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Artículo científico
Diseño de un sensor óptico sumergible para técnicas volumétricas por color.
Design of a submersible optical sensor for volumetric techniques by color.
Ing. Nicolás Molina Vuistaz 1, Ing. Gustavo Sagarna 2
1Departamento de Ingeniería e Investigaciones Tecnológicas - UNLaM nicomolina@unlam.edu.ar
2 Departamento de Ingeniería e Investigaciones Tecnológicas - UNLaM
Resumen: El objetivo principal es diseñar un dispositivo óptico sensor sumergible que permita mayor precisión y sensibilidad en técnicas volumétricas de determinación química cuyo punto final depende de la coloración de la solución analizada. Este sensor además de eliminar la subjetividad en la apreciación del operador, podrá ser utilizado en el control automático de las técnicas de análisis que se hayan evaluado. Dado que existen diversas técnicas analíticas que difieren en el medio en que se desarrollan y en el color del punto final, se analizará la posibilidad de diseñar el dispositivo con la capacidad de emitir en diferentes rangos de longitud de onda y resistente a la acción de agentes ácidos y básicos (álcalis), Esto aumentará la versatilidad del sensor desarrollado.
Abstract: The main objective is to design an optical device submersible sensor that allows greater precision and sensitivity in volumetric techniques of chemical determination whose end point depends on the coloration of the solution analyzed. This sensor, besides eliminating the subjectivity in the operator's appreciation, can be used in the automatic control of the analysis techniques that have been evaluated. Since there are several analytical techniques that differ in the medium in which they are developed and in the color of the end point, the possibility of designing the device with the capacity to emit in different wavelength ranges and resistant to the action of agents Acids and alkalis. This will increase the versatility of the developed sensor.
Palabras Clave: Dispositivo, sensor, óptico, sumergible, química.
Key Words: Device, sensor, optical, submersible, chemical.
I. CONTEXTO
La problemática a investigar surge a partir del conocimiento, por parte del grupo, de las dificultades con las que se encuentran los técnicos de laboratorio para determinar el punto final de una titulación colorimétrica. Este tipo de técnicas son ampliamente usadas por su relativo bajo costo ya que no utilizan equipos tales como colorímetros, espectrofotómetros, polarógrafos, etc. Sin embargo, estás técnicas pierden precisión cuando la cantidad de la substancia a determinar es pequeña. En estos casos una muy pequeña diferencia, en la apreciación final del color, se traduce en un gran error porcentual del resultado. Al mismo tiempo, no en todas las determinaciones de utilizan los mismos reactivos, por lo que las longitudes de onda de trabajo son variables. Vale decir entonces que el desarrollo de un dispositivo sencillo, económico pero a la vez sensible, tendrá una utilidad apreciable.
II. INTRODUCCIÓN
El espectro visible está compuesto por emisiones cuyas longitudes de onda se encuentran ente los 380 nanometros (nm) y 750 nm. La fuente de luz inicialmente será mediante diodos, con baja dispersión. Un sensor lumínico es capaz de distinguir la cantidad de energía absorbida, por ejemplo, por una solución que es atravesada por un haz emitido en el mismo rango de longitud de onda al que el sensor es sensible. Esta energía absorbida puede ser interpretada por un instrumento de medición que responderá instruyendo al mecanismo automático de control, substituyendo así la subjetividad del operador. El instrumento deberá ser calibrado según sea su respuesta conductimétrica al color del punto final de la titulación. Un conductímetro no es suficiente para la automatización de la técnica, hace falta además un controlador. El mismo interpreta el valor de entrada (que es la salida del sensor) de la conductividad y envía la orden correspondiente al motor que actúa sobre la válvula. La interpretación de la información y la respuesta corresponde a la forma en la que opera un PLC Controlador Lógico Programable (Programmable Logic Controller). Estos aparatos funcionan en la industria con entradas de 4 a 20 mA. En el mercado se encuentran desarrollados sensores similares orientados a la medición en aguas de la turbidez, biomasa microbiana, sedimentos, a la detección de chimeneas hidrotermales, etc. También existen sensores de este tipo utilizados para la fluorescencia en clorofila. Estas aplicaciones permiten inferir que la tecnología disponible en cuánto a los emisores y receptores en el rango visible, es adecuada a los requerimientos del proyecto. Lo mismo ocurre con los sistemas de instrumentación y control automático, ya que existen diversas técnicas analíticas que cuentan con control automático. Un método a analizar es la respuesta de una célula fotoeléctrica. En el punto inicial la célula fotoeléctrica está recibiendo el haz de luz (energía) de una fuente que se encontraría a pocos milímetros de distancia, quizás entre 5 y 15 mm. En este punto la célula responde con cierto valor de conductividad que será utilizado como referencia (o “blanco”). Una vez comenzada la determinación el color de la solución cambiará, se “aclarará”, con ello se altera su absorvancia (disminuye) y en consecuencia aumentará la cantidad de luz (energía) que llegará a la célula. Esto hace que cambie su respuesta, y este cambio puede ser medido. El instrumento básicamente podría ser un conductímetro que indicará mediante una aguja el cambio de posición respecto a la referencia original.
