Viscosímetro de Bola para Medição de Viscosidade

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
 
 
 
“VISCOSÍMETRO DE BOLA” 
 
 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA 
 
 
 
 
 
PRESENTA 
BLANCA ESTELA SÁNCHEZ HERNÁNDEZ 
 
 
 
 
 
ASESORES 
M. EN C. ARTURO RANGEL MERINO 
DR. ROBERTO LINARES Y MIRANDA 
 
 
MÉXICO, D. F. 2008. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE 
 
OBJETIVO ........................................................................................................................... I 
ALCANCE...........................................................................................................................II 
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. III 
INTRODUCCIÓN............................................................................................................. IV 
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES ......................................................................................1 
1.1 FLUIDOS .................................................................................................................. 1 
1.2 VISCOSIDAD ............................................................................................................ 1 
1.3 CLASIFICACIÓN DE VISCOSÍMETROS ........................................................................ 3 
1.3.1 Viscosímetros Capilares ................................................................................. 3 
1.3.2 Viscosímetros Rotacionales............................................................................ 5 
1.3.3 Viscosímetro de Caída de bola ....................................................................... 6 
1.4 RESUMEN ................................................................................................................ 8 
CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE LA CAÍDA DE BOLA.........................................9 
2.1 PESO Y PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES ......................................................................... 9 
2.2 FUERZA DE ROZAMIENTO......................................................................................... 9 
2.3 LEY DE STOKES ..................................................................................................... 11 
CAPÍTULO 3 CONSTRUCCIÓN DEL VISCOSÍMETRO..........................................13 
3.1 INTRODUCCIÓN...................................................................................................... 13 
3.2 DIAGRAMAS A BLOQUES DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA .......................................... 14 
3.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL DESEADO ................................................................. 15 
3.4 DESCRIPCIÓN TÉCNICA.......................................................................................... 17 
3.4.1 Tubo Contenedor .......................................................................................... 17 
3.4.2 Giro............................................................................................................... 18 
3.4.2.1 Electroimán............................................................................................... 19 
3.4.2.2 Motor ........................................................................................................ 20 
3.4.2.3 Excitador para motor y electroimán ......................................................... 20 
3.4.3 Detectores de Bola........................................................................................ 21 
3.4.3.1 Emisor Infrarrojo ...................................................................................... 23 
3.4.3.2 Receptor Infrarrojo ................................................................................... 23 
3.4.4 Control de Temperatura................................................................................ 23 
3.4.4.1 Sensor de Temperatura ............................................................................. 26 
3.4.4.2 Calentador................................................................................................. 27 
3.4.4.3 Bomba....................................................................................................... 28 
3.4.4.4 Fotoacopladores........................................................................................ 28 
3.4.5 Exhibidor Alfanumérico ............................................................................... 28 
3.4.6 Comunicación USB ...................................................................................... 29 
3.4.7 Microcontrolador .......................................................................................... 30 
3.4.8 Fuente de Alimentación................................................................................ 35 
3.4.8.1 Transformador .......................................................................................... 36 
3.4.8.2 Rectificador .............................................................................................. 36 
3.4.8.3 Regulador ................................................................................................. 37 
3.4.9 Análisis de información mediante una computadora personal..................... 37 
CAPÍTULO 4 CARACTERIZACIÓN DEL VISCOSÍMETRO...................................39 
4.1 CALIBRACIÓN: AGUA ............................................................................................. 39 
4.1.1 Parámetros de la bola.................................................................................... 39 
4.1.2 Resultados..................................................................................................... 40 
4.2 PRUEBA: ADITIVO PARA GASOLINA ....................................................................... 41 
4.2.1 Parámetros de la bola.................................................................................... 41 
4.2.2 Resultados..................................................................................................... 42 
CONCLUSIONES..............................................................................................................43 
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................44 
ANEXOS .............................................................................................................................47 
ANEXO 1 CÁLCULOS ELÉCTRICOS ..................................................................................... 47 
Detectores de Bola........................................................................................................ 47 
Selección de RP para DS1621....................................................................................... 48 
Fuente de alimentación de 5V (LM2575) .................................................................... 49 
Fuente de alimentación de 13V (LM2575) .................................................................. 50 
Control de potencia todo o nada ................................................................................... 53 
Fotoacoplador (MOC3041) .......................................................................................... 53 
ANEXO 2 TABLAS DE ESPECIFICACIONES ........................................................................... 54 
Motor - reductor ........................................................................................................... 54 
Excitador para motor y electroimán (L293D) .............................................................. 54 
Emisor Infrarrojo (IR383) ............................................................................................ 55 
Sensor de temperatura (DS1621).................................................................................. 55 
Fotoacopladores (MOC3041) .......................................................................................56 
Exhibidor Alfanumérico (AND491)............................................................................. 56 
Microcontrolador (PIC18F452).................................................................................... 57 
Reguladores (LM2575) ................................................................................................ 57 
ANEXO 3 DIAGRAMAS ELÉCTRICOS ................................................................................... 58 
Tarjeta Principal ........................................................................................................... 58 
Fuente de Alimentación................................................................................................ 60 
Tubo.............................................................................................................................. 61 
Detectores de bola ........................................................................................................ 62 
Medición de temperatura .............................................................................................. 62 
Comunicación microcontrolador – PC ......................................................................... 63 
Control de actuadores (Bomba y calentador) ............................................................... 63 
ANEXO 4 DIAGRAMAS MECÁNICOS ................................................................................... 64 
Tubo.............................................................................................................................. 64 
Depósito de Acero ........................................................................................................ 65 
Soporte para Tubo ........................................................................................................ 66 
Detectores de bola ........................................................................................................ 67 
ANEXO 5 FOTOGRAFÍAS..................................................................................................... 68 
ANEXO 6 EQUIPO TERMINADO .......................................................................................... 70 
ANEXO 7 DESCRIPCIÓN DE PARTES .................................................................................... 71 
ANEXO 8 ÍNDICE DE IMÁGENES ......................................................................................... 73 
ANEXO 9 ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. 75 
ANEXO 10 FACTORES DE CONVERSIÓN ............................................................................. 76 
ANEXO 11 FICHA TÉCNICA (ADITIVO) ............................................................................... 77 
ANEXO 12 GLOSARIO ........................................................................................................ 78 
 
