Automatización de un Rheómetro para su Operación desde una computadora: Desarrollo e Implementación

Resumen - Los equipos empleados en laboratorios de pruebas y desarrollo de la industria manufacturera deben poseer la exactitud suficiente para satisfacer las normas y niveles de calidad establecidos. Así mismo, el correcto análisis y la adecuada administración de los datos proporcionados por estos equipos, determinan la calidad de los productos obtenidos. El presente trabajo propone una estructura que permita automatizar y modernizar equipos de laboratorio en la fábrica de calzados MANACO, con la finalidad de garantizar la exactitud que requieren y proporcionar elementos de análisis más significativos y provechosos, permitiendo su disponibilidad en una computadora para su eficiente administración. Basados en esta estructura se ha desarrollado e implementado la automatización del equipo Monsanto - Rheometer 100, que originalmente operaba bajo tecnología electromecánica, esto añade las mejoras en la exactitud y calibración de las lecturas obtenidas de la unidad básica del equipo y la precisión en su registro. Es posible obtener un análisis automático de los resultados, característica no presente en el sistema original antes de la automatización. Otro aporte importante radica en la automatización del proceso de obtención de las curvas de cura.

En la industria de la goma, la selección del material crudo básico para la elaboración de un producto comercial específico es tarea de un ingeniero o un químico entrenado. Esta experiencia es necesaria debido a que en algunos de los procesos intervienen complicadas reacciones químicas, donde la vulcanización es la más importante. Adicionalmente, un análisis químico del material crudo y del producto acabado son requeridos.

Un equipo de laboratorio necesario para obtener importantes parámetros de vulcanización es el Rheómetro (prefijo rheo del griego rheos: corriente, flujo [2]), que proporciona una curva de la rigidez que presenta el material sometido a prueba durante el proceso de vulcanización; esta curva es conocida como "Curva de Cura" y su correcta interpretación arroja importantes datos sobre las características del material y su óptima vulcanización.

Para poder obtener la curva de cura, el rheómetro debe emplear algún método de medición continua capaz de medir la rigidez de la goma durante el proceso de cura. Otra parte del instrumento debe encargarse de representar estas mediciones en forma gráfica como función del tiempo.

Desde la aparición de estos instrumentos, hace casi 40 años, muchas mejoras y características han sido agregadas gracias al desarrollo de la tecnología. Se ha podido mejorar el método de medición continua para reducir algunos errores inherentes. Por otro lado el desarrollo de la electrónica y la computación han permitido que la representación de la curva de cura pueda ser tratada por medios electrónicos, mientras que los primeros rheómetros empleaban sistemas electromecánicos para reproducir la curva de cura sobre un papel impreso en tiempo real.

La presencia de la información obtenida por el sistema de medición continua en una computadora es muy ventajosa puesto que permite su mejor almacenamiento y es posible realizar cálculos más exactos y rápidos, mismos que antes se tenían que obtener geométricamente sobre el papel.

En este trabajo se ha hecho uso del sistema de medición continua de un rheómetro, que originalmente reproducía la curva de cura en un papel por medios electromecánicos, para que este sea operado y las mediciones sean llevadas y representadas en una computadora.

Esta sección ha sido incluida con el objetivo de comprender el funcionamiento y la función que cumple un rheómetro.

A. Operación de un rheómetro de disco oscilante

Un rheómetro nos proporciona una curva lisa y continua del módulo elástico S' (rigidez del material) contra el tiempo de cura para una determinada muestra de crudo. Esta curva se conoce como "Curva de Cura".

