoníaco (VILLAS, 2013).
Cuando se trata de la conductividad eléctrica de una muestra determinada, esto, a su vez, se está cuantificando una gran cantidad de compuestos reunidos en este programa, algunos de los cuales son negativos y otros positivos. Estos compuestos en solución permiten el paso de la electricidad, en agua destilada o desionizada. Esta agua que contiene sólo H2O, su conductividad es cercana a cero uS/cm ², es decir, es de alguna manera un agua aislante de valor nulo de conductividad eléctrica.
La ecuación para expresar la conductividad eléctrica es:
Su unidad es Siemes (S), (engendró, 2011).
OBJETIVO
Nuestro artículo describe la operación de un sensor de conductividad controlado por un microcontrolador PIC-18f4520 con un rango de trabajo de 0 a 00, 55us/CM ¹. Este sistema evidencia a través de una pantalla LCD 16X2 el valor obtenido en el sensor de conductividad, que se transmite a un amplificador operativo modelo lm741 que tiene una ganancia ajustada a través de un potenciómetro de 100kΩ. Este valor se envía al microcontrolador PIC-18f4520, donde se muestra en la pantalla LCD 16X2.
El microcontrolador también es responsable de la lectura del sensor de temperatura interno y externo, modelo LM35. Para resaltar el valor obtenido en la pantalla LCD se ha desarrollado un sistema HMI con tres menús:
- La primera, la temperatura interna en grados Celsius (INT).
- El segundo, la temperatura externa en grados Celsius (EXT).
- La tercera, la conductividad en ΜS/CM ¹ (COND).
El microcontrolador está programado para funcionar de 0 a 00, 55us/CM ¹, lo que permite el funcionamiento de una salida con conmutación de corriente alterna (AC) y permite que una ósmosis inversa funcione, produciendo agua desmineralizada con un factor de Pureza de 0 a 00, 55us/CM ¹. Si este valor es superado por el valor máximo programado, el sistema desconecta la salida y por lo tanto no permite la contaminación del agua ya producida y almacenada en reservorios apropiados, y cumpliendo así el objetivo propuesto que fue monitorear y controlar un Sistema de ósmosis inversa evitando fallas de contaminación, si los filtros fallan (Miyadaira, 2014).
Operación
La ósmosis inversa son pasos de separación que utilizan una presión para forzar una solución a través de una membrana que retiene el soluto en un lado y permite que el disolvente pase al otro lado. En la figura 01 es posible visualizar un sistema de agua modelo de ósmosis inversa. El sistema de ósmosis está forzando más formalmente la solución de una región de alta concentración de soluto a través de una membrana a una región de baja concentración de soluto, mediante la aplicación de una presión externa que excede la presión osmótica (MAJOP, 2011).
Figura 1: modelo de ósmosis inversa.
Para que cada sistema de ósmosis inversa funcione correctamente, se debe colocar un proceso de monitoreo, donde se indica que el agua tratada es con valores de solutos correctos y conductividad aplicable. El objetivo es que la conformidad de los procesos industriales, farmacéuticos y hospitalarios que utilizan este sistema garantice que este recurso está tratando esa agua sin anomalía.
El sensor de conductividad mide la capacidad de accionar una corriente eléctrica entre dos electrodos con una distancia de un centímetro ² entre ellos. La corriente eléctrica fluye a través del transporte del ion resultando en valor de conductividad (US/cm ²), también conocido como (MHO) y se mide en micro Siemens, debido a que Siemens es una unidad muy grande (engendró, 2011).
Para el sensor de conductividad que mide la conductancia, es importante encontrar la conductividad del agua en la muestra. Para determinar la conductividad, se utiliza la siguiente ecuación:
Donde, G representa la conductancia. Se aplica un DDP (diferencia de potencial) a ambos electrodos. La corriente resultante es proporcional a la conductividad del agua en la muestra. Esta corriente se convierte en un voltaje que será leído en el microcontrolador del PIC 18f4520 y demostrado a través de la exhibición del LCD de 16X2.
La aplicación del sensor de conductividad es encontrar la concentración de sólidos y el calcio total disuelto.
Para calibrar el sensor se está utilizando un sensor de TDS y EC (Hold) portátil modelo B-MAX y adquisición de datos, Agilent 34972a para la temperatura. (Splabor; 2012).