 
 
 I 
Objetivo 
 
 
Diseñar y construir un dispositivo para medir la viscosidad de líquidos empleando la 
técnica de caída de bola. Con el equipo a diseñar se debe poder procesar la información 
obtenida, generando un registro permanente de los resultados obtenidos y finalmente poder 
desplegarlos mediante un exhibidor alfanumérico y/o hacia una computadora personal. 
 
 II 
Alcance 
 
 
El proyecto desarrollado debe incorporar funciones de registro de datos, visualización 
gráfica, programación del número de pruebas a realizar a temperaturas programables con 
conexión a una computadora personal. 
 
El procesamiento de la información obtenida durante las pruebas solo podrá realizarse en la 
PC conectada al equipo. 
 
No se contempla la incorporación de este dispositivo conectado a una red. 
 
 III 
Justificación 
 
 
En la actualidad existen diversos tipos de medidores de viscosidad (rotacionales, capilares, 
etc.) que son utilizados dentro de los laboratorios para realizar pruebas de fluidos. Un 
viscosímetro instrumentado reducirá la intervención del usuario en cada prueba. Con lo 
anterior, se debe lograr la agilización de la obtención de resultados de la viscosidad de 
diversos fluidos con mayor eficiencia y exactitud. Asimismo, ofrecer la posibilidad de tener 
un registro permanente de cada prueba realizada permitirá analizarlas a detalle para 
históricos. 
 
 IV 
Introducción 
 
 
La necesidad de entender nuestro mundo ha llevado al ser humano a desarrollar nuevas 
técnicas que le permitan interpretar mejor los conocimientos que adquiere mediante la 
observación, e incluso la tecnología ha permitido analizar la naturaleza sin la intervención 
del hombre. Esto se debe a que el ser humano no tiene la capacidad de medir ciertos 
fenómenos por sus propias limitaciones. 
 
Uno de los parámetros mas importantes a medir dentro de la industria es la viscosidad, la 
cual además de ser una variable de gran influencia en las mediciones de flujo de fluidos, se 
usa como punto de referencia en la formulación de nuevos productos facilitando la 
reproducción de la consistencia de un lote a otro. 
 
Para poder medir este parámetro se han desarrollado diversos equipos, cuyo mecanismo 
determina el alcance que tiene para comparar diversos fluidos. Dicho mecanismo puede ser 
simple o muy complejo, lo que a su vez determina su precio en el mercado. Las principales 
diferencias entre los viscosímetros existentes son: 
 
- Técnica empleada 
- Exactitud 
- Automatización 
- Atemperación1 
- Precio 
 
El viscosímetro de caída de bola emplea una técnica muy simple; sin embargo es muy 
exacta en comparación con otros dispositivos y es muy fácil de utilizar. Su principal 
desventaja radica en que la medición de la viscosidad depende de la intervención humana, 
pues el tiempo de caída de la bola se determina mediante un cronómetro manual y las 
capacidades visuales del observador. Otra desventaja que tiene este medidor (e incluso 
otros viscosímetros que emplean una técnica diferente) es que no cuenta con una conexión 
hacia la computadora ni el programa que permita analizar e interpretar los resultados 
obtenidos, lo cual es muy importante dentro de la investigación y el desarrollo de la ciencia. 
 
Por lo anterior, se pretende a través de este proyecto, diseñar un viscosímetro de caída de 
bola que pueda medir con exactitud la viscosidad de los fluidos y además que ofrezca otras 
opciones que lo hagan ser mas útil, práctico y novedoso frente a otros modelos en el 
mercado. Para lograr esto, se estructuró esta investigación de la forma siguiente: 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 
En este capítulo se definen los conceptos más importantes que permitan entender mejor las 
funciones de un medidor de viscosidad. Conceptos tales como fluido, clasificación de 
fluidos, viscosidad (unidades) y técnicas para calcularla. 
 