Figura 1: Cámara de Mooney y rotor.
Fuente: Maurice Morton, op. cit., pp. 109

El rheómetro de disco oscilante (ODR - Oscillating Disk Rheometer) fue uno de los primeros en ser introducido en 1962. En un ODR la mezcla del material crudo es vulcanizada a una temperatura y presión constantes preestablecidas dentro de una cámara de vulcanización (cavidad moldeada formada por grandes platos calentadores). Dentro de la cámara la muestra de crudo rodea completamente un disco biconvexo unido a rotor por medio de un eje vertical (ver Figura 1). Durante las pruebas el disco experimenta una oscilación dentro de un pequeño arco (entre 1 y 5 grados); la fuerza (torque o momento) requerida para producir la oscilación del disco y, de este modo, producir una tensión de esquilado en la muestra de crudo es medida y representada en forma gráfica como una función del tiempo. Esta fuerza requerida para la oscilación del disco es proporciona a la rigidez (módulo de esquilado) del polímero . Esta rigidez se incrementa cuando los enlaces son formados durante la cura 4, 5.

B. Vulcanización

Una curva de cura completa se obtiene cuando el valor del torque medido se incrementa hasta alcanzar un valor de equilibrio o un valor máximo. El tiempo requerido para obtener una curva de cura completa es función de la temperatura y las características de vulcanización del polímero sometido a prueba. Debido a que el proceso de vulcanización es básicamente químico en naturaleza (el proceso crea enlaces químicos en las cadenas individuales del polímero para obtener una red elástica que presentará las propiedades finales deseadas), las pruebas empleadas se basan en los cambios físicos que ocurren en la goma.

Figura 2: Fases en el proceso de vulcanización.
Fuente: Maurice Morton, op. cit., pp. 116

Estos cambios generalmente ocurren en tres fases: (1) un periodo de inducción o quemadura (scorch), (2) una fase de curado o entrelazado, y (3) una fase de reversión o sobrecura. La ubicación de estas tres fases dentro del ciclo de vulcanización se muestra en la Figura 2. El periodo de inducción representa el tiempo, a la temperatura de vulcanización, en el cual no ocurren enlaces cuantificables. Posterior a la inducción sigue el entrelazado químico en las cadenas individuales del polímero a una velocidad que depende de la temperatura, tipo de goma y del sistema de curado. Una vez que los lugares curativos y de los enlaces se van vaciando, las reacciones de entrelazado disminuyen hasta que un punto óptimo de rigidez o módulo es alcanzado. Esto representa la cura completa del material. Un calentamiento adicional puede resultar en un incremento muy lento de la rigidez ("módulo en marcha" ) o una acción de ablandamiento ("reversión"), dependiendo del tipo de goma. Estos cambios son generalmente referenciados como "sobrecura"4.

Por estas características particulares inherentes a cada polímero, se pueden presentar tres tipos de curvas de cura que se ilustran en la Figura 3, señalando los parámetros más importantes normalizados por la ASTM . Algunos compuestos de goma sintética alcanzan un valor de torque constante o nivel de equilibrio MHF (a la izquierda en la Figura 3), mientras que la mayor parte de las gomas naturales exhiben la reversión (curva central). La característica de "módulo en marcha", apreciada a la derecha de la figura, es observada con algunos sistemas de cura.

Como se puede apreciar, las curvas de cura estampan las características de quemado (scorch) y vulcanización de un compuesto y como resultado son muy utilizados para categorizar formulaciones de goma.

Figura 3: Tipos de curvas de cura y definición de parámetros según ASTM.
Fuente: Maurice Morton, op. cit., pp. 116

A 14 kilómetros de la ciudad de Cochabamba se encuentra situada la fábrica de calzados MANACO (Manufactura Boliviana S.A.) integrante del grupo internacional BATA que por muchos años ha sido la más grande de Bolivia en su rubro. En su laboratorio de pruebas y composiciones se ha estado empleado el Monsanto-Rheometer 100 (Figura 4) por más de quince años. Monsanto-Rheometer 100 esta formado por dos partes principales: La unidad básica (parte derecha de la Figura 4) y el sistema de registro (parte izquierda de la Figura 4).

