Por: Felipe Calderón Sáenz.
Dr. Calderón Laboratorios, Junio 29 de 2005
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Investigación Previa. Para construir un Conductivímetro es necesario realizar una investigación previa con el fin de determinar la naturaleza de la variable que vamos a medir, con que la vamos a medir, en donde vamos a visualizar la medida, en que rango va a trabajar nuestro aparato y todas aquellas variables que van a afectar nuestro entorno de medición.

Colocando a punto los componentes, la Fuente, el Display, el Circuito, Los Electrodos. Luego es necesario escoger los componentes que vamos a utilizar, tales como las Fuentes, el Display, los Electrodos, el Circuito y hasta la caja que va a contener los componentes y que le va a dar cuerpo a nuestro proyecto.

Primeros ensayos. Se debe luego establecer la idea de un circuito de medición y realizar las primeras verificaciones con el fin de comprobar la idea inicial.

Comprobación del electrodo

El pulimento de los electrodos debe ser perfecto para evitar variaciones en su superficie y que esta sea de tamaño constante y predecible. Esto permite construir electrodos con una constante de Celda verdaderamente constante.

Preparación de Soluciones de Calibración Standard. Se prepara una serie de patrones o soluciones Standard de Conductividad Eléctrica conocida partiendo de Cloruro de Potasio (KCl). Esto es necesario con el fin de verificar la linealidad del instrumento y obtener a su vez la curva (recta) de calibración.

Conductividad Eléctrica de Soluciones de KCL

AOAC Official Method 973.40 and Table 973.40B

Nota: Los valores resaltados dentro de las dos primeras columnas corresponden a los valores originales declarados en la tabla de la AOAC. Los otros valores fueron obtenidos por el autor mediante interpolación de dicha tabla. La tercera columna fue obtenida por el autor mediante la formula empírica:

La ultima columna muestra el grado de ajuste en porcentaje de los valores obtenidos con dicha fórmula con respecto a los valores originales de la Tabla. Como puede observarse, para Conductividades comprendidas entre 0.666 y 12.9 mmhos/cm la desviación es menor de ± 1.3%

Esta ultima fórmula puede ser usada para calcular la Conductividad de dicha solución a 25 °C y obtener la escala de patrones necesarios para la calibración de los equipos.

Polarización. Para poder medir la Conductividad Eléctrica, es necesario evitar la polarización del electrodo. Cuando un electrodo sumergido en una soulción electrolítica se excita mediante una corriente continua, como resultado se produce electrólisis y se desprenden burbujas de gases (Hidrógeno en el cátodo y Oxígeno en el ánodo). Es necesario ajustar las características de la excitación en cuanto a voltaje, frecuencia y forma de onda para evitar la electrólisis.

Un buen conductivímetro, no debe generar burbujas entre la solución y los electrodos, para evitar la perdida de contacto que esto ocasiona. Es necesario mantener el voltaje bajo con el fin de evitar el calentamiento de la solución a medir ya que la temperatura afecta la conductividad eléctrica. En nuestro caso nos limitamos a un Vpico de 2.4 V.

Algunos de los conductivímetros mas antiguos como el "Beckman Solubridge" RD-B15 operan a 60 Hz.

Frecuencia

Con el fin de decidir cual debía ser la frecuenca de operación se estudió la frecuencia de oscilación de varios conductivímetros comerciales:

Para estudiar esta frecuencia se utilizó el programa Winscope 2.51 diseñado por Konstantin Zeldovich, el cual permite utilizar como entrada la tarjeta de sonido del computador y además hace la Transformada Rápida de Fourier y nos indica la frecuencia de la Onda.

Algunas de las frecuencias obtenidas fueron las siguientes:

En conclusión la muestra de conductivímetros ensayados arrojó las siguientes frecuencias dominantes, algunos con señales sinusoidales relativamente puras otros con señales cuadradas algo ruidosas.

Se decidió entonces diseñar un prototipo que operase alrededor de 1200 Hz.

Forma de la Onda

La forma de la onda fue necesario investigar con el fin de conocer como es en la mayoría de los conductivímetros comerciales.

