(
Energía Mecánica Innovación y Futuro, IV Edición 2015, No.5 (13)
Página - 35 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
RESUMEN
Utilizando tecnología abierta y componentes
de bajo costo se logró desarrollar un dispositivo
capaz de medir la conductividad de muestras
líquidas, el cual fue desarrollado utilizando
Arduino, impresoras 3D y software libre. El
dispositivo desarrollado mide la concentración
total de iones libres en la solución electrolítica,
utilizando un acondicionamiento de señales, en el
cual se introduce una señal sinusoidal de no más
de 1kHz de frecuencia y con amplitud no mayor a
los 10 voltios. El dispositivo mide la cantidad de
voltaje consumido por la resistencia que presenta
la solución acuosa. El dispositivo mide unidades
de conductividad por área, los mismos que son
inversamente proporcionales a la resistividad.
El equipo puede ser aplicado en los laboratorios
químicos con un costo varias veces menor que un
sensor comercial. Se puede construir el equipo con
el conocimiento interdisciplinario de la química,
física, mecánica y electrónica a nivel de pregrado.
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
THE CONSTRUCTION OF AN OPEN SOURCE BASED CONDUCTIVITY SENSOR
1David Loza Matovelle , 2Luis J. Segura, 3Xavier Segovia, 4Reza Dabirian, 5Edwin Haro Sangoquiza
1-2-3-4 Universidad de las Fuerzas Armadas- ESPE Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
3 Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE Departamento de Ciencias de la Eléctrica y Electrónica
E-mails: 1dcloza@espe.edu.ec, 2, ljsegura@espe.edu.ec 3xsegovia@ecuagraphic.com.ec , 4dabirian@gmail.com, 5erharo1espe.edu.ec
Palabras Clave: Arduino, Bajo costo,
Conductividad, Sensor, Tecnología abierta.
ABSTRACT
By using open and low cost technology
components we have developed a device capable
of measuring the conductivity of liquid samples.
It has been developed using Arduino, 3D printers
and free software. The device measures the total
concentration of free ions in the electrolytic
solution, using a signal conditioning, in which
a sinusoidal signal of not more than 1 kHz
frequency and amplitude no greater than 10 volts
is introduced. It also measures the amount of
voltage consumed by the resistance of the aqueous
solution and conductivity units per area which are
inversely proportional to the resistivity.
The instrument can be used in chemical laboratories
at a cost several times less than a commercial
sensor. It can be built with interdisciplinary
knowledge chemistry, physics, mechanics and
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
(
Página - 36 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
electronics at the undergraduate level.
Keywords: Arduino, Conductivity, Low cost,
Open source technology, Sensor.
1. INTRODUCCIÓN
El sensor ha sido diseñado y construido con
tecnología abierta. La losofía de tecnología abierta
“open-source” para el desarrollo de dispositivos
cientícos cuenta con tres componentes
fundamentales para su sustento: impresoras 3D,
software libre y hardware de bajo costo.
La metodología de creación de instrumentos
utilizando la tecnología abierta ha crecido
inmensamente en los últimos años a tal punto
que en varios lugares del mundo se ha creado
laboratorios de investigación cientíca que utilizan
exclusivamente esta losofía para sus estudios[1];
en estos laboratorios se emplea hardware libre
como Arduino y Raspberry pi, así como también
el software libre.
El concepto de software libre es sencillo, se
considera software libre cuando un usuario
que ha adquirido el producto tiene la libertad
de usarlo, copiarlo, estudiarlo, modicarlo y
redistribuirlo de varias formas [2]. Esta tendencia
se desarrolló desde los años 80, cuando Richard
Stallman formó la compañía Symbolics Inc. que
intentaba reemplazar el software libre en lugar del
software comercial. Para el año 1982 Stallman
funda la organización Free Software Foundation
(FSF) e introdujo el concepto de “copyleft”, que
permite la libre distribución de copias y versiones
modicadas de una obra o trabajo exigiendo que
estos derechos se han preservados en las nuevas
versiones [3].
La tecnología abierta se fue extendiendo hacia
la electrónica e incluso a la mecánica, de tal
manera que ahora podemos encontrar de manera
totalmente gratuita en internet modelos de circuitos
completamente funcionales así como elementos
y conjuntos mecánicos listos para ser impresos o
modicados si es necesario.
En el año 2005, Massimo Banzi y David
Cuartielles, empezaron el proyecto Arduino, con el
objetivo de crear una placa con un microcontrolador
de menor costo y de fácil aprendizaje. Ahora la
placa Arduino es uno de los hardware libres más
difundidos en el mundo. [4]. En el año 2008 se
había empezado el proyecto Reprap [5] para la
construcción de impresoras 3D totalmente libres.