Figura 4: Monsanto-Rheometer 100.
Fuente: http://www-ictos.tu-graz.ac.at/equipm/verarbeitung_e.htm

En la unidad básica se encuentra el sistema de disco oscilante y el sistema de control de temperatura para la cámara de vulcanización. El sistema de registro recibe las señales provenientes de la unidad básica (principalmente la de rigidez en la goma) para realizar el registro de la curva de cura sobre un papel que lleva preimpresas las escalas.
Debido a la naturaleza electromecánica del sistema de registro y al tiempo de uso del equipo, los registros de la curva de cura han perdido su calidad inicial. Pese a la posibilidad de recalibrar el equipo, para no ver comprometida su exactitud, ésta debía realizarse de una manera absurdamente periódica.
Otro problema, se presenta al momento de realizar las interpretaciones de las curvas; éste análisis para obtener los tiempos de cura, tiempos de inducción, índice de cura, etc. requerían bastante tiempo y estaban sujetos a errores de apreciación; a ello se añade la lentitud en el archivo y administración de los informes impresos.
La propuesta actual presenta un sistema electrónico basado en computadora que trabaja directamente con la unidad básica eliminando el sistema de registro electromecánico. Los resultados más relevantes son: mantenimiento mínimo, calibración automática, análisis de resultados en forma automática, archivado y administración electrónica e impresa de los resultados.

En este trabajo se propone una estructura de supervisión y control que puede ser extendida a varios equipos en el laboratorio de MANACO con una administración centralizada.

Según esta estructura cada equipo de laboratorio (EQL) interactúa con una Unidad de Control e Interfaz (UCI). El EQL entrega las señales de sus sensores a la UCI y la UCI proporciona las señales de control adecuadas a los actuadores presentes en el EQL. En otro nivel más elevado de la estructura de supervisón y control, todas las UCI se comunican con una Computadora de Supervisión y Control (CSC) en una configuración maestro (CSC) - esclavo (UCI's). En la CSC existe Software de Supervisión y Control de Equipos (SSCEQ).

Se ha visto conveniente que las UCI posean inteligencia propia (inteligencia distribuida) para realizar tareas de control y supervisión particulares de cada equipo sin necesidad de requerir la intervención de la CSC.

Figura 5: Estructura de Supervisión y Control propuesta para el Laboratorio de MANACO.

En la CSC el SSCEQ se encarga de supervisar el estado de las variables más importantes de cada equipo y principalmente los posibles estados de alarma. Cuando es necesario realizar una prueba que requiere la participación de un determinado EQL y el volumen de datos a transmitir es elevado, el SSCEQ se pone en línea (estado on line) con la UCI donde el EQL se encuentra conectado. En el estado on line la comunicación con las otras UCI son inhibidas.

El SSCEQ también se encarga de administrar la información recibida por las UCIs, procesarla, almacenarla y generar reportes.

En el Apéndice A el lector puede encontrar las características del protocolo de comunicación entre la CSC y las UCIs. El Apéndice B describe en detalle la UCI desarrollada e implementada para Monsanto - Rheometer 100.

La CSC es una Computadora Personal IBM compatible que opera bajo el sistema operativo Windows 98 según requerimiento del personal de laboratorio en MANACO, principalmente por su familiaridad con éste tipo de equipo y plataforma.

SSCEQ fue desarrollado bajo el lenguaje DELPHI por ser una herramienta RAD (Rapid Application Design) de gran flexibilidad, productividad y eficiencia, que cuenta con las herramientas y componentes necesarios para la implementación del SSCEQ.

A continuación se desglosa la estructura de SSCEQ, resaltando sus características importantes.

Comunicación

SSCEQ envía y recibe la información usando un puerto serial de la computadora (COM2 en la implementación actual) a través del API de Windows. Lo que permite aprovechar la operación multitarea de Windows, permitiendo que otros programas estén en ejecución sin pérdida de datos ni sincronismo en la comunicación.

Para el caso de Monsanto - Rheometer 100 se tiene un botón rotulado como 'Enlace' (Figura 6), el cual permite controlar la comunicación on line con la UCI de éste. Al mismo tiempo el estado de dicho botón permite saber si existe comunicación on line con Monsanto - Rheometer 100.