III. METODOS
En este contexto la metodología a seguir es fáctica, exploratoria y los pasos consisten en la selección de técnicas de análisis para la aplicación. Las técnicas seleccionadas fueron aquellas basadas en la coloración del permanganato de potasio (permanganometrías) por su buena absorsión en la longitud de onda del verde [1].
Figura 1 – Espectro de absorción obtenido para una solución diluida de permanganato de potasio
El verde es un color primario y se encuentra en la zona central del espectro visible, entre los 497 y 529 nm
Figura 2 – Espectro de emisión de una lámpara fluorescente compacta
Además las soluciones de permanganato presentan linearidad en la absorvancia según la concentración [1]
Figura 3 – Curva de absorvancia para soluciones de permanganato de potasio
Por estos motivos se optó por un emisor láser verde standard de 10 mW y se investigaron sensores de color con buena respuesta en ese rango de longitud de onda, como los que se mencionan a continuación:
a) TSL12T, TSL13T Light-to-Voltage Converters [2]
Figura 4 – TSL12T, TSL13T LIGHT-TO-VOLTAGE CONVERTERS
b) Si Photodiode S9032-02, RGB color sensor [3]
Figura 5 – Si Photodiode S9032-02, RGB color sensor
Dado que se desea obtener un producto versátil, se determinó que el material del bastidor será teflón dada su alta resistencia a ácidos y bases, ya que el dispositivo estará dirigido a técnicas de análisis químico. Del mismo modo se pretende que sea económico, por lo que propusieron componentes de probada fiabilidad, existentes en el mercado y a un costo razonable. Con este objetivo se seleccionó la placa STM32VLDISCOVERY [4] como controladora.
Figura 6 - Placa STM32VLDISCOVERY
IV. OBJETIVOS
A los efectos de que el producto final sea económico, se propuso trabajar con componentes de probada fiabilidad y versatilidad. Los mismos deberían ser existentes en el mercado y a un costo razonable. Se determinó que el teflón es el material más adecuado para el bastidor, dada su alta resistencia a ácidos y bases, ya que el dispositivo estará dirigido a técnicas de análisis químico en esas condiciones. El dispositivo es un tubo dividido en tres secciones. En la parte central se encuentra una abertura que permite que la solución se interponga entre el haz de luz del emisor y el sensor receptor.
Figura 7 – Bastidor del conjunto sensor
Los extremos del tubo contienen entonces, en forma herméticamente sellada, el láser emisor de luz verde y un sensor de color RGB que actúa como el receptor. Dicho sensor se conecta a un instrumento el cual apreciará la variación de la conducción eléctrica a través del mismo. Para tales propósitos se utilizó un conjunto de componentes físicos (“hardware”) de propósitos industriales desarrollado por el mismo grupo de investigación, capaz de manejar los dispositivos utilizados en esta experiencia. La herramienta de programación y depuración ST -LINK está integrado en la línea de desarrollo del kit STM32F100. Es posible utilizar el STM32VLDISCOVERY como ST –LINK [5] simplemente el traslado de algunos puentes (jumpers). La fuente de alimentación es proporcionada por un conector USB o una fuente externa de alimentación. Los conectores de 5V y 3V3 se pueden utilizar independientemente como entrada o salida de suministro de potencia. La salida permitirá automatizar la titulación mediante la acción de un motor paso a paso (PAP) sobre una válvula de precisión con aplicación química, con un esquema como el siguiente
Figura 8 – Montaje de prueba
Figura 9 – Esquema de control de un motor paso a paso con una placa STM32
V. DISCUSIÓN
La interpretación de la variación podrá permitir automatizar la técnica y estimar el final de la operación analítica. Por lo anteriormente dicho se ha decidido utilizar la placa de control lógico (PLC) desarrollada por el grupo de investigación de la UNLaM. El hardware desarrollado es capaz de ser programado en un lenguaje de alto nivel, como puede ser C/C++. Es del tipo modular, a fin de poder adaptar en un mismo equipo las necesidades de un problema puntual de automatización, y por último ofrece la calidad de prestaciones compatible con el problema a resolver, a un costo accesible que no genera un elevado precio del producto final.
Las siguientes son las herramientas utilizadas para el desarrollo del prototipo:
• Altium Designer v14.3 para el diseño de circuitos impresos,
• Solidworks 2015 para el diseño estructural del dispositivo de medición.
