Medición de PH para ingenieros mecánicos

Puede ser raro para alguién que trabaja en la industria metalmecánica encargarse de analizar mediciones de PH, pero a veces es necesario. El PH es una medida para evaluar muchos fluídos en la industria como el líquido de corte, agua de proceso, baños electrolíticos, ad nauseam....

¿Qué es el PH?

El PH es una medida de la actividad de los iones hidrogeno.

Química elemental, un ión es un atomo que ha perdido o ganado electrones, es decir que se ha vuelto más positivo o más negativo.

La molécula de agua forma iones llamados hidronio  H₃O⁺ (AKA Oxonio, o según otros Hidroxonio). Si por alguna razón hay una fuente de hidrogeno en el agua (como un ácido) , las moléculas de esta última tienden a formar  oxonios. El agua puede compartarse como un ácido o como base, así que en el agua quimicamente pura hay hidronios (cuya cantidad se usa como referencia).

En otras palabras:

El agua normal es  H₂O

Agua (fuente:wikipedia)

Cuando llega un ión de hidrogeno  se pega al agua formando hidronio, esta molécula se ha vuelo más positiva (o sea es un catión)

H₃O⁺

Aquí tenemos al hidronio (conózcalo usted):

    

Hidronio, también llamado oxonio (fuente: wikipedia)

El hidronio vive de prisa y muere joven, casi inmediatamente es consumido (solvatado) por las moléculas del agua. Hay otras sustancias que son mejores productores de hidronios que el agua pura, por ejemplo los ácidos…

Bien, la cantidad de hidronios en el agua es una indicación de la acidez o alcalinidad. Para medir la concentración del  hidronios en el agua se utiliza el concepto de “concentración molar” (no confundir con los dientes).  No entraremos en detalles de la concentración molar. En este momento baste saber que nos define cuantos hidronios hay.

El PH es el resultado de multiplicar el logaritmo por un número negativo, se usa un logaritmo
 debido a que la concentración es un número muy pequeño:

Por ejemplo:

El agua tiene, a temperatura de 21 , una concentración de [H₃O⁺] = 1 × 10⁻⁷ M (0,0000001) o sea simplemente un pH de 7, ya que pH = –log[10⁻⁷] = 7

La cantidad de iones de hidrogeno esta para diferentes sustancias esta indicada en la siguiente gráfica:

Sustancias y su ph (fuente: wikipedia)

Entonces, un PH 7 es neutro, menor a 7 ácido y mayor a 7 alcalino.

Ahora sí, ¿Cómo lo medimos?

Sin duda se puede encontrar una gran información en la web, pero se pueden resumir en dos tipos:
a)      Indicadores (colorímetros “tornasol”)
b)      Indicadores (Titulación; tritación)
c)      Por eléctrodo.

a)      Indicadores (colorímetros “tornasol”)

El primer método consiste sencillamente en un papel con una sustancia que cambia de color de acuerdo al ph de la solución:

papel tornasol (fuente: wikipedia)

Este método no es muy preciso y está sujeto a cierta subjetividad. 

b) Titulación

La titulación es un método de “análisis volumétrico”. Cunando hay una reacción química y se cambia el PH, las moléculas de la nueva sustancia pueden dispersar la luz de diferente manera.  En palabras más profanas, cambia de color cuando cambia de PH. Este principio se basa en que todas las moleculas dispersan la luz de acuerdo a su tamaño, como la clorofila, que dispersa las ondas de luz de entre 500 y 600 nanómetros, o sea los colores verdes.

En base a lo anterior se pueden agregar ciertas sustancias que al reaccionar con los acidos o las bases cambian de color

Más allá del valor del PH esta técnica permite determinar la cantidad desconocida de un reactivo conocido. En el caso del agua, la alcalinidad se puede deber a varios tipos de sales, con el método de titulación es posible determinar la alcalinidad debidaa una sal específica. Este método precisa el uso de un PH-metro para  resultados más precisos. (nota: hay otros tipos de titulaciones, esta solo es para el tema que estamos tratando)

Titulación (fuente: wikipedia)

b) Electrodo (PH metro)

El tercer método es utilizar un eléctrodo, sencillamente ya se venden integrados como un PH-Metro. Este tipo de instrumetnos  son más precisos que los anteriores y más fáciles de usar.

PH metro (fuente wikipedia)

El instrumento consiste en varios electrodos colocados en una capsula que los protege del ambiente pero permite el paso de la solución. en realidad son 3 electrodos: uno de referencia, otro de medición y uno más para compensación por temperatura.


El principio es sencillo, los valores de potencial eléctico varían de acuerdo a la concentración de hidronios en la solución. Esto permite realizar una valoración entre el valor del electrodo de medición y el de referencia. El electrodo de referencia no varia su valor con la concentración y permite comparar el valor del eléctrodo de medición. El instrumento mide la diferencia de potenciales eléctricos y lo convierte a un valor de PH.

Los detalles de la construcción de los electródos de los PH-metros y de su calibración será parte del siguiente post.

Una cuestión que algunas veces puede surgir en nuestras labores como ingenieros es la de determinar el centro de masa de un cuerpo. En un caso particular, imaginemos que alguién se queja de que un contrapeso no tiene la masa de desbalance a un punto fijo especificado, podriamos suponer que es suficiente tomarle medidas, pero esto no sirve si el cuerpo es muy irregular y si su método de fabricación no deja superficies regulares como en el caso de la fundición.