Tablero de control
En la figura 2 es posible identificar el analizador portátil que se usó con referencia para ajustar el sensor de conductividad y el analizador para la temperatura.
Las características del sensor utilizaron TDS & EC modelo B-MAX.
Conductividad 0 a 9999us/cm.
Tds 0 a 9999PPM.
Celsius 0,1 a 80,0 º C.
Fahrenheit 32,0 a 176,0 º F.
Las características del estándar de temperatura utilizaron Agilent modelo 34972 ª con termopar tipo T.
Temperatura -200 a 200 º C
Figura 2: analizadores TDF y EC.
Para la simulación del proyecto se utilizó una pantalla LCD modelo 16X2 interconectado a un microcontrolador PIC, modelo 18f4520 con 4MHz de cristal externo, todo instalado en el Protobord con el máximo voltaje aplicado de 5V como se puede ver en la figura
Figura 3: simulación de prototipos Protobord.
En la figura 4 es posible una demostración de lectura del sensor de temperatura en grados centígrados y la lectura del sensor de conductividad visto a través del lector LCD 16X2.
Figura 4. Pantalla de LCD 16X2.
En la figura 5 es posible visualizar la disposición del tablero de control con microcontrolador, PIC-18f4520, para la operación se adoptó un transformador de 6V/1A, un regulador de tensión 7805 para proporcionar la tensión de trabajo del PIC-18f4520 (Capuano, 2013).
Figura 5: Descripción de los componentes del tablero de control dúplex.
Materiales y metodología
La conductividad se define como la capacidad de un material en la conducción (ɪ) de corriente eléctrica, representado por la letra griega σ o K, se puede definir como la relación entre la densidad de la corriente (j) y el campo eléctrico (e) que tenemos, la intensidad de la corriente en ciertos Las soluciones dependen de la resistencia eléctrica que se asocia con esta misma solución. (RAMALHO, 2009).
Figura 6: sistema de análisis de conductividad con electrodos.
Para evitar un cambio en los valores medidos, una tensión fue adoptada y para la resistencia entre los electrodos la ley del ohmio (Ω) se aplica.
R representa la resistencia eléctrica, ohmio (Ω), V representa el voltaje eléctrico (voltio), I representa la corriente eléctrica, sostiene (a). En la figura 6 es posible identificar el comportamiento de los iones en una solución (RAMALHO, 2009).
Otra dependencia de la conductividad en lo referente a la medida se relaciona con el área de la superficie del electrodo y también la distancia de uno a. Para ello se utiliza una constante geométrica (), que representa una constante celular donde se puede definir la conductividad mediante la ecuación:
La constante de celda es la inversa del medidor. Así, la ecuación que define la conductividad:
Como resistividad ρrepresents, la resistencia se puede definir a través de la ecuación:
Donde representa la distancia entre los electrodos, "a" representa el área entre los electrodos, siendo,. (RAMALHO, 2009). Es muy importante notar que la constante de la célula (), puesto que se utiliza en la ecuación para indicar la resistencia y el valor de la conductividad.
En el prototipo se utiliza un modelo de electrodo concéntrico presentado en la figura 6, que permite una constante, con valores de 0,01 a 0,1.
Para el desarrollo de este prototipo, la investigación se llevó a cabo a través de libros y artículos académicos relacionados con el tema de la conductividad (RAMALHO, 2009).
El Micro-Controller-pic18F4520 con el reloj externo del 4MHz fue utilizado, puesto que fue entendido que lo más conveniente posible al experimento en la pregunta también fue utilizado el amplificador operacional LM741c en esto. Puesto que la tensión aplicada al electrodo debe ser convertida a un valor efectivo que se puede ajustar a través del potenciómetro de 10KΩ para el ajuste de la señal, era necesario convertir la tensión aplicada al valor efectivo. Para la lectura de la temperatura, se utilizó el LM35 donde se interconectó con pic18F4520 y se ajustó mediante programación como factor de corrección de 1023bits, correspondiente a la tensión máxima de trabajo del circuito 5 V. la lista de componentes se encuentran en la tabla 1.