Lecturas y controles

Cuando SSCEQ ésta "enlazado" con la UCI de Monsanto - Rheometer 100 es posible observar las lecturas de temperatura en el molde superior e inferior en tiempo real y controlar la apertura o cierre de la cámara de vulcanización al igual que el encendido y apagado del motor de oscilación mediante los controles incorporados que se presentan en la Figura 7. El mismo cuadro señala los estados actuales de la cámara de vulcanización y del motor de oscilación. Estas lecturas y controles son actualizados cada segundo.

Cuando se desea cerrar los platos, un diálogo solicita la confirmación de la acción como medida de seguridad, con el fin de evitar accidentes al personal que se encuentra próximo al equipo.

Cuando una muestra de goma es sometida a prueba para obtener su curva de cura, la lectura instantánea del torque experimentado por la oscilación del disco en la cámara de vulcanización también es presentada en la pantalla junto a velocidad de cura instantánea (slope). Durante la prueba también se presenta el tiempo transcurrido.

Las lecturas de torque y temperaturas, obtenidas desde la UCI de Monsanto -Rheometer 100, son sometidas a un procesamiento digital para su exacta y correcta representación, según lo ilustra la Figura 8.

Las señales de temperatura y torque son sometidas a un ajuste lineal de calibración según la siguiente ecuación.

Donde, x es la señal de entrada obtenida de la UCI, y es la señal de salida calibrada, FCR es el factor de calibración de rango y FCZ es el factor de calibración de cero (más adelante en la sección 0 de este capítulo, se presentan los detalles en el proceso de calibración).
La señal de torque requiere un filtrado adicional para crear el efecto que producían los condensadores de muestreo en el sistema de registro del equipo original (ver Figura 15); la respuesta del equipo original se evaluó obteniendo la curva de cura para el patrón (torque constante, que representa la respuesta del sistema a un escalón), los resultados mostraron un comportamiento de filtro pasa bajos de primer orden con una constante de tiempo de aproximadamente 8 segundos. Por este motivo se implementó un filtro digital con las mismas características, representado por la siguiente ecuación a diferencias.

Donde, x es la entrada al filtro, y es la salida de torque filtrada, T es el periodo de muestreo (1 seg.) y t es la constante de tiempo para el filtro (8 seg.).

Figura 8: Cuadro de lecturas y pre-procesamiento en SSCEQ de la
información entregada por UCI de Monsanto - Rheometer 100.

La velocidad de cura (slope) es obtenida mediante una diferenciación digital de la señal de torque procesada. La siguiente ecuación diferencial (basada en una aproximación rectangular) fue implementada en SSCEQ para obtener la diferenciación digital.

Donde, x es la señal de torque ya filtrada, y es la señal de velocidad de cura (slope) y T es el periodo de muestreo (1 seg.)

Curva de cura

SSCEQ presenta el desarrollo de las pruebas en tiempo real mediante la curva de cura (torque en función del tiempo); el área central del SSCEQ está destinada para ésta representación según se aprecia en la Figura 9.

Es posible representar hasta diez curvas de cura en el mismo gráfico con la finalidad de realizar comparaciones entre diferentes compuestos de goma, determinar las variaciones entre diferentes muestras del mismo stock, o cualquier otro análisis comparativo. Cada curva de cura es numerada del uno al diez siguiendo el orden de su creación. Durante la prueba, la curva activa se presenta resaltada con un color rojo (puede ser cambiado por el usuario) y doble grosor. Durante el análisis el usuario puede resaltar cualquier curva particular empleando la barra de herramientas de selección de "Curva" (Figura 9).

La barra de herramientas "Graficar" permite controlar y visualizar el estado y los parámetros relacionados con la obtención de las curvas de cura y su presentación (Figura 10).

La primera parte de esta barra de herramientas presenta tres botones encargados de controlar el inicio y fin de una prueba para la obtención de la curva de cura. El botón "Graficar" inicia una nueva curva de cura, automáticamente activa el motor de oscilación y cierra la cámara de vulcanización. La confirmación del cierre de la cámara de vulcanización inicia la graficación de la curva de cura marcando el tiempo cero.

El botón de "Repetir" tiene la misma acción que "Graficar" con la diferencia que repite la prueba anterior, de modo que elimina los datos de la última prueba. El usuario puede detener en cualquier momento la curva de cura y automáticamente abrir la cámara de vulcanización y cerrar los platos.

El control del inicio y finalización de una prueba también es posible realizarlo desde el panel de controles en la unidad básica de Monsanto - Rheometer 100. Cuando el operador cierra la cámara de vulcanización, automáticamente se inicia una nueva curva de cura. Del mismo modo, si el operador abre la cámara de vulcanización, la captura de datos para la curva de cura es finalizada.

La segunda parte de la barra de herramientas para "Graficar" está destinada a establecer los parámetros relacionados con la apariencia de la curva de cura y modo de operación en las pruebas. Algunos datos definidos son para efectos de registro únicamente. El botón de "Tiempo Real" permite establecer si las pruebas actuales son realizadas a la temperatura real (Tiempo Real) o a una temperatura mayor con la finalidad de acelerar el proceso de vulcanización en un factor de cuatro (Tiempo simulado); durante las pruebas de laboratorio es más frecuente el uso del tiempo simulado. El siguiente botón establece el tiempo real programado para la prueba, determinando el valor máximo en el eje de tiempos. Las posibles opciones son 3, 6, 12, 15, 24, 30, 60, 120, 300 ó 600 minutos. El valor tomado por defecto es 3 minutos, por ser el más frecuente en la industria del calzado. El botón de "Rango" establece el valor máximo del eje de torque. Sus posibles valores son 25, 50, 100 ó 200 deci-newtons por metro. El valor de 100 es adoptado por defecto. Los botones de "Arco" y de "Mezcla" se emplean en los registros de las pruebas. Cuando el usuario intenta cambiar el arco, un cuadro de diálogo advierte la necesidad de ajustar la unidad básica de Monsanto - Rheometer 100 al nuevo arco y realizar una calibración del equipo obligatoriamente. El cuadro de mezcla permite clasificar las pruebas.

Ciertas características adicionales se han incorporado para automatizar el proceso de obtención de la curva cura con el objetivo de liberar al operador durante las pruebas: cuando la curva presenta una velocidad de crecimiento considerable (valor definido por el usuario) y el tiempo programado para la prueba está por ser alcanzado, el tiempo programado es reajustado a su valor inmediato superior con la finalidad de completar la prueba. Quince segundos antes de concluir la prueba se emite una señal audible que alerta al operador para extraer el material de la cámara de vulcanización.

Análisis de la curva de cura

Un análisis de la curva de cura es realizado por SSCEQ con la finalidad de obtener los parámetros más importantes definidos por la ASTM (Figura 3). Para esto se obtiene los puntos de cura y quemadura (scorch) de acuerdo al criterio definido por el usuario (el valor por defecto es 90% para la cura y 2 unidades para la quemadura).

También se obtiene el Indice de Velocidad de Cura, que es proporcional a la pendiente promedio en la fase de curado. Se encuentra definido por la siguiente ecuación:

Ecuación 4: Índice de velocidad de cura (fuente: Monsanto, op.cit., pp. 1.1).

La barra de herramientas para "Cálculos" (Figura 11) presenta el botón "Señalar" que permite identificar en forma más clara los puntos de cura y quemadura para la curva activa. El botón de "Rangos" es necesario para recalcular el punto de quemadura cuando este no es apreciable analíticamente. Se ha incorporado también un botón para "Acercar", que permite seleccionar un área rectangular en el gráfico para su ampliación.

Los resultados del cálculo son presentados en el cuadro de "Cálculos" para la curva de cura activa. En el cuadro de "Tablas" se encuentran tabulados los parámetros más importantes (tiempo de cura, tiempo de quemadura y temperatura promedio de prueba) para cada una de las diez posibles curvas de cura representada en el gráfico.