Para este tipo de casos podemos usar el truco de usar los momentos. Para eso necesitamos una celda de carga, como la usada para medir el torque de las herramientas de ensamble.


Ahora vamos a suponer que nuestro cuerpo es de este tipo:

 fuente(http://www.wrljet.com/fordv8/289hp.html)

Este tipo de contrapesos fundidos tienen la desventaja de que pueden tener ciertas variaciones debido a que la fundición es un proceso muy "burdo".  Nosotros representaremos esquematicamente esta pieza así:

Supongamos que todo el contorno de la pieza es de fundición y que queremos sacar la disancia del centro de masa al centro del agujero maquinado.
Para determinar de manera experimental esa distancia requerimos una celda de carga para medir torque. Una celda como la que se muestra a continuación (fuente:https://www.futek.com/application/torque-sensor/Torque-Verification-Calibration)

en la imagen se muestra la celda y el ejemplo para calibrar un medidor de torque. Nosotros solo requerimos la celda y un indicador. Representaremos la celda así:

ahora, sabemos que un momento es el producto de la fuerza por la distancia, en nuestro caso el peso por la distancia al centro de la celda.

Torque = Peso X Distancia

Si creamos un brazo que pueda colocarse en la celda con un peso cualquiera W1, podremos determinar su distancia al centro de masa al despejar la distancia.
Nuestro brazo es una barra metálica con un agujero cuadrado donde lo ensamblaremos con la celda y una pivote en un extremo dode meteremos el contrapeso.
La distancia del centro del agujero cuadrado al centro del pivote es concocida, y le llamaremos D.

Torque en la celda = Distancia al centro de masa X Peso
Distancia al centro de masa= (torque en la celda) / Peso

La suma de los momentos totales en un punto es igual a la suma de los momentos individuales. Por lo tanto si hacemos el ensamble del brazo en la celda, esta última nos indicará un valor de torque T1 causado por el peso W1, si quisieramos saber la distancia del centro de la celda al centro de masa del brazo solo tenemos que despejar:

Distancia al centro de masa del brazo = (torque en la celda)/W1

Ahora, recordemos que la distancia del centro del agujero al centro del pivote es conocida, si hacemos todo el ensamble con el contrapeso podremos sacar el valor del torque generado por el contrapeso:

El torque total Tt es igual a la suma del torque del brazo más el torque del contrapeso

Tt=Torque brazo + Torque contrapeso

Despejamos el torque (momento) del causado por el contrapeso con una sencilla resta:

Torque contrapeso = Tt - Torque brazo

Ahora saquemos la distancia del centro de la celda al centro de masa del contrapeso:

Distancia del centro de masa del contrapeso al centro de la celda =
(Torque contrapeso) / W2

y listo, si se requiere la distancia en otro perfil solo es necesario crear otro tipo de brazo.

Las partes de fundición tienen ciertos puntos de localización en sus dibujos ("datums" o referencias), sería necesario que el brazo incorporara esos puntos en su diseño para lograr localizar el centro de masa con respecto a ellos.

Calibrar cintas métricas

En ciertos lugares se utilizan las cintas métricas de manera habitual, sin embargo cuando se tratan de implementar sistemas de calidad surge la duda cuando se pide que las cintas métricas sean controladas como instrumentos de medición. Un comentario que frecuentemente se escucha sobre las reglas o cintas métricas es que estas no se pueden calibrar por que “no se pueden ajustar”.

Cinta métrica (tomado de Wikimedia)

 Debemos recordar las definición de calibración que nos da la BIMP (BIPM: Bureau International des Poids et Mesures) es:

Calibración Es laoperación que en una primera etapa es una relación de los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida, y las correspondientes indicaciones de sus incertidumbres asociadas.

…

Nota 2. No conviene confundir la calibración con el ajuste de un sistema de medida...

Sin complicarnos demasiado, si tomamos un patrón y comparamos su valor con el valor proporcionado por el instrumento, en este caso una regla, estamos calibrando el instrumento. La calibración es algo independiente del ajuste. Bien, en ese orden de ideas es posible calibrar nuestras reglas o cintas métricas “in house” teniendo los patrones adecuados.

¿Cuales son los patrones adecuados? Sencillamente unos patrones de longitud u otra regla de menor incertidumbre. Para los que tienen a su alcance una CMM, se pueden crear patrones con dimensiones conocidas, validadas con la cmm y usarlos como patrones para la calibración. Las tolerancias son amplias, así que no es algo muy díficil. Hay  que considerar que las tolerancias de fabricación son de casi un milímetro, estas tolerancias tan altas no permiten construir patrones de referencia con una precisión aceptable sin costos altos.

La figura siguiente nos muestra una opción.

Un posible patrón para cintas métricas.

Existen varios estándares para las reglas y cintas métricas, en Estados Unidos el  ASME B89.7, en México tenemos la NOM-046-SCFI-1999, sin duda hay muchos otros estándares equivalentes en el resto del mundo. Podemos crear nuestro procedimiento interno de calibración usando estas normas como punto de partida.

Se debe tener en cuenta, que los requerimientos de ISO no requieren forzosamente una calibración, se puede realizar solamente una verificación de la cinta. En este caso, el contar con un patrón como el que mencionamos antes, simplifica grandemente cumplir con ese requerimiento y, lo más importante, asegurar que la cinta métrica funciona adecuadamente.