Mientras que las aplicadas en la de programación y depuración fueron
• STM32CubeMX, una herramienta de configuración de un soporte lógico (“software”) gráfico, que permite generar código de inicialización en lenguaje C utilizando asistentes gráficos.
• uVision de Keil, para la gestión de proyectos, edición de código fuente, la depuración del programa y la simulación completa.
El objeto del sensor es proveer la información necesaria automatizar el proceso de una titulación. Para ello, se desarrolló una placa de potencia que pudiera manejar una bomba del tipo peristáltica. La misma es la encargada de regular el flujo, regulando el caudal dentro de un rango entre los 0.1 ml/min y 100 ml/min, y una presión de descarga máxima de 1.2 bares. El diseño propuesto reemplaza a un dispositivo comercial cuyo flujo es regulado manualmente por un potenciómetro externo, y cuya precisión es relativamente baja, dependiendo casi exclusivamente de la percepción del usuario. El objetivo del sistema de control es reemplazar dicha operación, mediante el manejo del motor de la bomba a través de un transistor MOSFET, que actúa como interruptor. La técnica utilizada como control, es la modulación por ancho de pulso (en inglés, PWM).
Para manejar el hardware se utilizan las salidas del PLC destinadas a tal fin. Dichas salidas fueron vinculadas a través de una interfaz optoacoplada, de tal manera que se pueda garantizar una operación libre de riesgos para el dispositivo de control.
Figura 11 – Placa de control
VI. RESULTADOS y CONCLUSIONES
El montaje del receptor cuenta con una interfaz, de entrada y adaptación de señal, hecha en base a amplificadores operacionales, en configuración de transimpedancia debido a su alta velocidad, y su amplio rango dinámico. Este circuito permite convertir la señal del sensor óptico de una corriente, en función de la intensidad lumínica que depende a su vez de la concentración y la absorbancia, a una variación de tensión. La tensión es amplificada e inyectada en un canal de conversión analógico-digital (ADC) del PLC. En base a un algoritmo, y a los valores obtenidos tras la conversión (respecto a una tensión de referencia), es posible determinar el estado de la concentración del analito. Así, por lo tanto, el estado final de la titulación volumétrica.
Figura 12 – Montaje de prueba
El emisor está diseñado de manera simple debido a que está principalmente basado en el dispositivo óptico de emisión. Podrá ser usado en aplicaciones que requieran un elevado rendimiento y una alineación óptica/mecánica precisa del eje. Se controla mediante una señal modulada desde el PLC, que se aplica a un transistor bipolar conectado al mismo.
Figura 13 – Montaje del emisor
El software desarrollado recibe la información del sensor óptico, luego de procesarla la presenta en una pantalla LCD. La toma de datos desde el sensor se realiza usando la función color filtro. Esta función toma muestras cada 10ms, filtrando color rojo, verde, azul y la intensidad de la fuente emisora de luz. Puede describirse como la habilitación de la interrupción del temporizador externo TIMER2, que cuenta los pulsos por interrupción (IRQ) generado por el sensor, y del temporizador interno TIMER 6, que cambia de estado para seleccionar la muestra de color. Terminado este cálculo de las frecuencias, se desactivan los temporizadores, finalizando la función y liberando el sistema para continuar con el procesamiento y respuesta del dispositivo. En el caso de esta investigación la fuente emisora es un láser verde, luego se transforma la longitud de onda al rango de escala RGB (0 a 255) que puede ser mostrado mediante una pantalla.
Todos los circuitos, comentados anteriormente, conforman el sistema de medición y control de la titulación volumétrica, que se vinculan al PLC mediante un único conector de tipo IDC (del inglés, insulation-displacement connector) con cable plano.
VII. BIBLIOGRAFIA
[1] Eduardo Montoya Rossi y otros. “Espectrómetro para radiación visible hecho en casa, de bajo costo y altas prestaciones”. Revista de la Sociedad Química del Perú. 2013.
ISSN 1810-634X
[2] TAOS Inc. TSL12T, TSL13T LIGHT-TO-VOLTAGE CONVERTERS. 2007.
[3] HAMAMATSU PHOTONICS K.K., Solid State Division. Si photodiode S9032-02, RGB Color Sensor. 2014.
[4] STMicroelectronics NV.. STM32VLDISCOVERY, Discovery kit for STM32F100 Value line. 2014
[5] Mazen Aounallah. “Bipolar Stepper Motor with STM32”. 2014.
http://myactivities-mazen.blogspot.com.ar/2014/01/bipolar-stepper-motor-with-stm32.htm
Recibido: 2016-12-23
Aprobado: 2016-12-28
Datos de edición: Vol.1 - Nro.2 - Art.1
Fecha de edición: 2016-12-30
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