INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO

MAESTRIA EN SISTEMAS DE MANUFACTURA

TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS

SISTEMA DE DOSIFICACION AUTOMATICO DE INHIBIDOR DE CORROSION EN SISTEMAS ESTACIONARIOS NO PRESURIZADOS

DIRECTORES DE TESIS:

DR. PEDRO PONCE CRUZ

DR. JORGE EDUARDO BRIEV A RICO

SINODALES:

DR. IV ÁN ENRIQUE CAMPOS SIL V A

DR. JOSÉ RAMÓN AL V AREZ BADA

ALUMNO:

ING. ARTURO CASTELLANOS DA VILA

MEXICO, D. F. MARZO DE 2006.

TECNOLÓGICO DE MONTERREY•

BIBLIOTECA

Capítulo 1 Introducción

1.1 Motivación personal 1.2 Origen del problema 1.3 Antecedentes del problema 1.4 Objetivo 1.5 Estructura de la tesis 1.6 Investigación futura

Capítulo 2 Estado del Arte

Naturalez.a de la corrosión

NDICE

2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.3 2.3.1 2.3.2

Factores que intervienen en la corrosión electroquímica Factores que estimulan la corrosión Tipos de daño por corrosión Corrosión uniforme Corrosión galvánica Corrosión por picaduras Corrosión en hendiduras Corrosión por influencia biológica Corrosión inducida por flujo Erosión corrosión Corrosión cavitación Métodos de protección Recubrimientos Protección catódica

Capítulo 3 Marco teórico

3.1 3.1. l 3.1.2 3.1.3

Técnicas electroquímicas para el control y estudio de la corrosión Resistencia a la polariz.ación Técnica de extrapolación de Tafel o de intersección La técnica de ruido electroquímico

Capítulo 4

4.1 Selección del sistema de control 4.2 Teoría de Control 4.2.1 Control de lazo abierto 4.2.2 Control de lazo cerrado 4.2.3 Transitorios que producen perturbaciones 4.2.4 Frecuencia del transitorio 4.2.5 Respuesta a la frecuencia 4.2.6 Estabilidad y comportamiento de un control automático 4.2. 7 Arquitectura de los microcontroladores vis procesadores

3 3 4 6 6 7

8 9 9 10 10 10 11 11 12 12 12 12 13 13 15

21 21 25 29

33 33 33 33 34 34 34 35 35

1

4.3 Ciclo de programa

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5

Operaciones de Gestión del Sistema Lectura del estado de las entradas Ejecución del programa del Control Lógico Programable Escritura de las salidas Consideraciones en tomo a la ejecución del ciclo de programa

4.4 Sistema de Control Seleccionado

4.4.1 4.4.2 4.4.3

Arquitectura del Basic Stamp 2 Montaje del microcontrolador en la tarjeta de educación Servomotores para simulación del sistema

Capítulo 5

5.1 Introducción 5.2 Estructura del sistema de control

5.2.1 5.2.2 5.2.3

5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

El potenciómetro El microcontrolador El Servomotor

Desarrollo experimental Condiciones de la prueba Arreglo de la celda electroquímica Componentes de la celda electroquímica Gráficas generadas por el potenciostato Adecuaciones requeridas para la adquisición de señales analógicas Arreglo del convertidor Listado de programas cargados al microcontrolador

5.10.1 Listado de programa arranque paro ( Programa 1) 5.10.2 Listado de programa arranque retardado ( Programa 2)

Capítulo 6

6.1 Introducción 6.2 Interfaz con el usuario 6.3 Personalización del programa (Secuencia, arranque y paro) 6.4 Función del programa 6.5 Personalización del programa (Secuencia encendido con retardo) 6.6 Función del programa

6. 7 Recursos involucrados 6.8 Recomendaciones para la implementación del sistema 6. 9 Aplicaciones industriales del sistema 6.1 O Costo del sistema propuesto y ventajas v/s uso de PLC 6.11 Conclusiones

Bibliografia Anexos Normas aplicables

38

38 38 38 38 39

39

39 40 41

42 42

43 43 44

44 44 44 45 46 47 48 49

50 51

53 53 54 54 55 55

55 56

56 57

58 59 60

2

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 Motivación personal

El motivo principal para la realización de este trabajo obedece, al interés de consolidar la aplicación de los principios teóricos, mediante la solución de un problema en particular que dada su naturaleza represente un reto técnico académico, que al ser solucionado, su repercusión ostente un beneficio tangible en la dinámica social; siendo un beneficio económico el que se plantea en este documento. Otro motivo obedece a evidenciar de manera escrita el desarrollo de actividades de investigación teórica y experimental que fonnan parte del programa académico de las maestrías que dirige la EGIA (Escuela de Graduados de Ingeniería y Arquitectura) del Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México. En el ámbito profesional, la realización de una tesis aporta conocimientos importantes a la formación del futuro maestro en ciencias en el área de metodología de la investigación, área importante del conocimiento que después de ejercitada, se puede afinnar, que es conocimiento que produce conocimiento.

El desarrollo de la tesis contiene los fundamentos teórico-prácticos que enuncien la forma de implementar un sistema capaz de procurar condiciones favorables para reducir los efectos negativos de la corrosión, en los materiales de los que están construidos los recipientes de contención de fluidos. Es importante el contrarrestar los efectos negativos de la corrosión en estos recipientes, ya que estos fonnan parte de los elementos mas costosos y vitales dentro de los equipos de proceso que conforman las instalaciones que componen las obras de infraestructura de un país.

1.2 Origen del problema

Los problemas derivados del daño por corrosión, tienen un impacto importante en la dinámica económica mundial. En general, los costos por corrosión en muchos de los países que encontramos en la tabla 1.1 se encuentran ubicados en un rango que va del 2 - 4% de producto interno bruto. [3]

País Año Costo de corrosión

(Billones de dólares)

Inglaterra 1970 3.2 (3% OF GDP) Australia 1982 -

China 1986 4%GDP Estado Unidos 1975 70 (4.2%GDP)

Union Soviética 1969 6.7 (2% GDP) Alemania 1969 6.0 ( 3%GDP) Canadá 1991 3.475(0.52%GDP)

Tabla 1.1 Porcentaje de participación del producto interno bruto en gastos asociados a daños por

corrosión.

3

Un estudio realizado por la NACE, "Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión" presentó un análisis detallado, de las ramas y sectores industriales más afectados por la corrosión. En Estados Unidos este estudio reveló que en el año de 1998 los costos directos ascendieron a 276 Billones de dólares, representando un 3.1 % del producto interno bruto. [19]

Cabe señalar que el realizar estudios de esta naturaleza implicaron estudios que implican costos importantes, y sobre todo la cooperación y coordinación de dependencias sectoriales especializadas que agrupan y clasifican los costos asociados al giro al cual se asocian.[6]

Tomando como referencia la información con la que se cuenta de otros países a lo largo de algunos años. Se observa que el dato que relaciona porcentaje de participación del producto interno bruto asociado a los costos directos por corrosión se mantiene constante dentro de un rango que va de un 2 a 4%, lo cual es una cantidad muy cuantiosa para cualquier país. De lo anterior, asumimos que México aunque no tiene cuantificados los gastos en los que incurre en este rubro; las cantidades de recursos que se involucran a este respecto son importantes, y son susceptibles de ser reducidas.[3]

1.3 Antecedente del problema

En la actualidad, aún con los avances en el desarrollo de inluoidores. No existe un criterio o estándar de dosificación, que garantice la efectividad de la sustancia protectora de forma permanente en el sistema. Los proveedores sólo se limitan a recomendar volúmenes de disolución, asociados generalmente a una rutina que establece tiempos de aplicación promedio. [20]

Si tomamos en cuenta que cada inhibidor fue diseñado para proteger dadas condiciones muy particulares de la aplicación. Como ejemplo de estas variables se pueden mencionar, la presión, la temperatura, el volumen, el pH , las condiciones de flujo "estático o dinámico" así como la ubicación geográfica precisa de la instalación.

A continuación, se describe de manera general el repertorio de substancias inhibidoras que dependiendo de la combinación de variables del caso, se pueden aplicar para combatir efectivamente los efectos negativos de la corrosión.

Definición de sustancia inhibidora

Substancias que se agregan en pequeñas cantidades a las fuentes de agua o cualquier otro fluido liquido o gas, para disminuir o evitar las reacciones de corrosión.

Mecanismos de acción

o Incrementar la Polarización del ánodo. o Incrementar la Polarización del cátodo o Incrementar la Resistencia Eléctrica del circuito por formación de depósitos en la superficie

metálica.

4

Tipos de lnhibidores

o Anódicos (Pasivadores) o Catódicos a Ohmicos a Orgánicos a De Precipitación a En fase vapor

Naturaleza de acción de los inhibidores

o Inhibidores tipo" veneno"

Interfieren con las reacciones de reducción, ( sulfuros, seleniuros, arsénico, bismuto ).Pueden provocar ampollamiento o fragilización por hidrógeno.

a Inhibidores de precipitación

Forman precipitados en la superficie Catódica, generalmente en función del pH; ( carbonatos de calcio y magnesio, sulfato de zinc y sales de metales como antimonio, manganeso y níquel).

a Inhibidores removedores de oxígeno

Previenen la despolarización catódica provocada por el oxígeno, pueden ser inorgánicos (sulfito de sodio, S02) u orgánicos (hidrazina).

a Inhibidores ohmicos

Incrementan la Resistencia ohmica del circuito, por la formación de una película sobre la superficie Metálica. Pueden ser Anódicos, catódicos o combinados.

a lnhibidores Orgánicos

Este tipo de Inhibidores afectan la superficie total del Metal por adsorción sobre él y bloqueando las dos reacciones - anódica y catódica - . Pueden estar "cargados" positiva (aminas) o negativamente (sulfonatos). La eficiencia depende de la acción combinada con halógenos ( cloruros, bromuros, yoduros, fluoruros) y de la estructura y tamaño de la molécula.

a Inhibidores de Precipitación

Los inhibidores que inducen precipitación, son compuestos formadores de películas que interfieren con las reacciones anódicas y catódicas.

Los más empleados son del tipo silicatos y fosfatos, los cuales requieren oxígeno para ser eficientes.

5

[J Inhibidores fase vapor

También llamados inhibidores volátiles de corrosión(VCI), son compuestos que son transportados a los sitios requeridos, por volatiliz.ación. En calentadores compuestos alcalinos (morfolina, octadecylamina) transportados a partir de líquidos. En espacios cerrados, como contenedores en barcos, sales de Carbonato, Benzoato, Nitritos, ciclohexilamina o imina de hexametileno son transportados de sólidos.

En este momento es importante mencionar que cualquier modificación, alteración o cambio en las condiciones operativas consideradas originahnente, pueden ocasionar un abatimiento en la eficiencia de los productos de inhibición de la corrosión diseñados específicamente para cada caso, por lo que se deben vigilar continuamente las condiciones operativas imperantes. Los productos inhibidores se fabrican para dar solución a problemáticas específicas, pero no para solucionar problemas de corrosión interior bajo cualquier circunstancia [20]

Cabe señalar, que no existe un producto inhibidor universal para la protección contra la corrosión interior de contenedores, por lo que se deben conocer con precisión las características que presenta cada sistema, a fin de contar con los productos idóneos para cada caso. [20]

Por lo anterior, se establece que si se desea incrementar la eficiencia del método de aplicación de inhibidores en sistemas estáticos, es necesario contar con alguna herramienta que cuantifique la efectividad de la acción protectora, y que de detectarse alguna deficiencia en su función protectora, inmediatamente exista alguna acción correctiva. Que lleve al sistema en cuestión a un régimen protegido. Esto con el fin de garantiz.ar un periodo de vida útil mayor, que impacte de manera directa en la reducción de costos derivados del daño ocasionado por corrosión.

1.4 Objetivo

Diseflo y desarrollo de un sistema de control para la dosificación de inhibidor de corrosión para un contenedor de almacenamiento.

1.5 Estructura de la tesis

Capítulo 1 Introducción

En esta sección se esboza el objeto de la investigación así como su origen histórico e impacto tecnológico, se descnben las repercusiones económicas que en la actualidad modifican nuestro entorno. Como puntos interesantes en esta sección se pueden encontrar la delimitación del problema, la cual a su vez nos ayudó a establecer los objetivos importantes que se pretenderían alcanzar en una investigación futura.

Capítulo 2 Fundamentos teóricos del fenómeno de corrosión

Esta sección recopila una revisión bibliográfica que describe los fundamentos teóricos inherentes al fenómeno de corrosión necesarios para comenzar la fase experimental. En esta sección es en donde mediante la evidencia teórica se comienza a delimitar las variables de estudio que se tomarán en cuenta para el desarrollo experimental.

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Capítulo 3 Técnicas electroquímicas para el control y estudio de la corrosión

En esta sección se describen las técnicas actuales empleadas para el monitoreo de la corrosión en los sistemas industriales, y se describen los fundamentos teóricos de las técnicas electroquímicas para el control y estudio de la corrosión.

Capítulo 4 Sistema de control

Este capítulo contiene los fundamentos teóricos del control industrial en su contexto general, y al final del capitulo se describe el sistema de control seleccionado que se propone para satisfacer la aplicación del algoritmo.

Capítulo 5 Desarrollo del sistema de control

Se describe el sistema de control propuesto, se define al principio la información de referencia obtenida en la parte del desarrollo experimental que sirvió de base para el diseño del sistema, y que a su vez ilustra, el formato que muestra la forma en como la industria documenta la información relacionada con la naturaleza del fenómeno de corrosión. Más adelante se describen las adecuaciones requeridas para integrar algunos componentes periféricos de hardware que ofrecieran una solución para alcanzar el objetivo planteado al principio del trabajo. Se muestran un análisis detallado de los listados de programas necesarios para cumplir con el objetivo planteado.

Capítulo 6 Análisis de resultados

En esta parte se analizan los resultados de algunas pruebas y se comentan las modificaciones necesarias si es que el arreglo que se propone, se quisiera implantar para el control de la corrosión en otro medio y de esta manera lograr la generalidad del alcance de este trabajo a otros casos similares.

1.6 Investigación futura

Como se menciono en la sección 1.4 en lo que se refiere al objetivo de esta investigación un parámetro clave para la delimitación del problema de estudio fue la condición de que la experimentación se realizarán en condiciones estacionarias del fluido, y sin perturbaciones mecánicas que alteraran las condiciones de reposo así como el que el sistema se considerara en todo momento no presurizado.

Como investigación futura, se plantea evaluar la misma propuesta experimentai con la diferencia de que el objeto de estudio sería el analizar el comportamiento del sistema en condiciones dinámicas del fluido es decir en tuberías, en donde posiblemente, se pudiera incluir la condición de presurizado.

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CAPITUL02

ESTADO DEL ARTE

2.1 Naturaleza de la corrosión

La corrosión es un ataque destructivo a los metales que puede ser de naturaleza quúnica directa, sólo se verifica en condiciones extraordinarias que comprenden un ambiente altamente corrosivo, o una elevada temperatura o ambas cosas. Son ejemplos, los metales en contacto con ácidos o álcalis concentrados y la formación de óxido de hierro por disociación del agua en contacto con tubos de caldera recalentados. Sin embargo, la mayoría de los fenómenos que comprenden la corrosión de metales que contienen agua o están sumergidos en ella, o su corrosión en la atmósfera por películas de humedad, son de naturaleza electroquímica (1]

El mecanismo de la corrosión electroquímica se evidencia más en el caso de metales distintos acoplados eléctricamente como el cobre y el zinc sumergidos en agua de modo que el último forme el ánodo de una pila galvánica y el cobre el cátodo, la reacción se verifica en dos partes: [I]

1) La reacción anódica, durante la cual se disuelve el metal en el electro lito en forma de iones cargados positivamente.

2) La reacción catódica, en la que los iones cargado positivamente cubren con una capa de hidrógeno atómico la superficie catódica. Los electrones liberados por la reacción anódica circulan por el circuito metálico hasta el cátodo, donde neutralizan un número exactamente equivalente de iones de hidrógeno.

El caso más común es el de un solo metal el cual la superficie es de polaridad heterogénea, formada por pequeñas y separadas zonas anódicas y catódicas tan estrechamente juntas que no se puedan distinguir. Pequeñas diferencias de potencial resultan de leves variaciones en la composición, en el acabado superficial, en los esfuerzos, en los depósitos o inclusiones, o bien por las diferencias de concentración del electrolito o de los solutos gaseosos en la fase liquida adyacente. La penetración prosigue en las zonas anódicas, produciendo una amplia variedad de picados, rugosidades y desgastes. La película de hidrógeno catódica y los precipitados anódicos insolubles son factores entorpecedores igualmente importantes que pueden utilizarse para retardar la corrosión.[l]

Un índice de la fuerza impulsora de la reacción electroqwmi.ca es el potencial, o fuerza electromotriz, de la pila galvánica, el cual es la suma de los potenciales de las semipilas formadas por el ánodo y el cátodo y el agua que los rodea Estos potenciales son característicos del metal ( u otro material del electrodo ) y varían con el contenido iónico del electrolito, la temperatura y otros factores. El potencial de los electrodos se califican fijando, por convención, la concentración de equilibrio de los iones metálicos en I molar( un mol por litro); sólo pueden determinarse por mediciones cuando no circula corriente, en ausencia de la reacción de los electrodos. De otra manera, serían alterados mediante la polarización por un incremento conocido por sobre tensión y que está relacionado por las variaciones de energía en los electrodos. La sobre tensión de hidrógeno está asociada a la liberación de hidrógeno en el cátodo.[2]

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2.1.1 Factores que intervienen en la corrosión electroquímica

Metal La tendencia de un metal a disolverse en agua, conocida por presión de solución, se mide por el potencial eléctrico (sin corriente) que tiene que ser aplicado para evitar toda acción cuando el metal está swnergido en una solución de una de sus sales a la concentración estándar o normalizada (1 molar).

Aunque en la práctica nunca se encuentran la concentración normalizada de las sales metálicas ni la ausencia completa de corrientes de polarización, esta serie enwnera, no obstante, a los metales en orden general, la tendencia de los metales a la corrosión. Cuando dos metales que están en contacto se swnergen en agua, el que está en la parte superior en esta serie se vuelve anódico, sufre la corrosión y protege al otro metal, por que lo vuelve catódico.

El electrolito es el factor dominante controlable. En el caso normal, el agua está en contacto con los metales, contiene impurezas, como sales, gases y vapores. Su actividad electrolítica es una función de los iones que aumentan su conductividad; por tanto, una salinidad elevada promueve la corrosión electroquímica. Es muy importante mencionar que el agua rara vez es neutra (pH = 7.0), sino que es, ya sea, ácida (pH inferior a 7.0) o básica (pH superior a 7.0).El exceso de iones hidrógeno que acompaña a un pH decreciente aumenta la fuerza de avance y la velocidad de reacción de la corrosión electroquímica; por tanto, los ácidos y las sales ácidas producen un ambiente corrosivo. A la inversa, un awnento en la concentración de iones hidroxilo ( pH alto) deprime la corrosión electroquímica y puede suministrar excelente protección, incluso sin la formación de película, por ejemplo cuando se agregan cáusticos, amoniaco o aminas a agua condensada, desmineralizada o suavizada por completo.[3]

Oxígeno El oxígeno gaseoso disuelto en agua reacciona con el hidrógeno atómico protector que se encuentra sobre las zonas catódicas de las superficies metálicas, destruye la película por despolarización y permite que continúe la corrosión. La rapidez o intensidad de la corrosión está limitada, en general, por la velocidad de difusión del oxígeno disuelto hacia la superficie metálica y , como consecuencia, se produce un amplio ataque del oxígeno al nivel del agua o cerca de él. En la mayoría de los problemas de corrosión, el oxígeno disuelto es el que domina y muchos de ellos pueden resolverse por completo mediante la desaeración del agua por medios mecánicos, térmicos o químicos.[}]

2.1.2 Factores que estimulan la corrosión

Cualquier condición de falta de uniformidad dentro del metal, como la que puede originarse por un recocido o un trabajo en frío inadecuados, puede aumentar la heterogeneidad y la intensidad de las diferencias en polaridad; es obvio que el uso de metales desiguales puede ocasionar la corrosión de uno de ellos, como ocurre con los tubos de aluminio de los intercambiadores de calor que están adyacentes a las varillas de amarre de hierro en el grupo de tubos. La falta de uniformidad de las concentraciones en el electrolito produce células de concentración que favorece el ataque corrosivo. Es muy conocido que la falta de uniformidad en la distribución del oxígeno sean anódicas, en relación con las que están en contacto con una concentración elevada de oxígeno. Por tanto, la turbulencia y el aire arrastrado ocasionan corrosión en los extremos de entrada de los tubos de condensadores y sobre la lámina de los tubos. La despolarización de la película de hidrógeno por el oxígeno disuelto ocurre con más rapidez en unos metales que en otros; el zinc y el aluminio son menos activos que el hierro y se cataliza por la presencia de costras de laminado.

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2.2 Tipos de daños por corrosión

2.2.1 Corrosión uniforme

Es la forma más común de corrosión y es caracterizada como la reacción química o electroquímica que forma parte de manera uniforme sobre la totalidad de la superficie expuesta. El metal se torna cada vez más delgado y eventualmente resulta en la perforación o falla del elemento. Para esta forma de corrosión se puede evaluar la tasa de corrosión por experimentación como el caso de sencillas inmersiones del material tipo en el medio en el que se desea analizar su comportamiento.

2.2.2 Corrosión galvánica

Se genera cuando existen celdas de corrosión en las cuales un metal o parte de él, se comporta como Ánodo y otro metal o parte de él se comporta como cátodo.

El comportamiento de un "par" se puede determinar de la serie electromotriz o de las series galvánicas específicas.

El daño por lo general ''uniforme", implicando una pérdida relativamente homogénea en toda la superficie del ánodo.

o Factores de influencia

Diferencia de potencial entre ánodo y cátodo. Esto se refiere a la posición que guarde cada uno de ellos en la escala de potenciales.

Potasio Magnesio Berilio Aluminio Zinc Cromo Acero Níquel Cobre Plata Platino Oro

Mayor energía de activación

Menor energía de activación

Relaciones geométricas de las zonas anódicas y catódicas, como factores geométricos podemos citar ciertas como:

Área superficial del metal noble> Área del metal activo= Relación desfavorable

Área del metal activo> Área del metal noble= Relación favorable

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a Factores de distancia

Entre más cercanos estén los electrodos el efecto galvánico será mayor; sin embargo este efecto es función de la conductividad del medio.

2.2.3 Corrosión por picaduras

Ataque extremadamente locali7.ado que produce cavidades u hoyos de paredes paralelas y con un diámetro abierto a la superficie aproximadamente igual a su profundidad.Es un ataque ''sin pérdidas de peso" por lo que es dificil de predecir y generalmente se detecta hasta que el metal se perfora. Las picaduras generalmente nuclean en defectos de superficie, heterogeneidades estructurales, inclusiones, etc. En superficies "libres de defectos", las picaduras se inician por rompimiento de las películas pasivas, por acción mecánica, química y/o electroquímicas con el medio que rodea al material.

Una vez nucleada, la picadura tiende a crecer muy rápido.

a Mecanismo de disolución

Al disolverse la capa pasiva el metal se disuelve por una reacción anódica, generándose una elevada acidez en el fondo de la picadura debido a la hidrólisis de los iones disueltos.

a Mecanismo de tubo

Por interacción ente las paredes de la picadura y la superficie adyacente se genera hidróxido de sodio, el cual es oxidado por el oxígeno disuelto dando una mezcla de óxidos metálicos que crecen en forma anular.

2.2.4 Corrosión en hendiduras

Ataque locali7.ado que se genera cuando un medio liquido es atrapado en el interior de discontinuidades del material.

La discontinuidad debe ser abierta y grande como para permitir el ingreso del liquido (humedad) pero, suficientemente cerrada como para que no escape. Cabe mencionar que el liquido se considera como estancado.

a Rasgos particulares

1.-0currencia de corrosión uniforme

2.-Desarrollo de reacciones electroquímicas

2H20 + 02 + 4e = 40H ( catódica)

3.- Cada electrón liberado por la reacción anódica es consumido por la reducción de oxígeno.

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4.- El electrolito en el interior de la hendidura se va empobreciendo en oxígeno hasta que se agota, momento en que la reacción catódica se suspende.

5.- En el interior de la hendidura se produce un desequilibrio de carga, la concentración de iones positivos se incrementa y la reacción anódica continua.

6. - El balance de carga se logra por la migración de iones negativos (aniones) hacia el interior de la hendidura.

7.- Por la elevada acidez se rompe la película pasiva y se genera un proceso de ataque, auto catalítico.

2.2.5 Corrosión por influencia biológica

a Corrosión biológica activa

Interacción química directa de organismos con materiales para producir nuevas reacciones químicas corrosivas o acelerar marcadamente los procesos de corrosión existentes.

a Corrosión biológica pasiva

El material biológico (bio-masa), se comporta como material inerte, actuando como cualquier tipo de depósito.

2.2.6 Corrosión inducida por flujo

Este tipo de corrosión esta asociada fundamentalmente a consideraciones de ''flujo de fluidos" y a la disponibilidad de especies requeridas para desarrollar las reacciones electroquímicas. Un aumento en la velocidad del fluido incrementará la velocidad de corrosión por:

1.- Remoción de películas protectoras

2.- Aumento en la velocidad de difusión de especies nocivas

2.2. 7 Erosión corrosión

Proceso de degradación inducido por el flujo, que consiste en la remoción mecánica de películas protectoras por la acción del flujo y el posterior ataque electroquímico. Los factores de influencia en este caso particular de corrosión podemos citar entre otros: Flujo, transferencia de masa, temperatura, pH y oxígeno disuelto.

2.2.8 Corrosión cavitación

Causada por la formación y colapso de burbujas de gas en un liquido.

Remoción de películas protectoras por la "implosión" de las burbujas de gas, produciéndose ondas de choque que alcanzan esfuerzos de hasta 60 Ksi.

El ataque es resultante de efectos hidromecánicos de líquidos en regiones de baja presión.

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2,3 Métodos de protección

Pueden deducirse,· asimismo, de la relaciones precedentes de los metales, electrólitos y oxígeno disuelto, con la corrosión electroquímica. Las medidas de protección incluyen el uso de ánodos de sacrificio, como zinc o magnesio, la aplicación de una fueIZa contraelectromotriz mediante diversos dispositivos de protección catódica y la pasivado de metales (es decir, tratarlos para reducir su solubilidad en los ácidos y la rapidez de precipitación de otros iones metálicos de las soluciones). El contacto con el electrolito se evita con diversos revestimientos protectores, sean aplicados o precipitados de la solución, como ocurre en el caso del carbonato de calcio, cromo hidratado y óxidos de hierro. [2]

Otro método que se emplea en la actualidad y que es el método que se pretende emplear para la realización de la fase experimental de esta investigación; son la adición de inhibidores, que son sustancias que se agregan en pequeñas cantidades a las fuentes de agua o cualquier otro fluido -líquido o gas-, para disminuir o evitar las reacciones de corrosión.[4]

2.3.1 Recubrimientos

La forma más antigua de proteger a los metales contra la corrosión ha sido mediante la aplicación de recubrimientos los cuales lo aíslan de la acción directa de los ambientes corrosivos como suelo, agua y atmósferas agresivas.

o Pintura

Empleada con fines decorativos; tiene como característica espesores menores a 50 µ. Como ejemplo de características distintivas de la pinturas tenemos. Mezclas de substancias líquidas buenas propiedades químicas y mecánicas, excelente adherencia Densidad de reticulado contra elasticidad. Secado contra curado

o Recubrimientos Anticorrosivos

Los recubrimientos son los más empleados en el control de la corrosión y en realidad son un sistema, que consiste de:

1.- Un primario que debe tener buena adherencia, ser compatible con las capas subsecuentes y actuar como inhibidor.

2.- Un intermedio que actúa como enlace, incrementa espesor y aumenta la compatibilidad.

3.- Un acabado que da las propiedades o características finales requeridas

o Materiales poliméricos usados como recubrimientos

La mayoría de los componentes en pinturas, lacas y barnices son polímeros los cuales se transforman en sólidos por la acción del secado y/o curado

Los termoplásticos son polímeros de cadena lineal o entrecruzada pero no reticulada entre cadenas y tiene temperatura de fusión.

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Los termo fijos se endurecen por la acción de la temperatura o agente acelerador y desarrolla una estructura reticular definitiva y no tiene temperatura de fusión.

Los elastómeros pueden ser de origen natural o sintético y poseen cadenas lineales con gran capacidad elástica y con posibilidades de tener una estructura reticular controlada por el proceso de vulcanización.

o Recubrimientos metálicos

Son metales, diferentes al sustrato, aplicados en capas delgadas, para dar resistencia a la corrosión y/o una mejor apariencia. Ejemplo de estos tipos tenemos:

Galvanizado (Zinc) Cromado (Cromo) Niquelado (Níquel) Cadminizado ( cadmio) Estañado (Estaño) Aluminiz.ado (Aluminio)

o Métodos de aplicación de recubrimientos metálicos

Inmersión en caliente ( Galvanizado) Metalizado por proyección (Termo rociado) Chapeado (Alelad) Electrodepositación Electroforesis Depósito en vacío Evaporación de Metales Difusión Electrólisis Reducción de óxidos

o Recubrimientos inorgánicos

Pueden ser ricos en zinc, vidrio y porcelana.

o Ricos en zinc

Base silicatos inorgánicos y Zn metálico aplicación hasta 300° C, preparación superficial hasta metal blanco.

• Auto curante (base agua o solvente) • Post Curado • Orgánicos

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o De conversión

• Proveen un perfil rugoso • Dan apariencia especial • Superficie fácil de lubricar • Resistentes a la abrasión • Fosfatado, cromatizado y anodizado

2.3.2 Protección catódica

o Historia de la protección catódica

En 1824 Sir Humphrey Davy desarrolló la protección catódica al conectar electrodos de Fe y Zn para proteger el casco de Cu de barcos de madera. Sin embargo, hasta 1930 se reportaron avances en la protección catódica al registrarse mayor actividad en la explotación y el transporte de productos petroleros.

En la actualidad, los usos y aplicaciones de la protección catódica se han generalizado desde reactores nucleares, puentes de concreto reforzado, barcos e instalaciones portuarias y hasta el automóvil, etc.

o Fundamentos de la protección catódica

La protección catódica es el método más utilizado para proteger estructuras metálicas en contacto con aguas, suelos y electrolitos corrosivos.

El :fundamento del método consiste en mantener la polarización del cátodo, aplicando una corriente externa, de tal manera que, ambos electrodos ( ánodo y cátodo) alcancen el mismo potencial.

La corriente se puede aplicar en dos formas distintas y/o combinadas, ya sea mediante ánodos galvánicos o bien por medio de una corriente impresa aplicada a través de un rectificador.

En principio, lo que se hace es crear una celda galvánica en la cual el metal a proteger actúe forzosamente como cátodo.

o Ánodos de sacrificio

Los materiales metálicos que en la serie electroquúnica son más electronegativos que la estructura a proteger se conocen como ánodos de sacrificio o galvánicos.

La diferencia entre el potencial natural del ánodo y el acero causa un flujo de corriente positiva en el suelo ( electrolito), del ánodo hacia la estructura metálica convirtiéndola en un enorme cátodo.

Para el acero, los metales mas electronegativos en la serie electromotriz, se reducen a: Aluminio . . magnes10 y zmc.

El intervalo de trabajo de los ánodos de sacrificio están limitados por la diferencia de potencial contra la estructura a proteger.

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a Propiedades de los materiales anódicos

Tener un potencial de disolución suficientemente negativo, como para polariz.ar la estructura [-0.85 V <Cu/ CuS04; Cobre/ Sulfato de Cobre), para Acero].

El potencial no debe ser muy negativo porque provocaría un gasto de corriente innecesario y puede producir hidrógeno.

Debe presentar una tendencia pequeña a polarizarse (desarrollar películas protectoras).

Fácil de adquirir y fundir en diferentes geometrías.

Tener un elevado rendimiento eléctrico (ampere-hora 1Kg), lo que constituye la capacidad de drenado de corriente.

Tener un costo razonable, de modo que, en conjunto con las características electroquímicas correctas pueda lograrse una protección adecuada a un bajo gasto de ampere-año

a Ventajas y desventajas de los ánodos galvánicos

Ventajas Independientes de fuentes de energía. Instalación relativamente sencilla.

No hay posibilidad de daño a estructuras vecinas, debido a la baja entrega de corrientes. Pueden ser unidos por "pernos" o soldados directamente a la estructura a proteger, evitando perforaciones. Sus conexiones se protegen catódicamente. No puede haber error en la conexión.

a Pr:otección catódica

a Fundamentos

Desventajas La corriente disponible es limitada. Pueden resultar imprácticos en medios de alta resistividad, debido a la salida limitada de corriente. Su inspección requiere pruebas con instrumentos portátiles, en cada uno de los ánodos o entre pares adyacentes. Su vida útil varia con las condiciones del terreno.

Internamente, puede modificar condiciones de flujo, en sistemas de circulación.

Se caracteriz.an por la aplicación de una corriente directa o impresa a través de un transformador o rectificador de voltaje y se complementa con el empleo de ánodos inertes (no galvánicos). Con éste sistema se busca superar la resistividad del suelo para distribuir la corriente de protección hasta una distancia de 2 Km de una estructura enterrada con recubrimiento defectuoso o de hasta 50Km si el recubrimiento está en buenas condiciones.

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a Factores ambientales

El deterioro de metales en partes expuestas o en contacto con suelos, se atribuye a las propiedades del suelo sin considerar las corrientes inducidas por líneas eléctricas como el ferrocarril y el tranvía o torres de alta tensión.

a Factores que relacionan la corrosividad del suelo

• Pobre aeración • Altos valores de acidez • Baja resistividad • Contenido de sales minerales y humedad

a Características de instalación y operación

Toda conexión eléctrica entre la tubería enterrada y la cama de ánodos deberá estar muy bien aislada para evitar fugas de corriente. Nunca conectar la terminal positiva ( +) del rectificador a la tubería o estructura enterrada, porque invertiría el proceso de protección y se acelera la corrosión del metal base.

a Criterios de protección e inteñerencias

Los criterios establecidos sirven para evaluar la efectividad de un sistema de protección catódica y entre los más utilizados están las mediciones de potencial tubo-suelo y la determinación de la corriente de protección.

También se utiliza la medición del potencial redox entre un electrodo de platino y otro de referencia Cu / CuS04 en el medio electrolítico húmedo.

En cuanto a las interferencias o fugas de corriente, se hace una medición de continuidad eléctrica entre la estructura protegida y cualquier otra superficie o línea electrificada que pueda generar corrientes parásitas.

a Corrientes de protección

La corriente necesaria para proteger catódicamente una estructura deberá ser de una magnitud que permitirá el control de la corrosión hasta un punto económicamente aceptable, porque depende de la agresividad del medio y si tiene o no un buen recubrimiento orgánico, etc. La corriente de protección se puede calcular teóricamente o se puede determinar en campo a prueba y error.

a Diseño de sistemas de protección catódica

Para el diseño de un sistema de protección catódica se requiere de un mínimo de información previa concerniente a la estructura a proteger y al medio de exposición. Con la información previa desarrollada y con un mínimo de datos de resistividades se puede definir la localización de la cara de ánodos, tamaño tipo y cantidad de ánodos de sacrificio o la capacidad y número de rectificadores necesarios o fuente de suministro para la corriente de salida DC, etc.

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a Considenciones respecto a la est111ctun:

• Material de la estructura. • Especificaciones y propiedades del recubrimiento orgánico. • Características de construcción y dimensiones geométricas. • Mapas de localización y planos de detalles de construcción. • Localización de otras estructuras metálicas enterradas en las proximidades y sistemas de

protección aplicados y líneas electrificadas que generen inducción de corrientes. • Información sobre fuentes de corriente AC de baja y media tensión para alimentación de

rectificadores u otras fuentes alternas de energía.

a Desventajas de la protección catódica con corriente impresa

• Requiere potencia externa • Voltaje y corriente de aplicación variable • Mayor capacidad de swninistro de corriente de protección • Aplicable en cualquier medio electrolítico • Puede ser afectado por otros sistemas de protección o la proximidad de líneas electrificadas • Aplicable para grandes áreas de exposición. • Mantenimiento riguroso y caro

a Substancias inhibidons

Definición

Substancias que se agregan en pequeñas cantidades a las fuentes de agua o cualquier otro fluido -liquido o gas-, para disminuir o evitar las reacciones de corrosión.

• Mecanismos de acción • Incrementar la polariz.ación del ánodo. • Incrementar la polariz.ación del cátodo • Incrementar la resistencia eléctrica del circuito por formación de depósitos en la superficie

metálica.

Tipos de inhibidores

• Anódicos (Pasivadores) • Catódicos • Ohmicos • Orgánicos • De Precipitación • En fase vapor

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Inhibidores anódicos

Causan grandes cambios en el potencial de corrosión hacia la región pasiva. En cantidades inadecuadas (generalmente menor a la requerida) pueden provocar "Picaduras" e incrementar la velocidad de corrosión. Dentro de este grupo existen los oxidantes y los no oxidantes. [6] Oxidantes: Actúan en ausencia de oxígeno, como los cromatos, nitratos y nitritos.

No Oxidantes: Requieren de oxígeno, como fosfatos, tungstatos y molibdatos.

Inhibidores catódicos

Disminuyen la velocidad de la reacción catódica dificultando la descarga de hidrógeno ( reducción de H2), o precipitan selectivamente en las áreas catódicas, incrementando la resistencia del circuito y restringiendo la difusión de las especies reducibles.Dentro de este tipo de inhibidores existen tres subtipos que se describen a continuación:

Inhibidores tipo " veneno"

Interfieren con las reacciones de reducción, ( sulfuros, seleniuros, arsénico, bismuto ).Pueden provocar ampollamiento o &agilización por hidrógeno.

Inhibidores de precipitación

Forman precipitados en la superficie catódica, generalmente en función del pH; ( carbonatos de calcio y magnesio, sulfitto de zinc y sales de metales como antimonio, manganeso y níquel).

Inhibidores removedores de oxigeno

Previenen la despolam.ación catódica provocada por el oxígeno, pueden ser inorgánicos (sulfito de sodio, SOi) u orgánicos (hidrazina).

Inhibidores ohmicos

Incrementan la resistencia ohmica del circuito, por la formación de una película sobre la superficie metálica. pueden ser anódicos, catódicos o combinados.

Inhibidores orgánicos

Este tipo de inhibidores afectan la superficie total del metal por absorción sobre él y bloqueando las dos reacciones - anódica y catódica - . Pueden estar "cargados" positiva (aminas) o negativamente (sulfonatos). La eficiencia depende de la acción combinada con halógenos ( cloruros, bromuros, yoduros, fluoruros) y de la estructura y tamaño de la molécula.

Inhibidores de precipitación

Los inhibidores que inducen precipitació~ son compuestos formadores de películas que interfieren con las reacciones anódicas y catódicas.

Los más empleados son del tipo silicatos y fosfatos, los cuales requieren oxígeno para ser eficientes.

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a lnbibidores fase vapor

También llamados inhibidores volátiles de corrosión(VCI), son compuestos que son transportados a los sitios requeridos, por volatilización. En calentadores compuestos alcalinos (morfolina, octadecylamina) transportados a partir de líquidos. En espacios cerrados, como contenedores en barcos, sales de carbonato, benzoato; nitritos, ciclohexilamina o imina de hexametileno son transportados de sólidos.

En contacto con la superficie metálica, el vapor condensa y se hidroliz.a, liberándose en compuesto inhibidor. Los compuestos deben tener una elevada volatilidad, como para llenar todo el espacio dispomble, pero no tan alta como para que se pierda por fuga a través de pequeños espacios abiertos. La compatibilidad con materiales ferrosos debe ser considerada cuidadosamente.

Técnicas de aplicación de los inhibidores

Se clasifican de acuerdo a su aplicación o presentación.

• Inyección Continua • Tratamiento ''Batch" • Volatilización • En recubrimiento • Tratamiento "Esponja"

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CAPITULO 3

MARCO TEÓRICO

3.1 Técnicas Electroquimicas para el Control y Estudio de la corrosión

3.1.1 Resistencia a la Polarización

Introducción

La resistencia a la polarización (Rp) o polarización lineal es una de las técnicas electroquímicas que

ha sido más utilizada en los últimos 50 años. Con el paso del tiempo se han desarrollado herramientas experimentales que son más complejas que la R P , aportan información mecanicista e implican el uso

de instrumentación costosa y sin embargo no han conseguido desplaz.ar a esta técnica de un lugar importante en el ámbito de la ingeniería de corrosión. Ciertamente tiene limitaciones. El conocimiento de las limitaciones de la R P y de sus ventajas y bondades, resultará en un uso correcto y una clara

interpretación de los resultados que se obtengan al aplicar esta técnica en sistemas simples y complejos. Es importante conocer los pormenores de un método electroquímico que se ha empleado para determinar la velocidad de corrosión en sistemas tan diversos como el hormigón, pinturas y hasta en alimentos, lo que es demostración de la versatilidad de la R P •

a Generalidades

Stem & Geary descnbieron que las pendientes guardaban una relación con velocidad de corrosión. Lo cual fue una nueva aproximación experimental al estudio de la electroquímica de los metales.

La ecuación desarrollada por Stem & Geary toma el nombre de los investigadores y se presenta a continuación:

( 3.1)

( 3.2)

Donde:

ba y be son las pendientes de Tafel anódica y catódica, respectivamente, y B la constante para pasar de la proporcionalidad a la igualdad.

La ecuación de Stem y Geary (3 .1) establece la relación entre la densidad de corriente de corrosión Cicorr), es decir, la velocidad de corrosión, con la resistencia a la polarización.

21

Esta ecuación recuerda la conocida Ley de Ohm, donde se establece que la diferencia de potencial entre dos puntos resulta en un flujo de corriente limitado por la presencia de una resistencia.

La constante Ben la ecuación (3.2) sirve para pasar de la proporcionalidad a la igualdad y presenta una relación existente entre la pendientes de Tafel. Queda claro a partir de esta relación, que es indispensable que exista el comportamiento tafeliano en el sistema electroquímico, para que la ecuación de Stem y Geary pueda ser aplicable.

Lo que se debe de hacer es realiz.ar la extrapolación de Tafel para determinar los valores de las pendientes anódica y catódica; en ocasiones basta saber que la velocidad de corrosión está aumentando en función del tiempo, por lo que sería suficiente conocer el comportamiento de la R P contra el tiempo

de manera que, al ser inversamente proporcionales, será muy fácil determinar la variación de icorr·

Por otra parte, se ha observado que la mayor parte de las pendientes de Tafel oscilan ente valores de 60 y 120 mV/ década, de donde se ha optado por hacer una aproximación suponiendo que ambas pendientes tuvieran el segundo valor. As~ se obtiene una B = 26 mV que puede emplearse con reserva, ya que las pendientes del sistema bajo estudio no tienen por qué tener esos valores. En cualquier caso, si se aplica este valor de constante B a un estudio, los valores de velocidad de corrosión serán comparables y éstos serán al menos del mismo orden de magnitud que si se emplearan las pendientes de Tafel reales.

La técnica electroquímica llamada resistencia a la polarización es el resultado de la aproximación de bajo campo a la ecuación de Butler-Volmer y por este motivo, se debe aplicar solamente cuando exista control activacional o por transferencia de carga Posteriormente, se discutirá una aproximación que a nivel ingenieril puede aplicarse si el sistema se encuentra controlado por transporte de masa o difusión. Sin embargo, debe quedar claro, que se trata solamente de una aproximación.

Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicación de la polarización lineal deben estar inmersos en electrólitos conductores, es decir, que la resistividad de las soluciones no sea alta, y deben encontrarse hbres de películas resistivas, pues laRP es una técnica inclusiva que globaliza

todas las contribuciones resistivas y no alcanza a discriminarlas. Si se trabaja con sistemas altamente resistivos, se recomienda mejor que la R P , el uso de la espectroscopia de impedancia electroquímica.

La aproximación de bajo campo implica que, aunque el sobrepotencial y la corriente se relacionan a través de una ecuación que implica la diferencia entre dos exponenciales(ec. Butler-Volmer), en la inmediación del potencial de corrosión se puede asumir que el comportamiento es lineal. Por supuesto, esta supuesta linealidad no existe en esa zona de la curva E-1, por lo que es bueno recordar que la RP

también se ha definido como:

R = [(aE)] p can J-40

( 3.3)

O bien

22

(3.4)

O dicho en otras palabras, la tangente a la curva de polarización evaluada en el potencial de corrosión o cuando la corriente tiende a cero.

o Difusión

En los sistemas electroquímicos controlados por difusión, se presenta un fenómeno especial en el que la corriente catódica se ve limitada por la concentración de los reactivos catódicos, es decir, por el transporte de masa a través del electro lito ( difusión). En esas condiciones, lo mejor seria no emplear esta técnica, pero la tentación de utilizar un método tan rápido y sencillo es muy grande y se ha realiz.ado una aproximación que se muestra a continuación. Es importante recordar que se trata de una aproximación y que los resultados obtenidos con ella, solo pueden ser un indicativo de los valores de velocidad de corrosión que se tendrían determinados por otros métodos más adecuados en las condiciones planteadas.

Cuando hay control difusional, se dice que se tiene una corriente límite, con una pendiente de Tafel catódica que tiende a infinito. La ecuación de Sterm-Geary se ve reducida a la siguiente expresión:

b lcorr = a

(2.303xRP) (3.5)

o Procedimiento experimental

• Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la polarización, el procedimiento a seguir es el descrito por la nonna, ASTM G 59-91.Los pasos a seguir de acuerdo con la norma son lo:, siguientes:

• Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie del electrodo de trabajo.

• Registrar el potencial de corrosión después de 5 minutos. • Aplicar un potencial 30mV más negativo que el potencial registrado • Un minuto después de que se aplique el potencial, se inicia un barrido en dirección anódica a

0.6 V/h (lOmV/min), registrando el potencial y la corriente continuamente. • Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV más positivo que el potencial de

corrosión. • Graficar la curva de polarización. • Determinar gráficamente la resistencia a la polarización, R r, como la tangente a la curva en el

origen de la gráfica (AE = O).

23

o Consideraciones experimentales

Como se indicó en la sección anterior, la perturbación puede realizarse en potencial registrando la respuesta en corriente. La curva de polarización lineal puede obtenerse de manera potenciostática aplicando escalones equipotenciales y esperando a que se alcance el estado estacionario antes de registrar la respuesta en corriente. La función de transferencia entre estímulo y respuesta es la R P • Si

por el contrario se realiza la curva de manera potenciodinámica, se puede aplicar la metodología descrita en inciso anterior. Varios detalles de esta metodología se discutirán en apartados posteriores.

No se acostumbra realizar la perturbación en corriente y registrando el potencial ( galvanostática o galvanodinámica), sin embargo este tipo de perturbación es muy útil cuando se tiene un sistema en el cual el potencial no es estable. En las curvas potenciostáticas y potenciodinámicas, es indispensable determinar el potencial de corrosión y que éste sea estable. Cuando el sistema presenta una deriva importante, se recomienda realizar una perturbación en corriente. Sin embargo, aunque en la literatura se menciona esta posibilidad, no se habla acerca del intervalo en el cual se puede considerar la validez del bajo campo.

Lo mejor serla correr una prueba preliminar de RP de manera potenciostática para determinar el orden

de magnitud de la corriente y con base en este dato, detenninar la perturbación que llevará a mantener la linealidad indispensable en esta técnica.

o Ventajas de la R P

• Se trata de una técnica no destructiva pues emplea bajas perturbaciones.

• Proporciona velocidad de corrosión instantánea.

• No hace falta instrumentación muy sofisticada pues solamente se necesita un potenciostato y, en consecuencia, es una técnica económica.

• Para aplicar la metodología no hace falta personal altamente especializado.

o Limitaciones de la R P

• Es necesario que el potencial sea estable.

• Caída ohmica en sistemas altamente resistivos.

• Es necesario seleccionar una velocidad de barrido adecuado.

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a Velocidad de barrido

Mientras que la nonna ASTM sugiere 0.6 V/ h, en la práctica se sugiere que la máxima velocidad de barrido tiene que ser seleccionada en función de una frecuencia característica correspondiente con el "break point" en baja frecuencia en un diagrama de Bode, lo que implicaría que para efectuar la prueba de RP no bastaría con hacer el ensayo, sino que a las pruebas paralelas de extrapolación de Tafel para

determinar las pendientes, habrá que efectuar una prueba de Espectroscopia de Impedancia Electroquímica. En la siguiente ecuación se menciona que en función de la constante de tiempo depende del valor de la resistencias del electrolito y a la polarización y de la capacitancia de la doble capa electroquímica.

1 1

; = [(Ru x e)+ 1(Rp x cJ] (3.6)

Townley asegura que este método subestima la máxima velocidad que se puede emplear. Sugiere emplear la primera frecuencia de "break point" ( no la segunda como Mansfeld y Kendig) y medir la RP no en I=O, sino al final del barrido, sugiriendo que éste sea de 30 mV.

Existe un análisis de series de Fourier, demostrando que cuando las sefiales se hacen variar lentamente, una vez que desaparecen los transitorios, la intensidad y el voltaje están en fase. En otras palabras, habría que hacer muy lento el barrido de potencial. Este investigador define el concepto de R P

aparente, es decir, la R P que depende de la velocidad de barrido en contraposición con la R P real que

sería aquella que no cambia con la velocidad de barrido. El análisis de series de Fourier demuestra también que la histéresis en altas velocidades de barrido de potencial se refleja en un descenso en la R P aparente.

a No linealidad

Y a se ha mencionado anteriormente que la supuesta linealidad entre el potencial y la corriente en realidad no existe. Se puede discutir que la no linealidad invalidaría el empleo de la ecuación de Stem­Geary, pero no ocurre de esta manera de acuerdo con lo mencionado en la literatura. Cabe mencionar además, que en la literatura se manejaron hace años varios programas de cómputo que permitían el cálculo de las pendientes de Tafel a partir de datos pretafelianos ( no lineales).

3.1.2 Técnica de Extrapolación de tafel o de intersección

Si la concentración de los reactivos y de los productos es uniforme en el electrolito, la ecuación de Butler-Volmer toma la forma

J = joexp(: )- joexp(;) (3.7)

Donde pa y pe, son los coeficientes de Tafel anódico y catódico respectivamente:

25

f3a = RT anF

Donde:

(3.8) f3c = RT (1-a)nF

a = Coeficiente de transferencia de carga de la reacción de oxidación.

NF = Transferencia de carga

(3.9)

Esta ecuación se aplica a las reacciones electródicas en las cuales la velocidad está controlada por el proceso de transferencia de carga en la interfase electrodo / electrolito. Esta situación se conoce a menudo como control por activación o control activacional y el sobrepotencial correspondiente como sobrepotencial de activación, TIA·

El valor de los coeficientes de Tafe~ pa y pe, depende del mecanismo de las reacciones que tiene lugar en los electrodos, los cuales comprenden muy a menudo varias etapas. Sin embargo, no es necesario conocer este mecanismo para poder utilizar la ecuación de Butler-Volmer, ya que ésta describe la cinética del proceso de transferencia de cargas de una manera global, independientemente del mecanismo, a partir de tres magnitudes fácilmente medibles: jo, Pa y Pe·

Las siguientes fórmulas definen los coeficientes de Tafel anódico y catódico.

dE f3a = din (3.10)

CJ Rectas de Tafel

dE /Je= - dlnijc 1

(3.11)

Para determinar experimentalmente los parámetros cinéticos jo, Pa y Pe, es recomendable una representación gráfica en la que la densidad de corriente esté en una escala logarítmica, ya que así se pone en evidencia la relación lineal existente entre el log j y el sobrepotencial, TI, especialmente cuando este último, en valor absoluto, tiene un valor grande.

Se denomina región ó dominio de Tafel anódico ( Zona Tafeliana), aquella región en la cual el

ar¡>> 1 potencial que corresponde P . La ecuación se convierte en:

i=i, =io exp(;) (3.12)

Tomando logaritmos se obtiene:

(3.13)

Pasando a logaritmos de base diez y definiendo las constantes de Tafel anódicas, ªª y ha se obtiene la ecuación de Tafel de una reacción anódica, también llamada recta de Tafel anódica:

26

r¡ = ªª + ba log j

aa = - 2.303 ~ª lnjo

ba = -2.303 ~a (3.14)

De manera análoga, para el dominio catódico de Tafel , !L <<1: f3c

Lo cual pennite expresar las constantes de Tafel catódicas, ac y be de la ecuación de Tafel de una reacción catódica:

ba = -2.303 ~a

Las ecuaciones de Tafel describen los límites anódicos y catódico de la ecuación de Butler-Vohner. Su descubrimiento a principios del sigo XX, en el afio de 1904, por Tafel al estudiar el comportamiento del sobrepotencial para la reacción de desprendimiento de H2 en función de la densidad de corriente, precedió durante muchos años a la ecuación de Butler- Vohner.

Cuando se obtiene una curva de polarización experimental, la extrapolación de la recta que aparece en el dominio Tafeliano al valor del potencial de equilibrio, pennite detenninar la densidad de corriente de intercambio, j0• El inverso del valor de la pendiente de estas rectas proporciona el valor de los coeficientes de Tafel, ~ª y ~e·

IJ Método de extrapolación de Tafel o de intersección

Para polarizaciones suficientemente grandes

> RT T/- aNf o bien

RT - 11 > --,---~---· -(1-a)nF

(3.15)

La ecuación general de Wagner y Traud se reduce a las ecuaciones de las semireacciones anódica y catódica que corresponden con las rectas de Tafel respectivas, con pendientes

b = 2.3RT ª anF

o bien b = -2.3RT e (1-a)nF

(3.16)

Entonces, para un sistema metal/ electrolito dado,jcorr tiene un valor determinado y el primer término del segundo miembro puede englobarse en la constante a de la ley de Tafel.

En las proximidades de Ecorr, para polarizaciones pequeñas, los procesos anódicos y catódicos se influyen mutuamente y las curvas de polarización experimentales se apartan del curso semilogarítmico previsto por la ley de Tafel. Sin embargo, para 11 = O (es decir, cuando E= Ecorr), de cualquiera de las ecuaciones resulta:

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Ja = jjcl = Jcorr

lo cual permite determinar la iorr buscada sin más que extrapolar cualquiera de las rectas de Tafel obtenidas a polarizaciones grandes hasta el valor E= E corr.

La principal ventaja y desventaja de este método, derivado en principio por Wagner, Traud, Evans y Hoar, y que tiene gran aplicación práctica, reside en la necesidad del traz.ado completo de las curvas de polarización que por una parte posibilita un análisis electroquímico de la cinética del proceso de corrosión y, por otra, puede dar lugar a modificaciones de la superficie del electrodo por efecto de las elevadas polarizaciones aplicadas.

Inversamente, si se llega a una concordancia entre los valores de las velocidades de corrosión derivadas de los ensayos gravimétricos de pérdidas de peso y las obtenidas con la utiliz.ación de este método, puede concluirse que el proceso de corrosión se realiza según un mecanismo electroquímico característico.

El cálculo de la velocidad de corrosión por el método de extrapolación de Tafei conocido también como método de intersección, se basa en la extrapolación de la zona lineal o de Tafel en un diagrama experimental E vs log j. Según este método se puede obtener la jcorr sin más que extrapolar cualquiera de las rectas de Tafel hasta el valor de Ecorr· En la práctica, muchos sistemas de corrosión están controlados cinéticamente por la polarización de activación y obedecen por tanto a la ecuación de Butler - Volmer. Si éste es el caso, la representación gráfica del logaritmo de la corriente respecto al potencial aplicado debe presentar un comportamiento lineal (Tafeliano) en sentido anódico y catódico que indica precisamente el control cinético del sistema bajo estudio. Sin embargo, puede existir complicaciones, como por ejemplo:

1. Polarización por concentración, cuando la velocidad de la reacción está controlada por la velocidad a la que llegan las especies reactivas a la superficie metálica. A menudo las reacciones catódicas presentan una polarización por concentración para altos valores de corriente, cuando la difusión del 02 o de los iones Ir no es lo suficientemente rápida como para mantener un control cinético activacional.

2. La formación de óxidos, los cuales pueden llevar o no a la pasivación del metal, pero alteran la superficie de la muestra metálica ensayada. El estado de la superficie puede afectar los valores de las constantes de la ecuación.

3. Otros efectos que pueden modificar la superficie, tales como la disolución preferencial de un componente de una aleación son también causa de problemas.

4. Un control mixto del proceso de corrosión cuando más de una reacción, anódica o catódica, pueden ocurrir simultáneamente, puede complicar el modelo. Un ejemplo de control mixto es la reducción simultánea del 02 y Ir .

5. Por ultimo, otra causa de error en el modelo cinético controlado únicamente por activación necesario para la validez de la ecuación de Tafel es la caída de potencial que tiene lugar como resultado del paso de la corriente que circula por la celda a través de la resistencia eléctrica del electrolito de la misma celda. Si este efecto no es muy severo puede llegar a corregirse

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(compensarse) con el dispositivo de compensación de IR del propio potenciostato. Finalmente, las caídas de potencial resultado del paso de una corriente a través de la resistencia de la solución en la celda produce errores en el modelo cinético. Este último efecto, si no se muy severo puede ser corregido mediante la compensación IR del propio potenciostato.

En muchos casos, las complicaciones como las indicadas anteriormente , pueden ser la causa de la no­linealidad en las gráficas de Tafel que no tenga una bien definida región lineal deben ser utiliz.ados con mucha precaución.

Como ya se ha indicado anteriormente, el análisis clásico de Tafel se lleva a cabo mediante la extrapolación de la porción lineal de la curva de polarización(log j vs E), anódica y/o catódica, al valor del potencial de corrosión. El valor tanto de la corriente anódica como de la catódica en la intersección, es decir la correspondiente al E com es I corr. Desafortunadamente, los sistemas de corrosión reales no presentan, muy a menudo, en sus curvas de polarización, una región lineal lo suficientemente extensa que permita una extrapolación con garantías. La mayoría de los equipos modernos disponen de un software adecuado para este tratamiento. En los equipos comerciales, los valores experimentales se ajustan a la ecuación de Butler - Volmer, modificando los correspondientes valores del Ecorr, lcorr, ha, y be, Este método de ajuste de la curva tiene la ventaja que no requiere una bien definida porción lineal en la correspondiente curva de polarización.

3.1.3 La técnica de ruido electroquímico

o Introducción

Ruido es un término común que significa interferencia, en términos científicos es aquello que no puede ser explicado con relación a la variabilidad de las mediciones obtenidas en un experimento. Sin embargo, esto no quiere decir que no contenga información.

En el estudio del ruido electroquímico no se trata con señales audibles, sino con oscilaciones en el potencial y corriente electroquímicas. El ruido electroquímico en potencial se define como las oscilaciones estocásticas del potencial electroquímico de un electrodo respecto a un electrodo de referencia, mientras que el ruido electroquímico en corriente es la oscilación estocástica de una corriente electroquímica. La medición del ruido electroquímico es relativamente simple, aunque lo importante es la obtención de la información relevante que puede ser en muchos casos más problemática.

o Medición de ruido electroquímico

La medición del ruido electroquímico de potencial y corriente puede acres de manera simultánea. El ruido en potencial se realiza a través de la medición de las oscilaciones del potencial de corrosión respecto a un electrodo de referencia, o bien de un electrodo nominalmente "idéntico". El ruido en corriente se obtiene midiendo las oscilaciones de la corriente entre dos electrodos idéntico o de un solo electrodo bajo control potenciostático.

La medición simultánea permite obtener por analogía con la Ley de Ohm la resistencia de ruido electroquímico y mediante análisis espectral la impedancia de ruido electroquímico.

29

Esta resistencia es equivalente a la resistencia de polarización, y en ella se incluyen oscilaciones debidas a la transferencia de carga ( cinética electroquímica), o bien por ejemplo oscilaciones de la resistencia de la solución debidas a la nucleación, crecimiento y desprendimiento de burbujas.

o Características del ruido electroquímico

Las características del ruido electroquímico varían frecuentemente a lo largo del tiempo, siendo por esto la señal no estacionaria. La mayor información se obtiene de las oscilaciones de baja frecuencia (menor de 1 O Hz). La amplitud de las oscilaciones es pequeña, siendo su desviación estándar del orden de µ V a m V para el ruido electroquímico en potenciai y de nA a µA para el ruido electroquímico en corriente. El límite inferior de sensibilidad está determinado por el ruido del instrumento. Considérese un sistema de dos electrodos de acero inmersos en una solución de cloruro de sodio. Se mide el ruido en potencial entre un electrodo de acero y un electrodo de referencia de calomel. El ruido en corriente se mide entre dos electrodos a través de un amperímetro de resistencia cero, suponiéndolo ideal (sin caída de vahaje), comportándose los dos electrodos de acero utilizados para medir la corriente efectiva, como un solo electrodo del doble del área de uno de ellos.

o Información del ruido electroquímico

Para efectos de análisis las gráficas obtenidas se pueden dividir por lo menos en dos partes el comportamiento registrado y presente en las series de tiempo. La primera parte es el comportamiento para período largo que consiste en un decaimiento transitorio o corrimiento de la señal de potencial, a medida que se desarrolla el producto de corrosión o película sobre la superficie la cual suministra una barrera creciente al oxígeno.

La segunda parte o característica de la serie de tiempo presenta oscilaciones a una escala de tiempo menor en su estructura. Ciertamente la primera parte contiene información acerca del proceso de corrosión, pero debe tenerse cuidado al utiliz.ar muchos de los métodos de análisis estadísticos que suponen que las propiedades del sistema son constantes en el tiempo, lo cual no es el caso para un comportamiento transitorio.

La oscilaciones de potencial y corriente para periodos más cortos de tiempo, son el verdadero ruido electroquímico, pero aún aquí las propiedades del ruido cambiarán con el paso del tiempo cuando la película de productos de corrosión se desarrolle.

En el caso del acero en solución salina no existe una estructura definida en el ruido, ni que procesos fisicos lo están produciendo. Mientras la reacción de corrosión en este caso la controla el transporte de oxígeno a la superficie metálica, las causas probables del ruido observado se pueden asociar con fluctuaciones en el transporte de oxígeno. Se puede observar esto, si se rasga la superficie de uno de los electrodos con un instrumento punzante. Notar que las escalas en la gráfica son muy diferentes; que es por lo que el ruido electroquímico de fondo parece diferente.

Así como se demuestra el posible papel que juega el transporte de oxígeno en la generación de ruido electroquímico, también ejemplifica que es muy sencillo que influencias externas produzcan efectos en la señal de ruido registrada

El ruido electroquímico pennite obtener información acerca de la cinética de reacción, o sea la velocidad de corrosión; siendo posible la identificación del tipo de corrosión ya sea: uniforme,

30

generalizada o localizada. Además es posible obtener infonnación acerca de los mecarusmos de reacción.

o Técnicas de Registro

La técnica analógica de registro continuo más sencilla es simplemente utiliz.ar un graficador, aunque este enfoque es limitado ya que no es posible el análisis de la señal. Otro enfoque es el de la adquisición dis~reta de datos muestreados, con la utilización de técnicas digitales. El ancho de banda de la sefial está limitada en altas frecuencias por el llamado limite de Nyquist que es la mitad de la

frecuencia de muestreo (f11111X = - 1-); y en bajas frecuencias por el inverso del tiempo de duración de

21).T la serie de tiempo, o sea el inverso del número de muestras multiplicado por el período de muestreo (f

= - 1-). Se puede obtener infonnación redundante en altas frecuencias por el muestreo demasiado

N!).T rápido ("aliasing"), requiriendo la señal un filtrado antes de realizar el muestreo. Se requiere un tratamiento antes de analizar la seftal. Este consiste en remover el corrimiento en DC mediante el ajuste de una recta por el método de mínimos cuadrados.