Tabla 1-lista de componentes
| Cantidad | Descripción |
| 1 | PIC – 18f4520 |
| 1 | Cristal 4 MHZ |
| 1 | 16X2 pantalla LCD |
| 1 | 741 LM |
| 2 | LM35 |
| 2 | 7805 |
| 2 | MF-25V capacitors 1000 |
| 3 | MF-25V capacitors 100 |
| 2 | Condensadores 33PF |
| 1 | Condensador 1PF |
| 5 | Diodos 1N4007 |
| 3 | ReSistor 10 kΩ |
| 1 | ReSistor 100 Ω |
| 2 | Potenciómetro 10 kΩ |
| 1 | Ajuste 100 kΩ |
| 1 | Transformador 6V/1A |
| 2 | No hay botones de bloqueo |
| 1 | Relé 5V/10A/120 VCA |
| 1 | BC547 |
| 1 | 555 |
Fuente: autores, 2018.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Durante el desarrollo del prototipo se encontró gran dificultad en la búsqueda de material adecuado, lo que permitió un modelado matemático que hacía referencia a la conductividad del agua en términos de control por un sensor. Después de encontrar el material apropiado, se encontró otra dificultad que se refería a los valores obtenidos que no eran coherentes con el valor leído por el patrón. Como solución se adoptó el modelo de amplificador LM358 y se inició un controlador por ventana que no se obtuvo el éxito ya que, el valor de conductividad fue muy bajo y no permitiendo un ajuste preciso en el valor máximo obtenido. Después de algunas investigaciones se ha tenido en cuenta que el microcontrolador pic 18f4520 sí mismo permite este ajuste de control máximo, una vez programado la variable de conversión. Así, fue posible un ajuste de ganancia que permitió un ajuste de valor en comparación con la norma adoptada. Utilizando un modelo de amplificador operacional, LM741, que se puede ver su diagrama esquemático en la figura 7 y para evidenciar los valores de lectura, se adoptó la pantalla LCD modelo 16X2, que en la primera línea se hace referencia al parámetro en análisis y en la segunda línea Más bajo se identifica el valor leído, este sistema de HMI tiene tres menús que se pueden variar a través de los botones de 2 1-STEP y de otra vueltas.
Figura 7: placa del sensor de conductividad.
Después de la programación, se realizaron pruebas de lectura en algunos puntos de recolección. Ambos fueron satisfactorios para el objetivo propuesto que era controlar y monitorear un sistema de ósmosis inversa a través de un sensor de conductividad de agua.
En la figura 8 es posible comprobar el esquema esquemático del prototipo con los componentes apropiados.
Figura 8: diagrama esquemático.
Para mostrar los resultados, se realizó una prueba para demostrar el funcionamiento del sensor de conductividad. Los valores mostrados en la pantalla LCD se anotaron en la tabla 2 y se desarrolló un gráfico con la información de la figura 9.
Tabla 2 – datos de prueba de conductividad del sensor.
| Valor de ΜS | Tiempo min. |
| 40 | 1 |
| 51 | 2 |
| 49 | 3 |
| 53 | 4 |
| 47 | 5 |
| 50 | 6 |
| 51 | 7 |
| 52 | 8 |
| 50 | 9 |
Fuente: autores, 2018.
Durante la prueba de la conductividad el sensor demostró poca variación dentro del valor de control máximo 55, μs. Los valores se registraron a intervalos de 1 minuto en el período de 9 minutos.
Figura 9: gráfico de prueba con sensor de conductividad.
En la figura 10, fue posible visualizar los valores de temperatura de los sensores LM35 internos y externos y del sensor estándar utilizado (termopar tipo T).
Figura 10: gráfico de prueba con sensores de temperatura.
Después de un cierto tiempo de uso es necesario realizar el intercambio de filtros de ósmosis inversa. Este tiempo se establece a través de estudios de resultados obtenidos en este intercambio siendo el primero el visual en cuanto a las condiciones de este filtro y otro medio es a través del análisis de los valores de conductividad del agua. En la figura 11, cuenta con un filtro de carbón activado y un filtro de 5 Μ. En el momento del cambio después de un mes de uso y una comparación con un filtro 5 µs en uso. Esto justifica la importancia del sensor de conductividad para el control del agua desmineralizada, ya que esta contaminación se llegó al depósito de agua desmineralizada que habría contaminado la línea, impregnada la tubería dañando la máquina y Producto final.