	El Conductivímetro Beckman Solubridge utiliza onda Cuadrada completamente simétrica.
	El Conductivímetro Beckman Solubridge Ref RD-B15 utiliza onda Cuadrada altamente simétrica.
	El Conductivímetro Metrohm Mod. 660, operando a 300 Hz utiliza una onda trapezoidal completamente simétrica.
	El Conductivímetro Metrohm Mod. 660, operando a 2000 Hz utiliza una onda casi sinusoidal, completamente simétrica.
	El Conductivímetro TDS Testr 4, operando a 3200 Hz utiliza una onda Trapezoidal, en este caso, completamente asimétrica.
	El Conductivímetro Dist WP 4 operando a 2600 Hz utiliza una Onda triangular con ligeras irregularidades.
	El Conductivímetro TDS 1 operando a 7700-7800 Hz utiliza una Onda triangular con ligeras irregularidades.
	El Conductivímetro Schott Geratte operando a 944.5 Hz utiliza una onda cuadrada ligeramente trapezoidal y con pequeñas irregularidades.

Una vez analizados las anteriores formas de onda y decidida la frecuencia de oscilación, el paso siguiente fue escoger el tipo de oscilador necesario para lograr este tipo de onda. El primer oscilador ensayado fue un oscilador de tipo astable consistente de cuatro resistencias, dos condensadores y dos transistores tal como el que puede verse en la figura anexa.

Este oscilador resultó un poco ruidoso. Posteriormente fue reemplazado por otro a base de un amplificador operacional, mas estable y menos ruidoso. Este fue el siguiente:

El primer prototipo diseñado tuvo la siguiente forma de onda y la siguiente frecuencia:

En teoría:

En la práctica:

Forna de Onda del Prototipo LabC No. 1

Frecuencia de operación del Prototipo LabC No. 1 Se diseñó para operar a 1111 Hz y en la medición con Winscope 2.51 arrojó 1087.1 Hz.

Posteriormente fue necesario agregarle un Booster ya que la corriente que podia enviar al amplificador operacional era muy pequeña ( < 35 mA) y cuando la Conductividad eléctrica del líquido que se estaba midiendo era alta, el voltaje de excitación se caia.

En el siguiente diagrama de bloques podemos ver como quedó conformado nuestro conductivímetro.

El Ajuste de Nivel se utilizó con el fin de regular el voltaje de la excitación a un voltaje pico de 2.41 V. Esto por una parte cumple la función de eveitar la electrolisis al mantener un voltaje bajo y a la vez permite calcular la Conductividad eléctrica mediante la medición directa de la corriente que circula por la solución, a hacer uso de la ecuación:

Haciendo numéricamente V = Cte de Celda, entonces la Conductividad eléctrica CE se hace numéricamente igual a I.

El diagrama eléctrico del conductivímetro quedó de la siguiente manera:

Para medir la Conductividad de una solución, hacemos pasar la onda de excitación por el electrodo. Este actúa como una resistencia (en el diagrama Rval), a menor conductividad, mayor resistencia. Luego la hacemos pasar por una resistencia de medición (Rmed en este plano R7), de 10 ohmios y medimos el Voltaje encima de Rmed el cual es directamente proporcional a la corriente Imed, la cual a su vez es directamente proporcional a la Conductividad Eléctrica de la solucióin que pretendemos medir. Para medir este voltaje primero hacemos una amplificación por un factor de 51, luego hacemos un "Colgado" de la onda, esto es lo siguiente:

Como se puede observar, lo que se hace es subir la onda hasta que su parte inferior quede sobre el nivel del Cero.

Luego viene el "aplanado", el cual se logra mediante una serie de tres resistencias y tres condensadores, los cuales hacen lo siguiente:

Finalmente vienen unos divisores de voltaje que lo que hacen es: primero adecuar la escala de lectura a la del voltímetro-Display y segundo adecuar la señal de salida para entrar eventualmente a un sistema de control estandarizado en 0-5 VDC.

Finalmente lo que obtenemos es lo siguiente:

Placa del circuito Impreso. Incluye dos fuentes. Una sencilla de 0-8VDC para el Display y otra dual simétrica de: +18: 0: -18 VDC para el circuito.

Conductivímetro LabC, Ref 00903 Terminado Electrodo, Caja de Lectura y Solución de Calibración..

-------------------------------------------------------------------------------Fin----- Dr. Calderon Labs.