Calibración

Las señales de torque y de temperatura en los moldes superior e inferior pueden ser calibradas tomando como referencia un Patrón proporcionado por el fabricante de Monsanto - Rheometer 100.

Para el torque, el patrón posee los valores indicados en la Tabla 1. Estos pueden variar de acuerdo al patrón empleado y son determinados por el fabricante basándose en mediciones con equipos de alta exactitud. La siguiente tabla se incluye por referencia.

El valor del factor de calibración de rango para el torque es reajustado para alcanzar esos valores durante la calibración. El factor de calibración de cero no requiere reajuste por el método de medición empleado (medición del valor pico a pico).

Para las temperaturas, el ajuste de los factores de calibración de cero y de rango se logra tomando dos puntos de referencia que corresponden al rango de medición (100°C y 200°C). Para esto se emplean dos patrones que consisten en resistencias de alta precisión (±0,01% de tolerancia), una de 139,06W equivalente a 100°C y otra de 176,95 a 200°C. Estos valores se encuentran definidos por el tipo de Pt100 empleado siendo proporcionados por el fabricante.

Estructura de archivos

Las pruebas son almacenadas en archivos cuyo formato permite la recuperación de los datos desde MATLAB, brindando una interfaz importante para un análisis más potente de la información.

Los archivos de pruebas de rheometría poseen extensión 'rhe' y contienen las curvas de curva obtenidas (hasta 10), las condiciones en que se realizaron las pruebas, fecha y hora de su última actualización, la tabla de resultados del análisis para cada curva de cura y un espacio amplio para comentarios. Uno puede recuperar, guardar e imprimir los archivos de pruebas 'rhe' desde la barra de herramientas "General".

Figura 12: Barra de herramientas "General" y "Modelo".

Un tipo de archivo especial (extensión mod) se emplea para los MODELOS. Estos contienen una sola curva de cura que establece un modelo para un determinado compuesto deseado. Los modelos son útiles en el control de calidad de la producción.

A partir de cualquier prueba realizada es posible crear un modelo empleando el botón "Grabar" de la barra de herramientas para "Modelo" (ver Figura 12). Los modelos pueden ser cargados y visualizados en forma conjunta con las pruebas para su fácil comparación.

Este trabajo proporciona una estructura de automatización para el control distribuido con supervisión y administración centralizadas de los equipos de laboratorio en MANACO. Particularmente se ha implementado el sistema para el caso del equipo Monsanto - Rheometer 100, mejorando y modernizando las características de presentación y administración de los resultados gracias a su disponibilidad en una computadora, a esto se añaden las mejoras en la exactitud y calibración de las lecturas obtenidas de la unidad básica del equipo y la precisión en su registro. Ahora es posible obtener un análisis automático de los resultados, característica no presente en el sistema original antes de la automatización. Otro aporte importante radica en la automatización del proceso de obtención de las curvas de cura.

Futuros trabajos podrían basarse en ésta estructura y los elementos ya implementados para realizar el control de la temperatura en la cámara de vulcanización. También se recomienda realizar un estudio para determinar las frecuencias en el mantenimiento preventivo de la unidad básica del equipo y calibraciones necesarias para garantizar su exactitud.

Apéndice A
Protocolo de comunicación entre CSC y UCIs

Como ya se mencionó, la comunicación entre la CSC y las UCIs se basa en una configuración maestro - esclavo empleando la norma industrial RS-485. Los datos son transmitidos asincrónicamente en forma serial (UART) usando palabras de 9 bits a una velocidad de 19200 baudios.

En la CSC se emplea el puerto serial RS-232 (COM1, COM2 o cualquiera que se encuentre disponible) por lo que es necesario un CONVERSOR RS-485/RS-232 para su conexión física al bus RS-485.

· El protocolo establecido se basa en la identificación de cada UCI en la red con un número propio y único entre 0 y 254, que llamaremos UCI-ID. En realidad la información se encuentra en los 8 primeros bits de cada palabra. El noveno bit tiene la función de señalar las palabras especiales de Selección de UCI que llevan la información del UCI-ID. La palabra de Selección de UCI solo puede ser transmitida por la CSC, cualquier otra palabra presente en el bus de comunicaciones debe llevar este noveno bit borrado.

Apéndice B

UCI para Monsanto - Rheometer 100

Con la automatización, el sistema de registro original de Monsanto - Rheometer 100 ya no es necesario. De este modo solamente se utiliza la unidad básica. Para que ésta pueda interactuar con su UCI son necesarias las siguientes señales.

· Señal de torque experimentado por el rotor de la cámara de vulcanización, para la medición de la rigidez de la goma.

· Señales de temperatura presente en los moldes que forman la cámara de vulcanización.

· Señal discreta que indica el estado de la cámara de vulcanización (abierta o cerrada).

· Señales de comando para encendido y apagado del motor de la cámara de vulcanización.

· Señales de comando para apertura y cierre de la cámara de vulcanización.

En primer término es necesario determinar la tecnología en la que se debe basar la UCI para el caso particular del Monsanto - Rheometer 100. Seguidamente se establece la forma como debe ser acondicionada cada señal para su integración. Finalmente se describe el protocolo que emplea esta UCI para comunicarse con la CSC y realizar las pruebas de rheometría.

C. Tecnología base de UCI para Monsanto - Rheometer 100

Para determinar la tecnología en que se basa la UCI, se toma en cuenta como principales factores: el costo, la adaptabilidad a las características del EQL, la optimización y disponibilidad de recursos empleados. Las alternativas tecnológicas analizadas fueron: PLCs y DCSs de diferentes fabricantes con representación en Bolivia (7), FiedPoint (8), o sistema propietario basado en microcontrolador. La tecnología elegida para el caso del Monsanto - Rheometer 100 es un sistema propietario basado en microcontrolador que es la más adecuada con relación a las otras, principalmente por tratarse de varias señales con diferentes naturalezas.

Se emplea el microcontrolador PIC16C73A (9) fabricado por Microchip Technology, Inc. En virtud a que integra los siguientes dispositivos necesarios: conversores A/D de 8-bits (para las señales de torque y temperatura) y UART (para comunicación con CSC).

La siguiente figura presenta un diagrama general de la UCI para Monsanto - Rheometer 100 basado en el microcontrolador PIC16C73A.

Medición de rigidez en la goma

Esta es la cantidad más importante para un rheómetro y merece especial consideración.

Durante las pruebas el disco presente en la cámara de vulcanización oscila dentro de un pequeño arco de ± 1, 3 o 5 grados de acuerdo a un excéntrico fijado al eje de un motor (Figura 14). En Monsanto - Rehometer 100 el motor opera a 100 rpm. El movimiento recíproco es transmitido desde el excéntrico a través del lazo de conexión y un brazo al eje del disco para su oscilación. En el brazo se encuentra un transductor de fuerza que se encarga de medir la fuerza requerida para producir la oscilación en el disco.
El transductor de fuerza consiste en una galga extensiométrica de cuatro brazos de material semiconductor en una configuración de puente con compensación de temperatura, la cual se encuentra ligada al brazo que transmite la fuerza del motor al disco (su ubicación puede verse en la Figura 14 resaltada con un círculo).

Figura 14: Sistema de disco oscilante de Monsanto - Rheometer 100
Fuente: Monsanto, op. cit., pp. 1.2.

El torque aplicado al disco produce un voltaje en los contactos eléctricos del transductor de fuerza que es proporcional a la rigidez del polímero. Debido a que el disco oscila a una frecuencia de 100 ciclos por minuto (1,67 Hz) puede comprenderse claramente que la fuerza aplicada al brazo (torque) variara desde cero (cuando el disco este en su posición central), alcanzará un valor máximo, regresará a cero, nuevamente alcanzará un máximo pero en sentido opuesto al anterior y finalmente regresará a cero. Esto describe una onda de forma senoidal con una frecuencia de 1,67 Hz. la cual es reproducida por el voltaje en los extremos del transductor de fuerza.