Figura 11: A – filtro de carbón, B – Filtro 5 Μ, C – comparación del filtro antes y después del intercambio. Fuente: autores, 2018.
Para el control de ósmosis se instaló un cable con una salida de 10A que tiene la tensión de alimentación interrumpida cuando el sistema detecta una conductividad superior a la programada que es 00,55 µs. Como se muestra en la figura 8, para alimentar este enchufe, el sistema espera 10 segundos para iniciar su operación con el fin de evitar que se produzca una oscilación de apagado, es decir, el sistema espera 10 segundos cada vez que se interrumpe la alimentación. Base del transistor BC 547. Opino RB7 del microcontrolador PIC-18F4520 es responsable de esta incrustación. El sistema también tiene una protección de fusibles en la entrada. En la figura 12 es posible visualizar el prototipo terminado con la conductividad y el sensor de temperatura interno.
Figura 12: A – parte interna del prototipo, B – parte externa del prototipo.
CONCLUSIÓN
El sistema de monitorización de ósmosis demuestra de forma metodológica la creación de un sistema fiable de acuerdo al estudio y aplicación del contenido. El prototipo se aplicó a las lecturas de las cantidades citadas en el artículo. De una manera que presenta daño de contexto, el prototipo asegura los objetivos propuestos. Sin embargo, las mejoras pueden dejar el dispositivo con más información sobre el agua que se desmineralizará, la cantidad de productos que se utilizarán, la predicción del intercambio de filtros, la comunicación entre el HMI y los sistemas de supervisión.
Este producto por el cual está siendo demostrado claramente evidencia cómo cualquier sistema puede ser mejorado, el sensor de J&J tiene capacidad técnica y especifica para complacer al comprador y al usuario. Su valor de mercado está totalmente dentro de los estándares de ventas como una tabla componente de la adquisición fácil, demostrado su uso simple según lo visto en su operación.
Para el proceso por el cual el prototipo fue apropiado es una nueva estrategia modelo donde todo será visible al usuario desde lo que está sucediendo en el sistema de acuerdo a las normas y hasta su cierre por posibles errores de procedimientos con indicadores. Para su modelado se puede instalar en lugares de fácil acceso y su lectura visible le agradará a cualquiera que utilice el sensor J&J. debido a lo que se ha comentado, es la pregunta que nuestro prototipo puede ser utilizado para varias estructuras, donde la misma era Probado en flujos altos sin variaciones, pero para el principio de actividad el mismo dio lugar a valores excelentes con flujos bajos.
Observando los aspectos analizados gráficamente, se entiende que la respuesta del sensor de conductividad presentada es muy adecuada, debido a su baja variación y fiabilidad de su uso, ya que también el análisis de temperatura, en comparación con UN estándar donde el sensor ha registrado variaciones mínimas en comparación con otros equipos.
Conclusión-seque los resultados fueron significativos y efectivos. De esta manera se puede utilizar el sensor J&J de forma fiable.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Zanco, Wagner da Silva. Microcontroladores PIC18 con lengua C. 1ª edición São Paulo: editora, Erica, 2010
Anexo I
Figura 13: diagrama esquemático.
[1] Tiene formación técnica en electrónica, 2010, graduándose en ingeniería electrónica de Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, tiene un curso de liderazgo ofensivo fase I y fase II por VOLVO de Brasil donde comenzó como técnico de geometría, promovido a Almoxarife A y jefe de almacén, tiene conocimiento y práctica en validación y calificación térmica en el área, hospital, industria farmacéutica y alimentaria, actualmente trabaja con ingeniería clínica por la empresa formada
[2] Graduado en ingeniería electrónica por la Facultad Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, cuenta con un curso técnico en equipamiento médico, técnicos en electrónica, reside en el estado de actualmente trabaja con ingeniería clínica
[3] Profesor Master Advisor, de los cursos de licenciatura en ingeniería electrónica y automatización industrial en Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, egresado de ingeniería eléctrica por la Universidad Federal de la 1977. Máster en ingeniería eléctrica por la Universidad Federal de ABC.
[4] Coordinadora de cursos de licenciatura en ingeniería electrónica y automatización industrial en Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP
