ES2932476A1 - Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos - Google Patents

Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos Download PDF

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García Antonio Macías
Rego Jesús Manuel Rodríguez
Sánchez Raúl Sánchez
González Jose Sánchez
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
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    • G—PHYSICS
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Abstract

Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos. La invención consiste en un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, que comprende una base inferior (1) con un soporte inferior (1.1), y, una base superior (2) con un soporte superior (2.1) adecuados para el acoplamiento de un portamuestras, que comprende un dispositivo de medición de la conductividad; medios de compresión del portamuestras; medios de medición de la compresión; medios de medición de la distancia (10) entre dichas bases inferior y superior (1, 2), y una electrónica de control. Asimismo, la invención también comprende un método de medida de la conductividad eléctrica mediante dicho equipo que comprende la obtención de una muestra del material pulverulento e introducción en un portamuestras; la colocación del portamuestras entre los soportes inferior y superior (1.1, 2.1); la aplicación de valores de presión y obtención de la conductividad y su tendencia, y la detención de la aplicación de presión.

Description

DESCRIPCIÓN
Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos
Campo técnico de la invención
La presente invención corresponde al campo técnico de la tecnología de caracterización de materiales, ingeniería eléctrica e ingeniería electrónica y más en concreto a un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados.
Antecedentes de la Invención
En la actualidad, la medición de la conductividad eléctrica de materiales pulverulentos o granulados no tiene un método estandarizado en la comunidad científica.
Para el caso de los materiales carbonosos, la conductividad eléctrica se ve influida por muchos factores y parámetros que no afectan a otro tipo de materiales. Entre ellos, se encuentran factores tales como la humedad absorbida, la compactación del material, la estructura mesoporosa, la superficie química, las estructura físicas y químicas y las propiedades texturales.
Para medir la conductividad eléctrica de un sólido, se relaciona la resistencia que opone el material al paso de la corriente, con la geometría en la que se dispone al medir dicha resistencia.
Los instrumentos más utilizados para medir la resistencia eléctrica en cualquier tipo de material se basan en los medidores de 2 puntas o los de 4 puntas. Estos consisten en introducir el material en un recipiente y compactarlo para, posteriormente utilizando multímetros o polímetros con mayor o menor precisión aplicar el medidor de 2 o de 4 puntas y obtener un valor de conductividad. El método de las 4 puntas es más preciso pues elimina los efectos del cableado y permite mediciones más exactas en materiales con baja conductividad. Resulta útil para medir resistencias de valores muy bajos, ya que elimina las contribuciones de las resistencias de cableado y los potenciales de contacto. Para acoplar las sondas del medidor de 4 puntas a un material pulverulento, granulado o carbonoso es necesario encapsularlo en un portamuestras con una estructura fija y medible.
Un factor importante en estas mediciones es la compactación del material, pues al ser materiales pulverulentos ofrecen medidas variables si las partículas no están próximas entre sí, lo que ha imposibilitado hasta la fecha, conocer la magnitud de presión a la que se somete el material y un valor exacto y preciso de la resistencia al paso de la corriente que ejerce el material, creando discrepancias entre la comunidad científica.
Estas técnicas y herramientas para medir conductividades eléctricas de materiales pulverulentos, carbonosos o granulados tienen como inconveniente que no son capaces de obtener un valor real, preciso y reproducible por la gran variabilidad de factores involucrados.
En la bibliografía existente, se encuentran artículos que explican o usan estos equipos convencionales, pero en los que, para el caso concreto de materiales pulverulentos y carbonosos los resultados no son reproducibles por la comunidad científica. Además, se puede encontrar información sobre conductividad eléctrica para el mismo material carbonoso y pulverulento que no se reproducen de forma exacta.
El problema de todos estos instrumentos es que no realizan un protocolo de medición donde se unifiquen presiones, compactación del material y se obtenga una línea de tendencia que prediga la conductividad del material con diferentes presiones aplicadas. Así pues, el resultado que obtengan, aunque sea muy preciso por el método empleado, no es extrapolable, ya que no permiten controlar o extrapolar variables que influyen en la conductividad (presión aplicada, cantidad de material, etc....). De esta forma es habitual ver en estudios de diferentes autores que para el mismo material e igual cantidad obtiene diferentes valores de conductividad, por lo que dificulta el proceso de replicar dicho estudio para obtener nuevas conclusiones o simplemente analizarlo.
No se conoce en el estado de la técnica ningún instrumento que resuelva este problema de forma satisfactoria.
Descripción de la invención
El equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, que aquí se presenta, comprende una base inferior de la que emerge superiormente un soporte inferior, adecuado para el acoplamiento del extremo inferior de un portamuestras con el material a medir y, una base superior de la que emerge inferiormente un soporte superior adecuado para el acoplamiento del extremo superior del portamuestras.
Este equipo comprende un dispositivo de medición de la conductividad del material; unos medios de compresión del portamuestras; medios de medición del valor de dicha compresión; unos medios de medición de la distancia entre dichas bases inferior y superior, y; una electrónica de control.
Además, el portamuestras está formado por un recipiente con un primer extremo y un segundo extremo opuesto y sendos electrodos conductores de la electricidad embebidos en el mismo que sobresalen cada uno por un extremo del recipiente respectivamente.
En esta memoria se propone igualmente un método de medición de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, mediante un equipo como el definido, que comprende una primera fase formada por la obtención de una muestra del material pulverulento e introducción de la misma en un portamuestras.
A continuación, una segunda fase está formada por la colocación del portamuestras entre soporte inferior y el soporte superior, tal que los electrodos del mismo están en contacto con el dispositivo de medición de la conductividad.
Seguidamente se realiza una tercera fase consistente en la aplicación de diferentes valores de presión y obtención mediante un algoritmo de la electrónica de control, de los valores de la conductividad y la tendencia de los mismos.
La cuarta fase consiste en la detención de la aplicación de presión, regreso a la posición inicial del portamuestras y la retirada del mismo.
Con el equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados y el método de medición mediante el mismo que aquí se propone, se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica.
Esto es así pues se consigue un modo de calcular la resistencia que opone el material al paso de la corriente y, esta medida junto a la distancia medida por el sensor de distancia y a la geometría a la que se encuentra el objeto de estudio, permiten obtener valores de conductividad eléctrica estables y de forma precisa, a una presión controlada por la electrónica mediante el sensor de presión.
Para la colocación del portamuestras, el equipo presenta un soporte inferior y un soporte superior que se adaptan al mismo y lo protegen, presentando la opción de ser intercambiables para portamuestras con una forma diferente.
Se logra un equipo eficaz, con el que es posible la obtención de un valor real y reproducible en este tipo de materiales pulverulentos o granulados, al eliminar factores que impedían tomar dichas mediciones de una forma exacta y precisa. Con esto, se permite mejoras en futuros estudios científicos y en un análisis más completo de los materiales carbonosos.
Además, este sistema permite medir la conductividad eléctrica en diferentes rangos de presiones, obteniendo una línea de tendencias y así poder deducir cómo se comporta el material en otras magnitudes de presión. Con este modo de medición es posible, mediante la línea de tendencia, obtener un valor extrapolable a la conductividad que presentaría el material en otras condiciones de presión, o cantidad de material introducido por lo que permite comparar valores de conductividad de materiales pulverulentos unificando las condiciones externas aplicadas para su medición.
Este equipo logra corregir los defectos existentes en el estado de la técnica y facilita la caracterización de materiales pulverulentos, ya que permite replicar los estudios de otros autores que utilizan estos portamuestras, aunque la cantidad de material introducida o la presión aplicada sea diferente, es decir, permite corregir las condiciones externas que influyen en la conductividad del material.
Breve descripción de los dibujos
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1.- Muestra una primera vista en perspectiva de un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, para una realización preferida de la invención.
La Figura 2.- Muestra una segunda vista en perspectiva y en explosión, de un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, para una realización preferida de la invención.
La Figura 3.- Muestra una vista en alzado de un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, para una realización preferida de la invención.
La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de un portamuestras para un equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, para una realización preferida de la invención.
Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención
A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un modo de realización preferente de la invención, el equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados que aquí se propone, comprende una base inferior (1) de la que emerge superiormente un soporte inferior (1.1), adecuado para el acoplamiento del extremo inferior de un portamuestras con el material (13) a medir y, una base superior (2) de la que emerge inferiormente un soporte superior (2.1) adecuado para el acoplamiento del extremo superior del portamuestras.