Figura 15: Circuito de registro para torque original de Monsanto - Rheometer 100
Fuente: Monsanto, op. cit., pp. 1.2.

El sistema de registro original de Monsanto - Rehometer 100 empleaba un circuito denominado conversor AC-DC que se encargaba de obtener los valores máximos de torque proporcionados por el transductor de fuerza. Este circuito emplea interruptores de proximidad magnéticos y condensadores para realizar el muestreo de la señal de voltaje del transductor de fuerza justo en los puntos máximos de la señal.

El sistema propuesto elimina el circuito original de conversión AC-DC para realizar un procesamiento digital y obtener el máximo torque. En la siguiente figura puede apreciarse el diagrama de bloques del sistema de acondicionamiento de señal empleado para el transductor de fuerza. La señal resultante es conectada directamente a una entrada analógica del microcontrolador PIC16C73A.

El circuito de excitación para el puente de galga extensiométrica consiste en una fuente de corriente constante de 10,1mA con elevada exactitud (±0,25%) y desvió por efectos de temperatura casi nulo (±25ppm/°C). Esta fuente de corriente emplea el componente integrado REF200 fabricado por Burr-Brown Corp. 10 basado en una configuración propuesta por el fabricante 11.

Un filtro pasa bajos pasivo de primer orden con una frecuencia de corte de 800Hz limita el ancho de banda de la señal a la entrada del amplificador instrumental, el cual posee entradas diferenciales y una ganancia ajustable en el rango de 20dB a 60dB, valor exacto definido durante la calibración inicial de la unidad. Esta etapa de amplificación se basa en el amplificador instrumental de precisión INA118 fabricado por Burr-Brown Corp 12.

Posteriormente la señal es desplazada en voltaje. Esto es necesario porque la señal en naturaleza es senoidal y las entradas analógicas del microcontrolador solamente admiten niveles de voltaje positivos.
Antes de entregar la señal al conversor A/D integrado en el microcontrolador, ésta es acotada por un filtro pasa bajos pasivo de primer orden con una frecuencia de corte de 20Hz (recordemos que la señal en naturaleza posee un ancho de banda de 1,67Hz). Este mismo circuito se encarga de ajustar los niveles a los permitidos por la entrada analógica del microcontrolador, con el objetivo de protegerla.

El tratamiento digital efectuado por el microcontrolador consiste en extraer el nivel de voltaje pico a pico de la señal. El microcontrolador obtiene el valor digital de la señal a una frecuencia de muestreo de 25KSPS y evalúa el valor máximo y mínimo encontrados en la señal cada segundo. Recordemos que la señal de voltaje entregada por el transductor de fuerza genera una señal senoidal con un periodo de 0,6 segundos (1,67Hz). Al analizar la señal dentro de un segundo garantizamos cubrir un periodo de la señal y los valores máximo y mínimo reflejan el valor pico a pico de la señal.

Apéndice C

Glosario de Términos
Abreviaciones adoptadas por el autor
EQL - Equipo de laboratorio.
UCI - Unidad de control e interfaz.
CSC - Computadora de supervisión y control.
SSCEQ - Software de supervisión y control de equipos de laboratorio.
FCR - Factor de calibración de rango.
FCZ - Factor de calibración de cero.
Abreviaturas y términos generales
UART - Universal asynchronous transmitter and receiver.
Bauds - Velocidad de comunicación básica en bits por segundo.
PLC - Programmable Logic Controller.
DCS - Distributed Control System.
SPS - Samples per second.
TTL - Transistor-Transistor Logic

Agradecimientos
"Deseo agradecer a mi tutor Edson Roberto De Pieri, al coordinador de la maestría Egbert Bol y al encargado del Departamento de Laboratorio en Manaco Freddy Fernández, por su valiosa colaboración y ayuda. Un agradecimiento muy especial para mi familia: mis padres Miguel y Rosa, mi hermano Chafic y mi esposa Silvia quienes con su apoyo hicieron posible la culminación de este trabajo. Principalmente expreso mi gratitud a Dios a quien debo todo."
El autor.