En la actualidad encontramos en internet más de
200 tipos de modelos de impresoras 3D capaces
de ajustarse a la necesidad de cada usuario. La
tecnología 3D está en un momento en donde
los costos son reducidos y en pocos años se ha
desarrollado a límites a donde no se imaginaba
hace pocos años. El grado en que la tecnología
3D se ha desarrollado con respecto al precio y
posibilidades no era imaginable hace unos pocos
años.
`
La tecnología abierta tiene ventajas especícas en
la investigación. Entre ellos, permite el desarrollo
de procesos que se adapten a las necesidades
de cada usuario. Los elementos utilizados
en el desarrollo de este instrumento han sido
seleccionados tomando en cuenta el costo de los
mismos. Se ha utilizado la tecnología de impresión
3D para construir partes estructurales a medida
que se ajustan a nuestras necesidades. También,
con la utilización de Arduino y de software
libre para programar se ha logrado construir un
dispositivo “low cost”, de características y calidad
de medición similar a un dispositivo comercial, a
una fracción del costo.
La conductividad de muestras liquidas como
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
(
Página - 37 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
concepto es la capacidad que tienen las sales
orgánicas en solución o electrolitos, para
conducir la corriente eléctrica [6]. Los sensores
de conductividad se utilizan en una gran variedad
de aplicaciones, desde el tratamiento de aguas de
consumo o potables hasta el control de productos
biofarmacéuticos.
El agua pura prácticamente no conduce la corriente,
sin embargo con sales disueltas se convierte en
conductor. Esta propiedad es utilizada en varias
industrias, entre ellos en el tratamiento de aguas de
consumo o potables; puesto que las sales minerales
deben estar presentes en ciertas cantidades para
cumplir recomendaciones de sanidad. También,
con el sensor se pueden medir las sales que se
consumen. Por ejemplo, el zinc, el selenio y el
cobre intervienen en el funcionamiento del sistema
inmunológico. De tal manera que el dispositivo
diseñado constituye una herramienta con utilidad
para el campo biofarmaceútico.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para la construcción del dispositivo se utilizó
una pantalla líquida, una placa Arduino Uno y un
sensor de temperatura. Los electrodos deberán
tener un área (A) determinada y deberán estar
separadas una longitud (l) determinada, puesto que
con estos valores se calcula la constante de la celda
de conductividad, según Ec. 1.
l
K
AA
=
+∆
El esquema de la celda de conductividad se
encuentra en la gura 1.
Figura1. Celda de conductividad.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El sensor se construyó utilizando dos electrodos de
cobre. La conexión de los electrodos se lo realizó a
un puente de Wheatstone. El puente está conectado
a una fuente de corriente alterna, con una amplitud
de 12 voltios y una frecuencia de 60Hz. La fuente
de corriente alterna es un transformador con una
relación 10:1, obteniendo 12 voltios a 60Hz. Las
etapas de acondicionamiento, de recticación y de
amplicación se encuentran conectadas como se
muestra en la gura 2.
Figura 2. Etapas de acondicionamiento, recticacion y amplicacion.
Para poder medir la cantidad de voltaje consumido
por la solución electrolítica se dispuso de una etapa
de recticación, utilizando un puente de diodos.
La cantidad de voltaje absorbido por la solución
es pequeña, por lo tanto se adaptó una etapa de
amplicación para la señal ya recticada.
Ec. 1
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
(
Página - 38 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
Se utilizó una impresora 3D para construir la
estructura del porta-sensor, como se puede observar
en la gura 3. El porta-sensor está diseñado de tal
manera que los electrodos de metal se suspenden en
la muestra liquida por completo para la medición
de la conductividad. Se diseñó el porta-sensor
de tal manera que la tapa del mismo es de fácil
remoción, facilitando de esta forma el reemplazo
de los electrodos y el sensor de temperatura si
fuese necesario.
Figura 3. Ensamblaje del portasensor.
La programación se la realizó en el lenguaje
“wiring” que es propio de Arduino y en el caso del
sensor de temperatura utiliza una librería como
fuente para realizar la medición de la misma [7].
Las mediciones establecidas como patrones para la
cantidad de sales disueltas en los medios líquidos
se encuentran establecidas para una temperatura
de 25°C. Razón por la cual en el dispositivo
desarrollado nació la necesidad de implementar
un sensor de temperatura que pueda introducirse
en medios líquidos. El sensor de temperatura
utilizado es un sensor-DS18B20 [8].
Las conexiones electrónicas que se realizaron
desde el porta-sensor hasta el acondicionamiento
de la señal para el dispositivo se pueden ver en
la gura 4. La conductividad obtenida por el
sensor se mide en unidades de micro-siemens por
centímetro (µs/cm), que es la unidad inversa de la
resistividad, los resultados de la medición se ven
expresados en el LCD.
Figura 4. Conexiones electrónicas.
El instrumento ensamblado se muestra en la gura
5, en la cual se puede observar los electrodos y el
sensor de temperatura montados en la estructura
diseñada. También se ve la caja donde se encuentra
el acondicionamiento de la señal, la fuente de
voltaje sinusoidal y el microcontrolador Arduino
Uno.
Figura 5. Instrumento nalizado con porta-sensor.
El proceso de calibración se lo realizó empleando
un sensor comercial (HACH HQ40D). Las
muestras empleadas fueron soluciones calibradas
de agua destilada, enjuague bucal y diluciones de
estos. Los datos de las muestras con sus respectivos
valores de conductividad se encuentra en la tabla
1.
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
(
Página - 39 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
De la tabla 1 se obtiene el comportamiento del
sensor. Mediante un ajuste se llegó a obtener una
ecuación polinómica de tercer grado, la misma
que se encuentra mostrada en la gura 6. Se
puede deducir que dentro del rango (0 – 1500 µs/
cm) el equipo es able. El comportamiento del
dispositivo tiene un error aceptable en relación
al equipo comercial FC28. La ecuación de la
curva característica del sensor según Ec. 2. En un
desarrollo posterior se incrementara el rango del
sensor.
1,25 1,93 8 38,46 59,23
543, 4 6, 44 10
79,05
xx
ye e
− −−
= × + ××
−
Figura 6. Curva caracteristica del sensor.
4. CONCLUSIONES
Un conductímetro comercial tiene un costo
aproximado de 600 dólares, mientras que esté
dispositivo de bajo costo tiene una inversión de
alrededor de 100 dólares, por lo tanto el equipo
se puede clasicar como “low-cost” siguiendo
la losofía antes expuesta. El diseño ha sido
comparado favorablemente con un conductímetro
comercial en una rango de 0 a 1500 µs/cm. Por lo
cual, este dispositivo puede ser utilizado dentro de
este rango. Con la aplicación de este instrumento
se podría determinar la cantidad de sales minerales
disueltas en productos, la disolución de sustancias,
entre otras.
REFERENCIAS
[1] M. Kalúz, L. Čirka, R. Valo, M. Fikar, “ArPi
Lab: A Low-cost Remote Laboratory for
Control Education”, 19th IFAC World
Congress, 2014.
[2] “What is open source?” http://opensource.com/
resources/what-open-source , 2015.
[3] R. Stallman, “New UNIX implementation”,
2013.
[4] Arduino, “What is Arduino?” http://www.
arduino.cc/, 2015.
[5] Reprap, “Welcome to RepRap.org” , http://
reprap.org/ , 2015.
[6] A. Bola, “Determinación de la conductividad
eléctrica”, http://arturobola.tripod.com/
conducti.htm, 2014.
[7] Wiring, http://wiring.org.co/ , 2015.
[8] Maxim Integrated, “DS18B20 Programmable
Resolution”, 2008.
BIOGRAFÍA
1 David Loza Matovelle.- Magíster en Investigación
en Ingeniería de Procesos y Sistemas Industriales,
Docente Tiempo Completo del Departamento
de Ciencias de la Energía y Mecánica de la
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE.
2 Luis J. Segura.- Magíster en Sistemas de
Manufactura, Docente Tiempo Completo del
Departamento de Ciencias de la Energía y
Mecánica de la Universidad de Fuerzas Armadas
Ec. 2
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
(
Página - 40 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (5/13)
ESPE .
3 Xavier Segovia.- Ingeniero en Control, Docente
Tiempo Parcial del Departamento de Ciencias de
la Electrónica y Eléctrica de la Universidad de
Fuerzas Armadas ESPE..
4 Reza Dabirian.- Doctor en Electrónica Molecular
y Nano-estructuras. Investigador Prometeo
del Departamento de Ciencias de la Energía y
Mecánica de la Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE.
5 Edwin Haro Sangoquiza.- Departamento
de Ciencias de la Energía y Mecánica de la
Universidad de las Fuerza Armadas ESPE.
Registro de publicación:
Fecha de recepción 11 de agosto 2015
Fecha aceptación 04 diciembre 2015
Loza D., Segura L., Segovia X., Reza D., Haro E. /
CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD CON TECNOLOGÍA ABIERTA