Señales estacionarias

La primera división natural de todas las sefiales es en las categorías estacionarias y no estacionarias. Las señales estacionarias son constantes en sus parámetros estadísticos sobre tiempo. Si uno observa una seiial estacionaria, durante unos momentos y después espera una hora y vuelve a observar, esencialmente se vería igual , eso es, su nivel general seria casi lo mismo y su distribución de amplitud y su desviación estándar serian casi lo mismo. La maquinaria rotativa generalmente produce sefl.ales de vibración estacionarias.

Señales no estacionarias

Señales no estacionarias se dividen en continuas y transientes. Ejemplos de seiiales no estacionarias continuas son la vibración producida por una perforadora manual, y el sonido de fuegos artificiales. Transientes se definen como señales que empiezan y terminan al nivel cero y duran una cantidad de tiempo finita. Pueden ser muy breves o bastante largos. Ejemplos de transientes son un golpe de un martillo, el ruido de un avión que pasa, o la firma de vibración de una máquina arrancando o tenninando de funcionar.

Métodos Estadisticos

Los métodos estadísticos simples tratan a la serie de tiempo como una colección de potenciales o corrientes individuales, ignorando la relación entre un valor y el siguiente( muestra de la población). La serie de tiempo está definida completamente por la distribución de sus valores. La media o promedio es el más común de los parámetros, y el potencial promedio no se considera como parte del ruido electroquúnico, aunque se utiliza para calcular otros parámetros de interés como el de corrosión localiz.ada. Las fluctuaciones de la media en largos periodos de tiempo están directamente relacionados a cambios en los procesos de corrosión. El ruido en corriente teóricamente presentaría un valor de cero entre dos electrodos idénticos. En la práctica esto no es así, debido a pequeflas diferencias en su comportamiento frente a la corrosión.

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La desviación estándar es simplemente la raíz cuadrada de la vari~ y su cálculo e interpretación es básicamente la misma. Es un parámetro más comúnmente utilizado y habla del ancho del trazo de la señal o dispersión de los datos de ruido. La raíz cuadrática media (rms) es la raíz cuadrada del valor promedio del cuadrado del potencial o corriente (sin substraer la media). Es la medida de la potencia disponible de la seflal, incluyendo el efecto de o del promedio de potencial o corriente. La rms, varia.nz.a y desviación estándar están relacionadas por lo que no se necesitan calcular las tres.

El sesgo (skew) es la medida de la simetría de la distribución. Un valor de cero implica una distribución simétrica alrededor de la media, mientras que un valor positivo indica un sesgo en dirección positiva y un valor negativo un sesgo negativo respecto a la media. Una serie de tiempo que presenta transientes unidireccionales presentará un sesgo cargado en una dirección, y esto es una medida útil para transitorios asociados a picaduras metaestables. La medida del sesgo en corriente indica: si es unidireccional que sólo un electrodo está activo, y si es bidireccional ambos lo están.

La kurtosis es una medida de la forma de la distribución comparada con la distribución normal. Una kurtosis de cero implica una forma similar a la distribución normal(pero no necesariamente una distribución normal), mientras que un valor positivo implica una forma con mayor pico y un valor más negativo una forma más plana. En términos generales el ruido electroquímico no presenta una forma o distribución normal, o sea presenta sesgo y kurtosis.

El coeficiente de variación o variabilidad es la desviación estándar dividida por la media y es la medida de la cantidad de ruido comparada con la media Para algunos procesos estocásticos se espera que sea constante. No es de extrañar que pueda ser un indicador del tipo de proceso, utilizándolo con las corrientes de corrosión aunque tratando las reacciones anódicas y catódicas separadamente. En consecuencia la corriente promedio que dividimos, es la suma de las magnitudes de las dos corrientes (2Icorr); y no la diferencia entre ellas, que se miden como corrientes galvánicas acopladas.

A partir de las desviaciones estándar de potencial y corriente, por analogía con la ley de Ohm se calcula la mal llamada resistencia de ruido y equivalente a la resistencia de polariz.ación . Se relaciona con la velocidad de corrosión total uniforme o generalizada. La resistencia de ruido incorpora fluctuaciones de la resistencia de la solución, a pesar de que no se aplica una corriente a la celda. Por lo tanto, se puede obtener en soluciones de alta resistividad.

[J Dominio de la Frecuencia

El estimado espectral es el proceso de cálculo de la potencia presente en varias frecuencias en un registro infinito de datos. Cuando se analizan las frecuencias presentes en una señal compleja, se dividen las potencias entre las varias frecuencias. La gráfica de potencia en función de la frecuencia se conoce como espectro en potencia.

Existen dos métodos utilizados para la estimación del espectro en potencia en estudios de ruido electroquímico: La transformada de Fourier y el método de máxima entropía. El primero produce un espectro ruidoso mientras que el segundo produce un espectro más liso, siendo ambos equivalentes.

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CAPITULO 4

SISTEMA DE CONTROL

4.1 Selección del sistema de control

Después de haber definido el arreglo de la celda de experimentación, haber corrido pruebas mediante los diferentes tipo de caracterización de dafio por corrosión, con el par metal - electrolito seleccionado, se tiene identificados las señales características que identifican el estado del material, es decir, en esta etapa de la investigación, resultado de las diversas pruebas se tiene evidencia suficiente que aporta información acerca de la señal característica cuando el material se encuentra en el electrolito sin la adición de inhibidor y el material aún no presente dafio. Otra señal que se ha identificado, es cuando en presencia de electrolito después de un tiempo con una condición diluida del inhibidor, el material dará una seflal en la que existirá evidencia de daño por corrosión. Esta última sefia es la que reviste mayor importancia para nuestro estudio, ya que en adelante se tomará de referencia para avisar al sistema de control seleccionado que es momento de aplicar una cantidad determinada de inhibidor, la cual se pretende regrese al material a su condición en donde no exista presencia de daño por corrosión.

A continuación se describe la teoría y elementos necesarios que se requieren para establecer un sistema de control industrial.

4.2 Teoría de control

La forma usual de un control automático es un control retroalimentado en lazo cerrado, el cual se define como ''una operación que en presencia de la influencia de los disturbios o perturbaciones tiende a reducir la deferencia entre el estado real de un sistema y un estado deseado que varía arbitrariamente y que constituye la base de esta diferencia". Las teorías generales y las definiciones de control automático han sido desarrolladas para ayudar al diseñador a satisfacer principalmente tres especificaciones básicas para el comportamiento del sistema de control, que son estabilidad, precisión y rapidez de respuesta. [ 4]

4.2.1 Control en lazo abierto

El control en lazo abierto suele aparecer en dispositivos con control secuencial, en el que no hay una regulación de variables sino que se realizan una serie de operaciones de una manera determinada. Esa secuencia de operaciones puede venir impuesta por eventos o por tiempo. Se programan utilizando un controlador lógico programable.

4.2.2 Control de lazo cerrado

Operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia. Esta reducción se logra manipulando alguna variable de entrada del sistema, siendo la magnitud de dicha variable de entrada función de la diferencia entre la variable de referencia y la salida del sistema

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a Evitar los daños al proceso o a la máquina debido a los recorridos excesivos de la variable controlada más allá del especificado por la señal de mando.

a Evitar el tiempo excesivo de estabilización asociado con sistemas muy débilmente amortiguados.

Es obvio que cantidades limites exactas en general no pueden especificarse para la magnitud de este sobretiro. Sin embargo, la experiencia indica que generalmente puede obtenerse un funcionamiento satisfactorio, si el sobretiro se limita a 30 %. [1]

4.2.3 Transitorios que producen perturbaciones

Un control automático normalmente sólo tiene dos lugares donde puede esperarse perturbación, a la entrada o en la carga. Para un sistema puramente mecánico las perturbaciones a la entrada pueden tomar la forma de una oscilación periódica, un desplazamiento, una velocidad o una aceleración. Las perturbaciones a la salida son, en genera~ cambios en la carga, expresados como un momento o una fuena. Los sistemas no mecánicos tienen perturbaciones expresadas en cantidades diferentes; sm embargo, son directamente análogos a los sistemas mecánicos. [15]

4.2.4 Frecuencia del transitorio

Un sistema no amortiguado oscila alrededor de su condición final de estado estable con una frecuencia de oscilación la cual debe ser tan alta como sea posible a fin de minimiz.ar el tiempo de respuesta. Sin embargo, el disefiador debe evitar las condiciones de resonancia donde la frecuencia de las oscilaciones transitorias esté cerca de la frecuencia natural del sistema o de sus partes componentes. [ 15]

4.2.S Respuesta a la frecuencia

Aunque en los sistemas de control es el tiempo de respuesta lo de mayor importancia, el estudio del efecto de las variaciones de los parámetros del sistema sobre la respuesta transitoria, tanto en los procesos como en el contra~ es más conveniente hacerlo a partir de un análisis de respuesta a la frecuencia del sistema. La respuesta a la frecuencia de un sistema es la salida en el estado estable del sistema debida a una entrada senoidal de frecuencia variable. La salida para un sistema lineal puede describirse completamente en términos de la razón de amplitud de la salida senoidal a la entrada senoidal y la fase de la salida senoidal a la fase de la entrada senoidal. La razón de las amplitudes o ganancia y de las fases son funciones de la frecuencia de la entrada senoidal. Para propósitos de análisis del sistema, la función de respuesta a la :frecuencia es más útil que la de lazo cerrado. A continuación se analizan los medios para obtener la respuesta a la frecuencia del lazo cerrado y la evaluación del comportamiento transitorio a partir de la respuesta a la frecuencia en lazo abierto.

La respuesta a la frecuencia puede obtenerse analíticamente a partir de las funciones de transferencia de las componentes o del sistema, sustituyendo s, el operador de !aplace s= cr +jro.

La respuesta a la frecuencia también puede obtenerse experimentalmente en los sistemas que no son fácilmente tratables desde el punto de vista del análisis matemático, sujetando el sistema a entradas senoidales de frecuencia variable.[4]

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4.2.6 Estabilidad y comportamiento de un control automático

La estabilidad de un sistema puede evaluarse examinando las raíces de la ecuación diferencial que describe el sistema. Para sistemas lineales, la presencia de raíces reales positivas o de raíces complejas con partes reales positivas determina la inestabilidad del sistema. En cualquier prueba de estabilidad que utilice la función de transferencia de lazo abierto o su gráfica se debe aplicar este hecho como base de la prueba. Considerando la naturaleza y características que existen en un sistema de control, es necesario para llevar acabo el diseño del dosificador de inhibidor alguna opción de control industrial que tenga las características técnicas necesarias para poder adquirir la señal emitido por el material, luego procesarla, y finalmente entregue una señal de salida que retroalimente al dispositivo dosificador de inlubidor "bomba". En la actualidad existen controladores que por sus características cumplen con los requerimientos necesarios para la aplicación que se desea realizar, y son conocidos como microcontroladores. [ 1]

4.2. 7 Arquitectura de los microcontroladores contra procesadores

Procesador

Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de Von Neumann. Esta última se caracterizaba porque el CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses.

CPU

MEMORIA

INSTRUCCIONES Y DATOS

Fig 4.1 Arquitectura Von Neumann

En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos.

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+- --+ MEMORIA DE CPU MEMORIA DE

INSTRUCCIONES DATOS +- --+ ~ , t--1-

Fig. 4.2 Arquitectura Harvard

El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequefio y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción.

Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento de la unidad de procesamiento es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.

Memoria de programa

El microcontrolador está disefiado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes:

- ROM: con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste. - EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlado por una PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado. - OTP: su proceso de grabación es similar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idóneas para productos finales. - EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también

es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de escritura y su consumo es elevado. - FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas úhimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener

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instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash.

Memoria de datos

Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil.

Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información.

Líneas de entradas y salidas

A excepción de dos patitas destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla.

Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como el I2C, el USB, etc.

Recursos auxiliares

Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos más comunes se citan los siguientes:

- Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. - Temporiz.adores, orientados a controlar tiempos. - Perro Guardián o WatchDog: se emplea para provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. - Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. - Sistema de protección contra fallos de alimentación -Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo.

Programación de microcontroladores

La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina ( de bajo nivel) representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida.

Los lenguajes de alto nivel más empleados con microcontroladores son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e interpretes para diversas familias de microcontroladores. En el caso de los PIC es muy competitivo e interesante el compilador

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de C PCM de la empresa CCS y el PBASIC de microLab Engineerign, ambos comercializados en Espafla por Mircosystems Engineering.

Hay versiones de interpretes de BASIC que permiten la ejecución del programa línea a línea, y en ocasiones, residen en la memoria del propio microcontrolador. Con ellos se puede escribir una parte del código, ejecutarlo y comprobar el resultado antes de proseguir.

4.3 Ciclo de programa

La ejecución de un programa dentro de un microcontrolador sigue un esquema cíclico totalmente diferente al que se sigue, en la ejecución de un programa en una computadora personal.

Un ciclo de programa se compone de los siguientes pasos:

4.3.1 Operaciones de gestión del sistema

Consiste en el tratamiento de las informaciones y de los bits del sistema. El tratamiento de las peticiones y las llamadas efectuadas por la terminal de programación y envío de mensajes al terminal.

4.3.2 Lectura del estado de las entradas

La lectura del estado de las entradas consiste en la lectura de los registros intermedios de los módulos de entrada y el volcado de estos valores en la memoria de imágenes de entrada. Esta memoria de imágenes de entrada no será actuali:roda hasta el siguiente ciclo de programa. La lectura de las entradas no consiste en la conversión de la tensión 0 .. 24 Voltios en una sefial 0 . .1 binaria, ya que eso lo realiz.a el módulo de entradas de forma independiente de la Unidad Central del PLC. El módulo de entradas vuelca los valores en su registro, en donde son leídos por la Unidad Central y volcados en la memoria de imágenes de entrada. [ 15]

4.3.3 Ejecución del programa del control lógico programable

Empez.a.ndo por la primera instrucción y siguiendo linealmente hasta la última a menos que se efectúe un salto hacia atrás del programa. Durante esta ejecución no se considera una posible variación en el estado de las entradas. El estado de las entradas se toma de la memoria de imágenes de entrada y el estado de las salidas se toma de la memoria de imágenes de salida. El estado de los temporizadores, contadores etc. Se toma de sus correspondientes registros internos. Una vez ejecutada la última instrucciones escriben los resultados sobre los temporizadores, contadores, memoria de imágenes de salida.[4]

4.3.4 Escritura de las salidas

Se transfiere la memoria de imágenes de salida a las salidas del autómata. La unidad central transfiere el valor de los objetos salida a los registros de los módulos de salida. En los módulos de salida, las señales binarias son convertidas en aperturas o cierres de microcontactos, en presencia de O o 5, 12 Volts. Las señales numéricas son convertidas en tensión o intensidad. Si en un ciclo de programa se realizan dos operaciones sobre un objeto salida, la única operación válida será la última. El último valor que tome el objeto de salida será el escrito en el registro del módulo de salidas. Durante el tratamiento del programa no se escriben los valores de los objetos de salida en los registros. [16]

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4.3.5 Consideraciones en torno a la ejecución del ciclo de programa

El ciclo de un autómata debe ser ejecutado lo más rápido posible. Un tiempo de ciclo de más de cien milisegundos no es admisible. El tiempo de reacción del autómata ante la variación de una entrada y la consiguiente actualización de las salidas puede ser de hasta el doble del tiempo de ciclo, es decir 200 ms. Lo cual es aceptable. En el caso de un móvil que se desplace a un metro por segundo, la precisión de la parada cuando toca un final de carrera puede ser superior a 20 cm si se tiene en cuenta la inercia del móvil .. Los tiempos de ciclo deben ser inferiores a 50 ms. En caso de que sea superior, el microcontrolador no es lo bastante potente para ejecutar la aplicación, lo más recomendable en ese caso sería elegir un CPU mas rápida o si se puede dividir la zona automatizada en submáquinas y dedicar dos o más micros para controlar el sistema.

En un programa de micro un ciclo se ejecuta detrás de otro, si se compara con la programación de un lenguaje de aplicaciones de ordenador tipo Pascal o Basic, se podría asemejar a la ejecución de un bucle infinito. No es recomendable en una aplicación de microcontrolador utilizar estructuras de programación que supongan la repetición de instrucciones como puede ser FOR NEXT, REPEAT, UNTIL o WHILE , DO. Tampoco es recomendable efectuar saltos hacia atrás en el programa. La repetición de instrucciones en un bucle impide al micro llegar a final de ciclo y actualizar las salidas, por lo que es posible que salte el Watchdog. Si se programan estas estructuras iterativas deben realizar muy pocos bucles en un ciclo de programa.

Después de comentar y describir la arquitectura, lógica de funcionamiento, capacidad y velocidad de respuesta, encontramos que el uso de un micro , es una opción adecuada ya que su lógica de funcionamiento coincide con los elementos con los que disponemos. El potenciómetro es el que emite la señal de entrada que requerimos, posteriormente el micro se encargara de procesar las señales y determinara en función del listado de programa que se programe , la instrucción de salida hacia el dispositivo que este realizando la dosificación del inhibidor al sistema. [ 15]

4.4 Sistema de control seleccionado

El microcontrolador seleccionado para desarrollar el sistema de control fue el Basic Stamp 2~IC. Ya que es un micro relativamente fácil de programar, por sus características técnicas es ideal para adquirir las señales de vohaje emitidas por los materiales que se pretenden estudiar. A demás cuenta con la capacidad de emitir señales de fuerza que alimentan a componentes de salida, como es el caso de servomotores, que para el propósito de nuestra investigación esta característica es ideal para simular a escala el arreglo a nivel industrial que proponemos.

4.4.1 Arquitectura del Basic Stamp 2

Esta configuración esta diseñada para alojar 3 modelos de microcontroladores que son el BS2-IC, BS2e-IC y BS2sx-IC. Esta configuración incluye un conjunto de clemas para el conexionado rápido de prototipos o circuitos de complejidad media. Esta configuración se muestra en la figura 4.3

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Fig. 4.3 Proto Board [ 22]

Esta tarjeta cuenta con un conector de programación DB9, un botón de Reset, un regulador de voltaje de 5 Volts. Conectores auxiliares para el control de 4 servo motores. Todo el arreglo es alimentado mediante una pila de 9 Volts.

4.4.2 Montaje del microcontrolador en la tarjeta de educación

Como se muestra en la figura 4.4, la posición correcta de cómo montar el microcontrolador en la tarjeta de educación, cabe mencionar que como precaución se recomienda al realizar esta operación colocarse una pulsera anti-estática que proteja los circuitos integrados que se manipulen con las manos. Como precaución debe considerarse que la inserción del micro en la tarjeta debe ser son la suficiente presión para garantizar el contacto eléctrico adecuado entre los pins del micro y las pistas de la tarjeta. De no existir un contacto eléctrico adecuado, el software de programación puede indicar el no reconocimiento del controlador mientras se ejecutan las rutinas de comunicación del micro con el cpu de la computadora.

40

11 ••

• • • • • • . . . . . . . . . ..... @ 1 1 • a

• 1 1 • •

li • i • . ' .. • • • • ' 1 • • • 'I •••

Fig. 4.4 Montaje del microcontrolador sobre la tarjeta de educación. [ 22 ]

4.4.3 Senromotores para simulación del sistema

Es este punto conviene mencionar que los motores simularan el estado de arranque o paro de lo que seria la bomba dosificadora del fluido inhibidor de corrosión. Los motores que se emplearán son de la marca Parallax, son alimentados a 5 Volts por el microcontrolador mediante la tarjeta de educación.

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CAPITULO 5

DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL

5.1 Introducción

En esta sección, se describe el sistema de control propuesto, también se define al principio la información de referencia obtenida en la parte del desarrollo experimenta que sirvió de base para el diseño del sistema, y que a su vez ilustra, el formato en el que la industria maneja la información requerida para implementar un sistema de esta naturaleza. Más adelante se describen las adecuaciones requeridas para integrar algunos componentes periféricos de hardware que ofrecieran una solución para alcanzar el objetivo planteado al principio del trabajo. Se muestran un análisis detallado de los listados de programas necesarios para cumplir con el objetivo planteado.

5.2 Estructura del sistema de control

El siguiente paso, será el acoplar en un único circuito los elementos que se listan a continuación:

a El potenciómetro que será la señal de entrada al microcontrolador.( 1)

a Convertidor analógico - digital. (2)

a El microcontrolador que tendrá la función de adquirir las señales y procesarlas. (3)

a El servomotor que será quien recibirá las señales "decisiones" tomadas por el micro en función del listado de programa. (4)

En la figura 5.1, se observa la relación de los componentes que integran el sistema.

Fig 5.1 Sistema propuesto [ 22]

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En esta etapa se pretende encontrar el arreglo ideal, que nos permita alcanzar el objetivo planteado al inicio de este trabajo. Es decir, ya identificada la señal que nos advierte de daño en el material, sea cual fuere la técnica de caracterización elegida. Se utilizará esa señal para alimentar la entrada del sistema de control elegido.

Después de que el sistema de control, procese las señales de entrada, el sistema de control emitirá señales de salida que alimentará al dispositivo dosificador de inhibidor "motor", se elimine el estado de perturbación. Y el material en estudio vuelva a la condición en donde no exista presencia de corrosión.

A continuación se listan los requisitos previos que se requieren cumplir antes de poder realizar la integración del circuito de manera sistemática.

[J Construcción de la celda electroquímica, que nos permita la experimentación con las diversas técnicas electroquímicas de caracterización de daño por corrosión.

[J Ya que se tienen identificadas las posibles señales que podríamos adquirir del arreglo, se comienza a trabajar en el programa bajo el que trabajara el microcontrolador, cabe seflalar que el programa se comienza a desarrollar en esta etapa, debido a que es necesario conocer previamente el comportamiento del fluido inhibidor estudiado con las lecturas del potenciostato.

Hasta este punto, se ha logrado integrar el sistema de control completo que permitirá mantener en un estado protegido, el material que se someta a prueba. Cabe señalar que en esta etapa del desarrollo del sistema, se recomienda diseñar listados de programas con pequeñas modificaciones entre sí, con el fin de evaluar distintos ''mecanismos de respuesta" del sistema de controi después de haber detectado una perturbación que se encuentra fuera de rango.

5.2.1 El Potenciómetro

El potenciómetro tiene la función de emitir valores de voltaje en el rango de O Volts a 5 Volts, esto con el fin de simular la presencia de las señales ilustradas

5.2.2 El Microcontrolador El microcontrolador será el encargado de adquirir las señales generadas por los reóstatos, y

también generará las seriales de salidas hacia el servomotor, quien simula la acción de la bomba que dosificara el inhibidor de corrosión.

Fig 5.2 Micro controlador BS 2 [ 22 J

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5.2.3 Servomotor

Este elemento constituye el medio con el cual simularemos el efecto de una bomba de inhibidor, la ventaja de utilizar este servo motor es que el proto board ya cuenta con el arreglo requerido para enviar señales de salida al servomotor. Cabe señalar, que el circuito tiene adecuaciones para proteger al microcontrolador de daños producidos por demandas excesivas de corriente en los arranques.

Fig 5.3 Servomotor [ 22 ]

5.3 Desarrollo experimental

En esta sección se muestra la celda electroquímica empleada para tomar la mediciones que se emplean como entradas del sistema de control, estas señales se obtuvieron mediante un potenciostato, el cual genera gráficas mediante un software de interfase en donde se captura los valores de vohaje y amperaje generado para el arreglo dado.

5.4 Condiciones de la prueba

Material Acero 1018 Medios de Prueba Agua potable, Agua salada Temoeratura ambiente 20 ºC Sustancia inhtbidora Ninguna PH 7.1

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5.5 Arreglo de la celda electroquímica

Fig. 5.1 Celda electroquúnica

La celda electroquímica que se muestra en la :figura anterior es un recipiente de vidrio que contiene los elementos que se describen a continuación.

5.6 Componentes de la celda electroquímica

De acuerdo a la :figura 5.1 a continuación se describe cada uno de los elementos que confonnan la celda electroquímica

Electrodos de color azul:

Son los porta electrodos de la probeta del material que se desea estudiar para nuestro estudia fue seleccionado acero 1 O 18 el cual es susceptible de ser oxidado por un medio acuoso de manera muy rápida. Lo cual facilita la celeridad con que se pretende efectuar la simulación del fenómeno.

Electrodo de color amarillo:

Es una electrodo de grafito en la literatura se denomina electrodo auxiliar. Este electrodo tiene la función de generar una señal de entrada al potenciostato que ayude a generar las gráficas de corriente v/s voltaje que se muestran en las figuras 5.2 y 5.3 que se ilustran en la siguiente sección.

Electrodo de color rojo:

Electrodo de referencia, es un electrodo denominado de calome~ denominado así ya que las sales del cual esta constituido se llaman así, tiene la función de tener un voltaje de referencia cero para la adquisición de sefiales ya sea para un microcontrolador o para un potenciostato.

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5.7 Graficas generadas por el potenciostato

Las gráficas que se muestran a continuación son las obtenidas por el potenciostato (Mod. RXT 22).

o

. .500

~ potable 26 Abril Measure cell · 469.5mV; Potencial -6171 lmV

~ potable 26 Abril Measure cell: - 588. 2m V ; Potencial -74170m V

¼};a potable 02 Mayo Measure cell - 3475 mV; Potencial -432.8 mV

Agua potable 02 de Mayo Measure cell - 480 8 mV, Potencial -5484mV

Curva real --.__.

ID&m IDF,ID IDE-111

iCORRIENTE----•

/

1.0E-1{1) C.ant(IIIA)

Fig. 5.2 Gráfica característica para acero al carbón, generada por un potenciostato.

Lo que se observa en la figura anterior es una curva de Tafel característica, mediante la polariz.ación en este caso de una muestra de acero al carbón 1018, la curva se obtuvo mediante la polairzación anodica en la dirección positiva, y catódicamente en la dirección negativa, con un valor de voltaje de 300 mV, con respecto al Ecorr· El voltaje de 300 mV fue configurado por el usuario en el software del potenciostato; otro parámetro importante para la obtención de estas graficas es la velocidad de barrido en el aparato el rango es de 0.1 a 1.0 mV /segundo. Para esta lectura la rutina de auto-test del equipo asignó un velocidad de barrido de 0.45 mV/ segundo.

La corriente resultante es graficada en una escala logarítmica como la que se muestra en la figura 5.2. La corriente de corrosión icorr es obtenida de la curva de Tafel por extrapolación de la porción lineal de la curva hasta el punto Ecorr.

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En la figura 5.2 muestra distinto potenciales de corrosión señalados en círculos rojos y verdes, son las señales características de un voltaje dado que se puede medir en cada material que se estuviera interesado en proteger.

Gráfica característica para acero al carbón, generada por un potenciostato

Poteml (mV wrt RE)

.,m

.!(O)

Agua+ NaCI 12 Mayo Measure ceil -6039 mV; Potencial -830 mV

Agua+ NaC! 12 Mayo Measure cell • -6355 mV; Potencial- 844 7mV

}~ + NaO 12 Mayo Mea.sin cen · -W, 1 m\'; ?otencial. 221 87 mV

Fig. 5.3

5.8 Adecuaciones requeridas para la adquisición de señales analógicas

Cumnl(mA)

Como se comento al final del capítulo 4, el Basic Stamp 2 en su configuración de fábrica sólo puede reconocer señales de entradas analógicas, lo cual retrazo un poco el desarrollo de la tesis, para resolver este problema, se decidió integrar al circuito de control un convertidor de señales analógicas a digitales para que el microcontrolador pueda interpretar las señales de entrada.

El convertidor que se seleccionó fue un ADC LTC1298 el cual se describe con todo detalle en la sección de anexos, pero que a manera de esbozo podemos decir que se trata de un convertidor digital analógico de 12 bits, alimentado a 5 Volts, que entrega lecturas con una resolución de 1.22 m V lo cual lo hace ideal para nuestra aplicación, ya que la alimentación de voltaje, la suministra el proto bord del Basic Stamp2 y la resolución de su salidas es ideal para la señal de daño que emiten los materiales.

47

•

5.9 Arreglo del convertidor

A continuación de muestra el diagrama eléctrico que ofreció un solución integrada para satisfacer nuestras necesidades.

Suministro de voltaje

pin 2

1k

10~tF I tantalum

Fig. 5.4 Arreglo de interconexión entre los reóstatos el convertidor y el microcontrolador.

En donde:

o

o

El ramal en rojo muestra la sección del circuito que adquiere los valores analógicos provenientes de los reóstatos que a su vez tiene la función de simular la señal de los los electrodos de prueba, los cuales al ser accionados y alcanzar un valor predefinido por el usuario mandara una señal que accionara el servomotor, que en este caso tiene la función de simular el efecto del dosificador de inhibidor de corrosión.

Este es el ramal que se encarga de transferir los datos al Basic después de haberlos traducido el convertidor en forma digital al microcontrolador, el cual toma las "decisiones'' pertinente para operar el circuito de control del servomotor.

48

5.10 Listado de programas cargados al microcontrolador

Los listados de programa se generaron en el lenguaje propio del Basic Stamp 2 el cual es el PBASIC.

Los listados de programa que se muestran en la siguiente sección la función que realizan es detectar los valores analógicos de voltaje registrados por los denominados canal O y canal 1 que se pueden identificar en la figura 5.4. Esas señales son interpretadas por el convertidor LTC 1298 el cual provee de información digital al Basic Stamp, el cual a su vez la señal de salida necesaria al servo motor dependiendo de la información de entrada.

5.10.1 Listado de programa arranque paro ( Programa 1)

La rutina de este programa lo que hace es, detecta los valores de voltaje, hasta que detecta que el valor alcanzado es 2.500 Volts (Valor elegido arbitrariamente solo con efectos de demostración) en este momento el programa manda activar la señal que enciende el servomotor, y lo mantiene activado hasta que detecta que el valor de entrada de voltaje es inferior a 2.500 Volts. Cabe señalar que el programa también tiene la función de desplegar en tiempo real una pantalla en PC, donde se muestran los valores de voltaje adquiridos.

Nota: De los listados de programa, por razones de confidencialidad de la investigación se retiraron líneas y rutinas de programa fundamentales con el fin de no revelar con todo detalle las singularidades del sistema.

Listado de Programa 1

' { $STAMP BS2}

es con o eLK con 1 DIO n con 2 config var nib AD var word

startB var config.bitü sglDif var config.bitl oddSign var config.bit2 msbf var config.bit3

high es

high DIO_n

again: debug "again ",cr

for oddSign =Oto 1

gosub convert

debug "channel ",DEe oddSign, ":",DEe AD,cr

'pause 500

49

next

IF AD>= 2500 THEN Hacer

goto again

Hacer:

pause O x var word output 3

inicio: fer x=l to 20

next

pulsout 3,300 pause 10

for oddSign =Oto 1

gosub convert

debug "channel ",DEC oddSign, ":",DEC AD,cr

pause 500

next

IF AD< 2500 THEN again

goto inicio

stop exit

convert:

config ~ config 1 %1011

low es

shiftout DIO_n,CLK,lsbfirst, [config\4]

shiftin DIO_n,CLK,msbpost, [AD\12]

high es

retutn

50

S.10.2 Listado de programa arranque retardado (Programa 2)

Este programa da la posibilidad al usuario de insertar un retraso en el arranque del motor modificando solo 3 cáracteres en el programa, con esto se logra adecuar el tiempo de retraso según la efectividad de la sustancia inhibidora empleada por el usuario.

Listado de programa 2

'{$STAMP BS2}

es con CLK con DIO n con config var AD var

startB var sg1Dif var oddSign var msbf var

high es

high DIO n

again:

o 1 2 nib word

config.bitO config.bitl config.bit2 config .bit3

debug "again ",cr far oddSign =Oto 1

gosub convert

debug "channel ",DEC oddSign, ":",DEC AD,cr

'pause 500

next

IF AD>= 2500 THEN Hacer

gota again

Hacer:

pause 500 x var word output 3

inicio: for x=l to 20

pulsout 3,300

51

pause 10 next

for oddSign =Oto 1

gosub convert

debug "channel ",DEC oddSign, ":",DEC AD,cr

pause 500

next

IF AD< 2500 THEN again

gato inicio

stop exit

convert:

config = config 1 %1011

low es

shiftout DIO_n,CLK,lsbfirst, [config\4)

shiftin DIO_n,CLK,msbpost, [AD\12)

high es

return

52

Análisis de Resultados

6.1 Introducción

CAPITULO 6

En este capítulo se comenta, el desempeño del programa mostrado en el capítulo anterior, las ventanas que habilita el sistema para el usuario. Mas adelante se expone, las modificaciones a detalle que el usuario tendría que realizar para adecuar el sistema a alguna necesidad en particular.

6.2 Inteñaz con el usuario.

El usuario cuando ejecuta el programa puede visualizar en tiempo real los valores de voltaje emitidos por el material del recipiente que se pretenda proteger, la finalidad de esta pantalla es la posibilidad de validar el funcionamiento del sistema mediante inspección visual para un valor determinado de voltaje, establecido por el usuario.

A continuación, se muestra la ventana que sirve como interfaz de usuario para monitorear los valores de voltaje.

·. · UA'..IC 5tamp - UnhUedl

fie .E.dit .Qiective .. flun · 1:lelp , ,,._ .,

~. • - ili -~il ~ - -, -~ ~ -" hrii' Fií#. ¡,,~J ,iJ, 1:IDI"'~-- .. ... 1 4fC .• .• a l • -, IJ~ . u -. c,J

,-;¡~

::~~! , '. -~ ,_,-

' .: :::,J. .'.di; .- ~ ·,.

Chanal 1:2345 Chanal 0:0

Chane! 1:2345 ¡ Chane! 0:0

Chane! 1:2345 Chane! 0:0

Chane! 1:2345 Chane! 0:0

Chane! 1:2345 Chane! 0:0

Chane! 1:2650 · chane! 0:0

Chane! 1:2500 Chane! 0:0

Chane! 1:2490 , chane! 0:0 ¡ ( Chane! 1:2380 Chanel 0:0

Chanel 1:2389 Chanal 0:0

! r Chanel 1:2368

-

Fig. 6.1 Interfaz de usuario

53

Lo que se aprecia en la pantalla se muestra en tiempo real los valores registrados por cada uno de los dos canales, cabe sefialar que cada canal para efectos de demostración esta conectado a un reóstato, pero para el sistema real uno de los canales va conectado al material que se desea monitorear y el otro va conectado al electrodo de referencia.

Cabe señalar que la resolución del convertidor analógico digital, tiene una resolución de 1.22mV. La fuente que suministra la diferencia de potencial a los reóstatos es de 5 V , es por eso que los valores se despliegan en un rango de O a 4095 V.

El listado de programa que se creó utiliz.a un valor intermedio en el rango de voltaje de 2500, elegido de manera arbitraria para activar las salidas del microcontrolador.

6.3 Personalización del programa (Secuencia, Arranque y Paro)

Como se ha mencionado el usuario tiene la posibilidad de según el potencial de corrosión característico del material del cual se pueda controlar, previa evaluación con un potenciostato. El usuario lo único que debe de modificar es el valor de voltaje al que el desea que sea accionado el dosificador de inlnbidor de corrosión.

6.4 Función del programa

Este programa detecta los valores de voltaje, el momento que detecta un valor por arriba de 2500 (2.5 volts) y mantiene prendido el servomotor hasta que detecta un valor inferior a este.

A continuación se muestra la línea en la que se tendría que realizar el cambio:

IF AD>= 2500 THEN Hacer

1 Y también sería necesario modificar la línea siguiente:

IF AD< 2500 THEN again

t Este es el valor que se debería de modificar para adecuar el sistema a otro material.

Nota:

Cabe señalar, que para este caso particular el rango puede haber sido establecido entre O y 4095 por el voltaje que suministra la fuente del micro controlador.

54

6.5 Personalización del programa (Secuencia encendido con retardo)

Esta secuencia de programa, ofrece al usuario Ja posibilidad de incorporar un retardo en el arranque de la bomba de dosificador de inhibidor, esto se logra modificando el valor del timer establecido en el programa, la intención de incluir este programa es debido a que dado el inhibidor que sea seleccionado para la aplicación, y dependiendo de su efecto para contrarrestar los efectos de la corrosión; se puede optar por el encender el sistema con un retardo, este caso es de mucha utilidad cuando el inhibidor tiene un alto índice de efectividad.

A continuación se muestra la línea en la que se tendría que realizar el cambio:

pause O 'Aumentar el valor, y se logra la delay de arranque del motor.

L Este valor se puede modificar para insertar un valor de retardo en milisegundos.

6.6 Función del programa

Lo que hace este programa es adquirir los valores de voltaje y cuando registra un valor de 2500, espero el tiempo que se haya programado como retardo y después de transcurrido ese tiempo manda activar el servomotor y se mantiene encendido hasta que detecta que la diferencia de potencia queda registrada en el sistema por debajo de 2500 (2.5 volts).

Nota:

Es importante comentar en este punto que las unidades del tiempo al insertarlas en el programa dependerá de microcontrolador seleccionado a la aplicación.

6. 7 Recursos involucrados

Dado que el trabajo de investigación en cuestión, implica un desarrollo experimental, conviene citar algunos de los recursos involucrados, necesarios para la realización de la tesis.

• Potenciostato

El cual fue utiliz.ado para obtener las gráficas del potencial de oxidación.

• Microcontrolador ( Basic Stamp 2)

Micro controlador comercial de la compañía Parallax internacional

• Equipo de laboratorio básico

Matraces, pipetas, embudos, etc. Este material se encuentra disponible en los laboratorios del Instituto.

55

6.8 Recomendaciones para la implementación del sistema

• Es momento de mencionar que para la implementación de este sistema lo ideal es contar con un potenciostato que es el equipo que nos ayuda a caracterizar el potencial de corrosión para la aplicación en particular.

• Es necesario, también, el evalwu- cual es el desplaz.amiento del potencial al utilizar diferentes medios de inmersión, con distinto grado de corrosividad, y garantizar que utilizando un medio de inmersión y una sustancia inhibidora dada exista una consistencia en los resultados, a fin de que las modificaciones al programa garanticen la protección efectiva del recipiente en cuestión. Hay que recordar que de manera experimental se debe utilizar el arreglo con una muestra de material a proteger sumergido en el medio de inmersión que contendrá el recipiente y se probaran distintas disoluciones de sustancia inhibidora.

6.9 Aplicaciones industriales del sistema propuesto

En unidades de trasvasado en unidades de endulz.amiento de naftas. Industria Petroquímica

Receptáculos de condesados , módulos de ablandadores de agua en generadores vapor como ejemplo de esta aplicación a continuación se citan solo algunas industrias en donde el sistema puede ser aplicado, en industrias textil, farmacéutica, petroquímica, huleras, alimenticias, cosméticas.

Taques de ahnacenamiento de hidrocarburos. Industria Petroquímica.

Unidades economizadoras en la industria química para la generación de oxígeno.

Umdades de ahnacenamiento de combustible en los aviones de carga y comercial.

Tanques cisterna en la industria naval.

6.10 Costo del sistema propuesto y ventajas contra el uso de un PLC

Sistema propuesto Sistema utilizando un PLC Micro controlador Basic Stamp $ 49.00 us PLC $ 550.00 us Proto Board $ 65.00 us Módulo de 1 entrada analógica $ 220.00 us Convertidor ADC $ 10.50 us Interfaz de Potencia $ 250.00 us Servomotor $ 200.00 us Software para programación $ 380.00 us Interfaz de potencia $ 200.00 us Servomotor $ 200.00 us

Costo Total $ 524.50 us Costo Total $1600.00 us

Tabla 6.1

56

6.11 Conclusiones

La aportación más importante resultado de esta investigación es la conjunción de los componentes requeridos para lograr la integración del sistema de control que ofrece la solución al objetivo que se planteó al iniciar los trabajos de la tesis.

Como partes medulares en el desarrollo de la tesis fue las observaciones y recopilación de datos que se desprenden del muestreo de los potenciales de corrosión con el equipo Auto Táfel.

Otro logro fue la correcta adecuación del convertidor Analógico - Digital, lo cual hizo posible el poder utiliz.ar para el sistema de control el micro-controlador que se planteó originalmente.

El resultado de la experimentación es favorable tanto en la graficas como en los programas realizados pero es importante acotar las modificaciones inherentes requeridas para ser instalado en alguna aplicación en particular.

Los programas desarrollados son susceptibles de ser modificados para encontrar un patrón para contrarrestar los efectos de la corrosión.

El documento final, es un antecedente que sustenta el desarrollo de la idea original, concebida al inicio del proyecto. Que de manera general en las primeras pláticas con los asesores de tesis se vislumbraba como un sistema capaz de identificar la señal característica de dafio en el material, y que fuera capaz de accionar de alguna manera un medio de protección.

Como parte del trabajo futuro se pretende construir un potenciostato, que pueda ampliar el alcance de esta tesis a una aplicación en sistemas dinámicos como tuberías.

A manera de un sistema piloto se cumplió la expectativa planteada en la propuesta, pero para implementar el sistema a nivel industrial, es necesario experimentar distintas rutinas y comportamiento del sistema.

Cabe señalar que el presente trabajo, sienta las bases para el trabajo futuro de profesionales de muchas disciplinas, como las áreas de sistemas computacionales, y electrónica en la parte de control y en el área de electrónica de potencia otra rama del conocimiento involucrada es el procesamiento de señales que se pueden adquirir del daño por corrosión de los materiales así como su utilización para la prevención, se convierte en un interesante reto para ofrecer la aplicación de la tecnología a la parte de reducción de costos en los sectores estratégicos en este país, como es el caso por dar solo algunos ejemplos; la industria petrolera, química, alimenticia, farmacéutica y de transportación.

57

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© 2002-2006 Parallax, lnc. Ali Rights Reserved. Fecha de consulta 25 Enero 2006

58

59

Normas aplicables

ASTMG3-89

Standard Practice for Conventions Applicable to Electrochemical Measurements in Corrosion Testing.

ASTM G5- 94

Standard reference Test Method for making Potentiostatic and Potentiodynamic Anodic polarization Measurements.

ASTMG59-97

Standard Test Method for Coducting Potentiodynamic Polariz.ation Resistance Measurements

ASTM 0102-89

Standard Practice for Calculation of Corrosion rates and Related Information from electrochemical Measurements

60

Gráficas de potencial

de corrosión

61

Potential (mV wrt RE)

.500

o

-.500

Agua potable 26 Abril Measure cell: - 469.5mV; Potencial: -617.1 lmV

Agua potable 26 Abril Me asure cell: - 588. 2m V ; Potencial: -741. 70m V

Agua potable 02 Mayo Measure cell: - 347.5 mV; Potencial: - 432.8 mV

Agua potable 02 de Mayo Measure cell: - 480. 8 m V ; Potencial: -548.4m V

...... -······/····

___ .--.---/·-··

-----

1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01

' / /

¡

/ ... ,/·

1.0E-+00

/ .,/

/' 1

i

/' /

Cumnt(mA)

62

Potential (mV wrt RE)

o

-.500

.1(D)

A.gua+ NaCl 12 Mayo Measure cell: -603.9 mV; Potencial-830 mV

Agua+ NaCl 12 Mayo Measure cell: - 635.5 mV; Potencial - 844.7mV

Agua+ NaCl 12 Mayo Measure cell: -645.1 mV; Potencial - 821.87 mV

1.0E-02 1.0E-01 1.0E-+00 1.0E-t01 Cunent(mA)

63

Potential(mV wrt RE)

íl

o

-500

Agua destilada 13 de Mayo Measure cell: - 533.9 mV; Potencial: - 612.42mV

Agua destilada 13 de Mayo Measure cell: - 537.0 mV; Potencial: - 622.0 mV

Agua destilada 13 de Mayo Measure cell: - 558.0 mV; Potencial: - 629.0 mV

l.QE.03 l.OE-02 l.OE-01 ,.. ............. '"""l' 64

Potential (mV wrt RE)

o

-.500

-llXXJ

Agua+ NaCL 3% 12 de Mayo Measure cell - 635.5 mV; Potencial: - 844.7 mV

Agua+ NaCL 3% 12 de Mayo Measure cell: - 603.9mV; Potencial: - 830mV

Agua+ NaCL 3% 12 de Mayo Measure cell: - 469.5mV; Potencial: - 617.11 mV

Agua+ NaCL 3% 12 de Mayo Measure cell - 588.2 mV; Potencial: - 741.70 mV

-===-

----------.

l.!JE.03 l .OE-02 lDE-01 1.0E-+00

1/i /

f ·, ~/

./

// ' I

/

l.OE-+01 Cunent (mA)

65

Potential (mV wrt RE)

.500

o

-500

Agua+ N aCl 3% 28 de Abril Me asure cel : -168. 22m V ; Potencial: -187.SOm V

Agua+ NaCl 3% 28 de AbrilMeasure cel: - 77.23 mV; Potencial: - 85.99 mV

Agua+ NaCl 3% 28 de Abril Measure cel: - 82.32 mV; Potencial: - 96.55 mV

Agua+ NaCl 3% 28 de Abril Measure cel : - 129.7 mV; Potencial: - 134.95 mV

....__.___.__..__._.........._ __ ..........____.__~..__.-_.___,.__ __ ,.____. ___________ ........___,.__........_ __ ......__..._.._ ............ __.

1.0&06 1.0E-05 1.0E.-04 1.0E-03 Cunent (rnA)

66

Potemiel (mV wrt RE)

Agua Potable Measure cell: - 469.5 mV; Potencial: - 617.11 mV

Agua Potable Measure cell: - 588.2 mV; Potencial: - 741.70 mV

Agua Destilada Me asure cell: - 533. 9 m V ; Potencial: - 612.42 m V

Agua Destilada Measure cell: - 537.0 mV; Potencial: - 622.0 mV

o~ íl

. .500

...,,.,, -------------'===~.;; .... ==:=

l.OE-03 l.OEm

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-------

--~--------------~--------

--. ___ _

·-:~. 1.0F,.01 l .OE-+00

~/

. ...,---·· ...... -

' ;-',,i

/ /

/

Cumnt(mA)

67

Potential (m.V wrt RE)

o

-500

-lOOJ

Agua Destilada Me asure cell:- 533. 9 m V; Potencial: -6124 2 m V// Agua Salada Me asure cell:- 635 .5 m V; Potencial: - 844. 7 m V

a DestiladaMeasure cell:- 537.0 mV; Potencial: -622.0 mV // Agua Salada Measure cell:- 645. t mV; Potencial: - 821 .87 mV

~

1.0E-03 1.0E.02 1.0E-Ol

. ~-·~·

l.OE-+00 1.0E-+01

.. ,,· .....

/ ' ' I

,/ ·

1 f

,l /

CUJmlt(mA)

68

Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México

Defensa de tesis para obtener el grado de Maestro en Ciencias con especialidad en Sistemas de Manufactura.

Tema Sistema de dosificacion automático de inhibidor de corrosión en sistemas

estacionarios no presurizados.

Directores de tesis

De.Pedro Ponce Crnz

De.Jorge Eduardo Brieva Rico

Nombre del Alumno

Ing. Arturo Castellanos Dávila

Sinodales

Dr. Iván Campos Silva

Dr. José Ramón Álvarez Bada

1

Objetivo:

Desarrollar un sistema de dosificación automática de fluido inhibidor de corrosión en tanques de almacenamiento.

• Corrosión: Proceso natural por medio del cual los materiales se degradan producto de su interacción con el oxígeno.

• Fluido inhibidor: Toda aquella substancia que produce un efecto protector en contra de la oxidación.

2

Delimitación del alcance:

• La condición del fluido debe de ser estático. • Total ausencia de agitación.

• El efecto de la temperatura se considera despreciable.

JUSTIFICACIÓN

No existe evidencia en el mercado de un sistema desarrollado para tal propósito.

La dosificación de inhibidor se realiza de forma manual ~ lo cual no garantiza la adecuada protección de un sistema dado.