Dicho portamuestras, como se muestra en la Figura 4, está formado por un recipiente (11) con un primer extremo (11.1) y un segundo extremo (11.2) opuesto, un alojamiento interno para depositar el material (13) a medir y sendos electrodos (12) conductores de la electricidad embebidos en el mismo que sobresalen cada uno por un extremo del recipiente respectivamente y que son susceptibles de desplazarse dentro de dicho alojamiento para realizar la compresión del material (13) a medir.
Este equipo, comprende además un dispositivo de medición de la conductividad del material (13) que, en este modo de realización preferente de la invención, como se muestra en la Figura 2, está formado por un primer conector (3) metálico dispuesto en el soporte inferior (1.1) y enrasado con la superficie superior del mismo y, un segundo conector (4) metálico dispuesto en el soporte superior (2.1), enrasado con la superficie inferior del mismo.
Además, el equipo comprende unos medios de compresión del portamuestras que, en este modo de realización preferida, como puede observarse en las Figuras 1 a 3, comprenden el desplazamiento de al menos una de las bases respecto a la otra y están formados por un tornillo sinfín (5) con un primer extremo (5.1) situado en la base inferior (1) y un segundo extremo (5.2) conectado a la base superior (2) a través de la misma y, una barra (6) metálica paralela al tornillo sinfín (5), con un primer extremo (6.1) conectado a la base inferior (1) y un segundo extremo (6.2) situado a través de la base superior (2), y tal que dicha barra (6) y el tornillo sinfín (5) están situados a ambos lados de los soportes inferior y superior (1.1,2.1).
Presenta además unos medios de medición del valor de dicha compresión y unos medios de medición de la distancia (10) entre dichas bases inferior y superior (1,2).
En este modo de realización preferente de la invención, los medios de medición de la distancia (10) están conectados al segundo extremo (6.2) de la barra (6) y, los medios de medición de la compresión están formados por un sensor de presión (7) situado sobre el segundo conector (4) metálico, como se muestra en la Figura 2.
Así mismo, este equipo comprende una electrónica de control que, en este modo de realización preferida está formada por un microcontrolador con un algoritmo implementado para obtención de valores de la conductividad y la tendencia de la misma, y está conectado al elemento de medición de la longitud, a un motor (9) que presentan los medios de compresión en este caso, y al primer y segundo conectores metálicos.
Por otra parte, en este modo de realización preferente de la invención, los soportes inferior y superior (1.1, 2.1) están conectados a la base inferior (1) a la base superior (2) respectivamente, mediante medios de conexión amovibles. Esto va a permitir que dichas bases puedan intercambiarse por otras más adecuadas en función de la forma del portamuestras.
En este caso además, los soportes inferior y superior (1.1, 2.1) están situados de forma concéntrica.
En este modo de realización preferida, el equipo comprende una pantalla (8) de comunicación de los resultados dispuesta en la base inferior (1) y unos medios de comunicación inalámbrica del microcontrolador con un dispositivo electrónico.
En esta memoria se presenta además un método de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, mediante un equipo como el definido previamente, que comprende una primera fase de obtención de una muestra del material (13) pulverulento e introducción de la misma en un alojamiento del portamuestras.
A continuación, presenta una segunda fase de colocación del portamuestras entre el soporte inferior (1.1) y el soporte superior (2.1), tal que los electrodos (12) del portamuestras están en contacto con el dispositivo de medición de la conductividad.
La tercera fase consiste en la aplicación de diferentes valores de presión al material (13) a través de los electrodos (12), que se desplazan dentro del alojamiento del portamuestras y obtención, mediante el algoritmo de la electrónica de control, de los valores de la conductividad y la tendencia de la misma.
Estos resultados son muy importantes ya que la conductividad de los materiales pulverulentos se ve muy influenciada por la separación o la cantidad de contactos entre sus partículas, así como de la geometría interior del dispositivo que guarde dicho material (13) durante el proceso de medición.
El protocolo que el dispositivo sigue para medir la conductividad permite obtener un valor extrapolable mediante la línea de tendencia a la conductividad que presenta el material en otras condiciones de presión por lo que permite comparar valores de conductividad de materiales pulverulentos unificando las condiciones externas aplicadas para su medición.
Finalmente, la cuarta fase está formada por la detención de la aplicación de presión.
Posteriormente, se regresa a la posición inicial del portamuestras y se retira el mismo.
La forma de realización descrita constituye únicamente un ejemplo de la presente invención, por tanto, los detalles, términos y frases específicos utilizados en la presente memoria no se han de considerar como limitativos, sino que han de entenderse únicamente como una base para las reivindicaciones y como una base representativa que proporcione una descripción comprensible así como la información suficiente al experto en la materia para aplicar la presente invención.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, que comprende una base inferior (1) de la que emerge superiormente un soporte inferior (1.1), adecuado para el acoplamiento del extremo inferior de un portamuestras con el material a medir y, una base superior (2) de la que emerge inferiormente un soporte superior (2.1) adecuado para el acoplamiento del extremo superior del portamuestras, caracterizado por que además comprende - un dispositivo de medición de la conductividad;
    - unos medios de compresión del portamuestras;
    - medios de medición del valor de dicha compresión;
    - unos medios de medición de la distancia (10) entre dichas bases inferior y superior (1,2), y;
    - una electrónica de control;
    donde el portamuestras comprende un recipiente (11) con un primer extremo (11.1) y un segundo extremo (11.2) opuestos, un alojamiento interno para depositar el material (13) a medir y sendos electrodos (12) conductores de la electricidad embebidos en el mismo que sobresalen cada uno de dichos primer y segundo extremos (11.1, 11.2) respectivamente y que son susceptibles de desplazarse dentro de dicho alojamiento para realizar la compresión del material (13) a medir.
    2- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo de medición de la conductividad del material del portamuestras está formado por un primer conector (3) metálico dispuesto en el soporte inferior (1.1) y enrasado con la superficie superior del mismo y, un segundo conector (4) metálico dispuesto en el soporte superior (2.1), enrasado con la superficie inferior del mismo.
    3- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de compresión del portamuestras comprenden el desplazamiento de al menos una de las bases respecto a la otra y están formados por un tornillo sinfín (5) con un primer extremo (5.1) situado en la base inferior (1) y un segundo extremo (5.2) conectado a la base superior (2) a través de la misma y, una barra (6) metálica paralela al tornillo sinfín (5), con un primer extremo (6.1) conectado a la base inferior (1) y un segundo extremo (6.2) situado a través de la base superior (2), y tal que dicha barra (6) y el tomillo sinfín (5) están situados a ambos lados de los soportes inferior y superior (1.1,2.1).
    4- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según la reivindicación 3, caracterizado por que los medios de medición de la distancia (10) están conectados al segundo extremo (6.2) de la barra (6) y los medios de medición de la compresión están formados por un sensor de presión (7) situado sobre el segundo conector (4) metálico.
    5- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los soportes inferior y superior (1.1, 2.1) están conectados a la base inferior (1) y a la base superior (2) respectivamente, mediante medios de conexión amovibles.
    6- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la electrónica de control está formada por un microcontrolador con un algoritmo implementado para obtención de la conductividad y la tendencia de la misma, conectado al elemento de medición de la longitud y al primer y segundo conectores (3, 4) metálicos.
    7- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una pantalla (8) de comunicación de los resultados dispuesta en la base.
    8- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende medios de comunicación inalámbrica del microcontrolador con un dispositivo electrónico.
    9- Equipo de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los soportes inferior y superior (1.1, 2.1) están situados de forma concéntrica.
    10- Método de medida de la conductividad eléctrica para materiales pulverulentos, carbonosos o granulados, mediante un equipo como el definido en las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende los pasos de:
    - obtener una muestra del material (13) pulverulento e introducción de la misma en un alojamiento del portamuestras;
    - colocar el portamuestras entre el soporte inferior (1.1) y el soporte superior (2.1), tal que los electrodos (12) del portamuestras están en contacto con el dispositivo de medición de la conductividad;
    - aplicar diferentes valores de presión al material (13) a través de los electrodos (12), que se desplazan dentro del alojamiento del portamuestras y obtener, mediante el algoritmo de la electrónica de control, los valores de la conductividad y la tendencia de la misma;
    - detectar la aplicación de presión
    - regresar a la posición inicial del portamuestras y
    - retirar el portamuestras.
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