Resultando en muchas ocasiones en altos costos de mantenimiento o reemplazo.

..,

.)

4

Aportación:

Diseñ.o y construcción de una celda electroquímica experimental que simule el fenómeno de la corrosión en un tanque de almacenamiento, para un fluido y material de construcción.

METODOLOGÍA

• Montaje de la celda electróquimica para la colección de datos.

• Co1nparación de potenciales en diferentes medios y substancias inhibidoras.

• Selección del sistema de control. • Programación del sistema de control.

5

Celda electroquímica

Esquema potenciostato-celda

Auto Tafel

1~ 1 PC

Características del Potenciostato Marca: Auto Tafel

6

__ ..

(Resu1nen de 45 lecturas)

.-,tU :tcl.,J.\ll ,btf..,¡:,• lb.:.u ccl 'm!Jc.'l .1"111.fUJ. - ~I~~:.,-;

...,..,._.U«~ ..,_. \• · ~"'1il::aV,! •A<Ni<l ·C:bV

~,,,,, ~,.:,;·:,t ., ... >", ..... ' . 'l<· ·:,

Gráficas de Potenciales de

Oxidación

.Af:I. .. Nta t2 1úpcMtaM Nl:~1, . v . .e..:..r:1av

Jc,,;-Y") ;": '."1.,,o U.....-.«J . ~ E ,., _l e-0 .$4l'1J!

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7

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.JU) =-'-'-'-'---'---'--'--'-.W...U.-1---'--'---"-'--'-'""-U..---'---'-'-"''-'-..1..J..U.-= l.lULI Ul&lM

8

Dificultades y cambio de alcance

• El potenciostato prestado por el asesor sufrió un daño permanente.

• ¡ Solución ! Sistema de control con accesorios perifericos para suplir la falta del potenciostato.

Selección del sistema de control (Micro controlador)

9

Micro controlador y placa de educación

¡Otra dificultad !

Los valores reconocidos por las entradas del Basic Sta1np son valores digitales; no análogos.

10

Solución

+5 Sumini~tro de ,·oltaje •5

+ es Vcc 10µF CHO CLK :r: tantalum

0-SVin LTC1298 --

5k 111( pot CH1 5k GND Din 1k pot

-- -

BS2 BS2 BS2 pin O pin 2 pin 1

Sistema integrado

1) Reostato 2) Connrtidor ADC 3) Micro controlador 4) Inteñaz de potencia 5) Sen·o motor

11

Servo motor

Resultados

• La sensibilidad de lectura del dispositivo es de 1.22 m V. Para efectos del uso del prototipo el barrido de los valores se encuentra en un rango de 0000 a 4095 Volts.

• Se estableció un valor de prueba arbitrario

para activar las rutinas de los programas creados, para validar el funcionamiento del sistema demostrando su buen funcionamiento.

12

Resultados Adecuación del programa según el

material

IF AD <125001 THEN again

l Este es el valor que se debería de modificar.

Resultados Adecuación del programa para la

activación de un retardo

Pause O

1 Este valor se puede modificar para insertar un valor de retardo en milisegundos.

13

Conclusiones

• La aportación más importante resultado de esta investigación es la conjunción de los componentes requeridos para lograr la integración del sistema de control que ofrece la solución al objetivo que se planteó al iniciar los trabajos de la tesis.

• Como partes medulares en el desarrollo de la tesis fue las observaciones y recopilación de datos que se desprenden del muestreo de los potenciales de corrosión con el equipo Auto Táfel.

Conclusiones

• El resultado de la experimentación es favorable tanto en la gráficas como en los programas realizados pero es importante acotar las modificaciones inherentes requeridas para ser instalado en alguna aplicación en particular.

• Los programas desarrollados son susceptibles de ser modificados para encontrar un patrón para contrarrestar los efectos de la corrosión.

14

Conclusiones

• Otro logro fue la conecta adecuación del convertidor Analógico - Digital, lo cual hizo posible el poder utilizar para el sistema de control el micro-controlador que se planteó originalmente.

Trabajo futuro

• Experimentación con condiciones de agitación del fluido y prueba de distintos agentes inhibidores a diferentes concentraciones.

• Construcción de un potenciostato. • Aplicación de los resultado de esta investigación

a un arreglo de tuberías.

15

ÁREAS DE CONOCIMIENTO INVOLUCRADAS

• Ingeniería de Materiales

• Control • Sistemas digitales

• Instrumentación • Electrónica • Prograinación

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[10] Rozenfeld IL .( 1981) O,rrosio11 Jnl,ibitors. New York. McGraw-Hill.

16

[ 11) Notoya, T and Polin!!. G\\ · ( 1976 l Corro:sion . New York. l\k Graw-Hill.

[ 12) Ohtsuka, T. Kubo. K and Sato N ( 1986) Corro.;on. Princi:too. NJ. S~ience Press.

[13) Roberts. (19741 J. E~mon. S~mosc . . 4.nd Rt!l•d l't,mom .. Houstoo.. TX. NACE.

[14] lhtch. GB (l96S)Jl11tmaúpr«edion.\"ol . • u

[15) Dorf, ( 1992) "1odl!l'lf Control SJ'llnns. Addison-Wesley. VS.

[16] Coooby. JF and Swain. Th( {1998) M41mals .Protmion. A1111. Uni,ersity. Ferrara

[17] Talati. JI> and Pndya, JM {2000l.4nti-Corro,. Jldh«b J/atmol.-tb,, 82.456.

[18] Cottoo. IB ( 1966) Pre. ZU lnt Congress on .\Id. Corr .• N . .\C'E. Houston. T ,=s.

[19) NACE Intematiooat 1998

[20] Norma .. XRF-005-PB!E\'-2000

[21] Guia del Estudiante para E1perimt>ntos 1 a 6. PARALL..\Z.. lnc.

[22] Basic Stamp Manual Release 2.0. Parallax.. In.:.

¡ Gracias por su atención !

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Ficha técnica del convertidor

análogico-digital

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22: lnterfacing a 12-bit ADC BASIC Stamp I Application Notes

lntroductlon. This application note shows how to interface the L TC 1298 analog-to-digital converter (ADC) to the BASIC Stamp.

Background. Many popular applications far the Stamp include analog measurement, either using the Pot command oran external ADC. These measurements are limited to eight-bit resolution, meaning that a 5-volt full-scale measurement would be broken into units of 5/256 = 19.5 millivolts (mV).

That sounds pretty good until you apply it to a real-world sensor. Take 11 the LM34 and LM35 temperature sensors as an example. They output a voltage proportional to the ambient temperature in degrees Fahren-heit (LM34) or Centigrade (LM35). A 1-degree change in temperature causes a 10-mV change in the sensor's output voltage. So an eight-bit conversion gives lousy 2-degree resolution. By reducing the ADC's range, or amplifying the sensor signal, you can improve resolution, but at the expense of additional components anda less-general design.

The easy way out is to switch toan ADC with 10- or 12-bit resolution. Until recently, that hasn't been a decision to make lightly. since more bits= more bucks. However, the new LTC1298 12-bit ADC is reason-ably priced at less than $1 O. and gives your Stamp projects two channels

Variable Voltage Source for Demo

+5

Sk pot

pin O

+5

1k

pin 2 pin 1

10µF ½ tantalum

Connections to BASIC Stamp 1/0 pins

Schematic to accompany LTC1298.BAS

Parallax, lnc. •BASICStampProgrammingManual 1.9• Page 183

BASIC Stamp I Application Notes

of 1.22-m V resolution data. It' s packaged in a Stamp-friendly 8-pin DIP, and draws about 250 microamps (µA) of current.

How lt works. The figure shows how to connect the LTC1298 to the Stamp, and the listing supplies the necessary driver code. If you have used other synchronous serial devices with the Stamp, such as EEPROMs or other ADCs described in previous application notes, there are no surprises here. We have tied the LTC1298's data input and output together to take advantage of the Stamp's ability to switch data directions on the fly. The resistor limits the current flowing between the Stamp I/0 pin and the 1298's data output in case a programming error or other fault causes a "bus conflict." This happens when both pins are in output mode and in opposite states {l vs. O). Without the resistor, such a conflict would cause large currents to flow between pins, possibly damaging the Stamp and/or ADC.

If you have used other ADCs, you may have noticed that the L TC 1298 has no voltage-reference (Vref) pin. The voltage reference is what an ADC compares its analog input voltage to. When the analog voltage is equal to the reference voltage, the ADC outputs its maximum measure­ment value; 4095 in this case. Smaller input voltages result in propor­tionally smaller output values. For example, an input of 1110th the reference voltage would produce an output value of 409.

The LTC1298's voltage reference is intemally connected to the power supply. Vcc, at pin 8. This means that a full-scale reading of 4095 will occur when the input voltage is equal to the power-supply voltage, nominally 5 volts. Notice the weasel word "nominally." meaning "in name only." The actual voltage at the +5-volt rail of the full-size (pre­BS 1-IC) Stamp with the LM2936 regulatorcan be 4.9 to 5.1 volts initially, and can vary by 30 m V.

In sorne applications you '11 need acalibration step to compensa te for the supply voltage. Suppose the L TC 1298 is looking at 2.00 volts. If the supply is 4.90volts, the LTC1298 will measure (2.00/ 4.90) * 4095 = 1671. If the supply is at the other extreme, 5.10 volts, the LTC1298 will measure (2.00/5.10) • 4095 = 1606.

How about that 30-m V deviation in regulator performance, which

Page 184 • BASIC Stamp Programming Manual 1.9 • Paranax, /ne.

22: lnterfacing a 12-bit ADC

22: lnterfacing a 12-bit ADC BASIC Stamp I Application Notes

cannot be calibrated away? If calibration makes it seem as though the LTC 1298 is getting a 5.000-volt reference, a 30-m V variation means that the reference would vary 15 mV high or low. Using the 2.00-volt example, the LTC1298 measurements can range from (2.00/4.985) * 4095 = 1643 to (2.00/5.D15) * 4095 = 1633.

The bottom line is that the measurements you make with the L TC 1298 will be only as good as the stability of your +5-volt supply.

The reason the manufacturer left off a separate voltage-reference pin 11 was to make room for the chip's second analog input. The LTC1298 can treat its two inputs as either separate ADC channels, or as a single, differential channel. A differential ADC is one that measures the voltage difference between its inputs, rather than the voltage between one input and ground.

A final feature of the LTC1298 is its sample-and-hold capability. At the instant your program requests data, the ADC grabs and stores the input voltage level in an internal capacitar. lt measures this stored voltage, not the actual input voltage.

By measuring a snapshot of the input voltage, the LTC 1298 avoids the errors that can occur when an ADC tries to measure a changing voltage. Without going into the gory details, most common ADCs are successive approximation types. That means that they zero in on a voltage measure­ment by comparing a guess to the actual voltage, then determining whether the actual is higher or lower. They formulate a new guess and try again. This becomes very difficult if the voltage is constantly changing! ADCs that aren't equipped with sample-and-hold circuitry should not be used to measure noisy or fast-changing voltages. The L TC 1298 has no such restriction.

Parts sourca. The LTC1298 is available from Digi-Key (800-344-4539) for $8.89 in single quantities (LTC1298CN8-ND). Be sure to request a data sheet or the data book (9210B-ND, $9.95) when you arder.

Program listlng. This program may be downloaded from our Internet ftp site at ftp.parallaxinc.com. The ftp site may be reached directly or through our web site at http:/ /www.parallaxinc.com.

Parallax, /ne. • BASIC Stamp Programming Manual 1. 9 • Page 185

BASIC Stamp I Application Notes

' Program: LTC1298.BAS (LTC1298 a11log-to-dlgltal conarterl 'The L TC1298 is a 12-bit, two-channel ADC. lts high resolution, low ' supply current, low cost, and built-in sample/hold feature make it a 'great companion for the Stamp in sensor and data-logging applications. 'With its 12-bit resolution, the L TC1298 can measure tiny changes in 'input voltage; 1.22 millivolts (5-volt reference/4096).

1 ========================================================== ADC Interface Pins

1 ==========================================================

'The 1298 uses a tour-pin interface, consisting of chip-select, clock, 'data input, and data output. In this application, we tie the data lines ' together with a 1 k resistor and connect the Stamp pin designated DIO 'to the data-in side of the resistor. The resistor limits the curren! 'flowing between DIO and the 1298's data out in case a programming error 'or other fault causes a "bus conflict." This happens when both pins are 'in output mode and in opposite states (1 vs O). Without the resistor, 'such a conflict would cause large currents to flow between pins, 'possibly damaging the Stamp and/or ADC.

SYMBOL SYMBOL SYMBOL SYMBOL SYMBOL SYMBOL

es =o CLK = 1 DIO_n = 2 DIO_p = pin2 ADbits = b1 AD =w1

' Chip select; O = active. 'Clock to ADC; out on rising, in on falling edge. 'Pin _number_ of data inpuUoutput. 'Variable_name_ of data input/output. ' Counter variable for serial bit reception. '12-bit ADC conversion result.

'========================================================== ADC Setup Bits

1 ==========================================================

'The 1298 has two modes. As a single-ended ADC, it measures the ' voltage at one of its inputs with respect to ground. As a differential 'ADC, it measures the difference in voltage between the two inputs. 'The sglDif bit determines the mode; 1 = single-ended, O = differential. 'When the 1298 is single-ended, the oddSign bit selects the active input 'channel; O = channel O (pin 2), 1 = channel 1 (pin 3). 'When the 1298 is differential, the oddSign bit selects the polarity ' between the two inputs; O = channel O is +, 1 = channel 1 is +. 'The msbf bit determines whether clock cycles _after_ the 12 data bits ' have been sent will send Os (msbf = 1) ora least-significant-bit-first 'copy of the data (msbf = O). This program doesn't continue clocking after 'the data has been obtained, so this bit doesn't matter.

'You probably won't need to change the basic mode (single/differential) 'or the formal of the post-data bits while the program is running, so 'these are assigned as constants. You probably will want to be able to 'change channels, so oddSign (the channel selector) is a bit variable.

Page 186 • BAS/C Stamp Programming Manual 1.9 • ParaNax, /ne.

22: lnterfacing a 12-bit ADC

22: lnterfacing a 12-bit ADC BASIC Stamp I Application Notes

SYMBOL SYMBOL SYMBOL

sglDif = 1 msbf = 1 oddSign = bitO

'Single-ended, two-channel mode. ' Output Os after data transfer is complete. ' Program writes channel # to this bit.

1 ========================================================== Deme Program

1 ==========================================================

'This program demonstrates the L TC1298 by alternately sampling the two 'input channels and presenting the results on the PC screen using Debug.

high es 'Deactivate the ADC to begin. Again: 'Main loop.

For oddSign =Oto 1 'Toggle between input channels. gosub Convert 'Get data from ADC. debug "ch ",#oddSign,":",#AD,cr 'Show the data on PC screen. pause 500 'Wait a half second.

next ' Change input channels. goto Again 'Endless loop.

1 ========================================================== ADC Subroutine

'==========================================================

' Here's where the conversion occurs. The Stamp first sends the setup 'bits to the 1298, then clocks in one null bit (a dummy bit that always ' reads O) followed by the conversion data.

Convert: low CLK high DIO_n lowCS pulsout CLK,5 Jet DIO_p = sglDif pulsout CLK,5 Jet DIO_p = oddSign pulsout CLK,5 let DIO_p = msbf pulsout CLK,5 input DIO_n Jet AD= O for ADbits = 1 to 13

Jet AD= AD*2+DIO_p pulsout CLK,5

next high es

retum

' Low clock-output on rising edge. • Switch DIO to output high (start bit). 'Actívate the 1298. ' Send start bit. ' First setup bit. 'Send bit. ' Second setup bit. 'Send bit. ' Final setup bit. 'Send bit. 'Get ready for input from DIO. ' Clear cid ADC result. ' Get null bit + 12 data bits. ' Shift AD left, add new data bit. ' Clock next data bit in. ' Get next data bit. ' Turn off the ADC ' Return to program.

Parallax, /ne. • BASIC Stamp Programming Manual 1. 9 • Page 187

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BASIC Stamp I Application Notes

Page 188 • BASIC Stamp Programming Manual 1.9 • ParaHax, /ne.