 
1 Moldear, templar. Acomodar una cosa a otra. 
 
 V 
Capítulo 2 Metodología de la Caída de Bola 
 
En este capítulo se exponen las expresiones matemáticas que permiten obtener la 
viscosidad dinámica y cinemática a través de la técnica de caída de bola. 
 
 
Capítulo 3 Construcción del Viscosímetro 
 
Se describe cada uno de los elementos que conforman el medidor de viscosidad. 
 
 
Capítulo 4 Caracterización del Viscosímetro 
 
En este capítulo se realizan las pruebas correspondientes para la caracterización de la bola y 
la medición de la viscosidad de un líquido. 
 
 
 
 
1 
Capítulo 1 Antecedentes 
 
 
1.1 FLUIDOS 
 
Los fluidos son aquellos cuerpos cuyas moléculas tienen poca coherencia entre sí, tomando 
la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se clasifican en dos tipos: 
 
- Fluidos newtonianos: son aquellos que fluyen a través de un recipiente sin que se les 
aplique una fuerza externa por área2. 
- Fluidos no newtonianos: requieren un valor mínimo de τ para iniciar el escurrimiento. 
 
Existen varios casos de fluidos no newtonianos. El estudio de las propiedades de 
deformación de las sustancias en función de losesfuerzos que a ellas se les aplican se 
denomina Reología. 
 
Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar 
y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos unos de otros. Características como 
la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor, sólo se pueden definir en los líquidos 
y gases. 
 
 
1.2 VISCOSIDAD 
 
La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Está ligada a su resistencia al 
deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. De hecho esta 
propiedad es la utilizada para distinguir el comportamiento entre los fluidos y los sólidos. 
 
Desde el punto de vista físico, la viscosidad se debe al efecto combinado de la cohesión 
entre las moléculas y al intercambio de cantidad de movimiento entre las capas del fluido 
en movimiento. Las fuerzas de cohesión entre las moléculas hacen que al desplazarse unas 
con respecto a las otras, tiendan a ser arrastradas las partículas vecinas. Esta fuerza de 
cohesión depende de la separación entre las moléculas, la cual influye de manera 
importante en los fluidos. A medida que la velocidad de las moléculas crece, este factor 
disminuye. Existe también un intercambio de cantidad de movimiento entre las placas del 
fluido que se desplazan debido a que hay partículas de distinta velocidad que, al escurrir el 
fluido, pasan de una capa a otra. Debido a que la velocidad de las moléculas de los fluidos 
aumenta con la temperatura, el efecto de las fuerzas de cohesión disminuye y el de 
intercambio de cantidad de movimiento aumenta. 
 
Un gráfico del comportamiento de algunos materiales típicos en función de la viscosidad se 
incluye en la figura 1.1. 
 
 
2 Se conoce como esfuerzo de corte τ. 
 
 
 
2 
 
Figura 1.1.- Comportamiento de un fluido viscoso 
 
 
En esta gráfica puede observarse las diferencias que existen entre los diversos fluidos con 
respecto a su viscosidad: 
 
- Flujo ideal, en el cual la viscosidad se puede considerar despreciable. 
- Flujo newtoniano, la viscosidad es constante. 
- Flujo plástico, en el cual es necesario un esfuerzo de corte inicial para que comience 
a fluir. Este es el caso típico de las pinturas de aceite. 
- Fluido dilatante. En éstos la viscosidad aumenta con la taza de deformación3. 
 
La viscosidad η (dinámica o absoluta) deberá tener dimensiones de fuerza–
tiempo/(longitud)2 o masa/(longitud⋅tiempo). Se utilizan ambos grupos dimensionales, 
aunque para la mayoría de los trabajos científicos, las viscosidades se expresan en poises y 
centipoises. 
 
2
6
-2
-3 2
1g
1poise=
m s
 =1×10 centipoises
 =1×10 micropoises
 =6.72 10 lb/(pies)(seg)
 =242 lb/(pies)(hr)
 =2.09 10 lb/ft
⋅
×
×
 
 
 
3 Fenómeno que se presenta cuando actúa una fuerza sobre un cuerpo. 
Newtoniano 
Plástico ideal 
Plástico (Bingham) 
Pseudo – Plástico 
Dilatante 
Fluido ideal 
τ 
µ 
S
ól
id
o 
 
 
 
3 
Al cociente de la viscosidad dinámica y la densidad del fluido se le conoce como 
viscosidad cinemática µ, cuyas unidades son m2/s. Comúnmente se emplean los stokes o 
centistokes (una centésima de stokes) para representar este parámetro. 
 
 
1.3 CLASIFICACIÓN DE VISCOSÍMETROS 
 
Un viscosímetro es un equipo para medir la viscosidad de un fluido. Existen tres técnicas 
básicas prácticas para determinar la viscosidad de un líquido newtoniano: 
 
a) Midiendo el flujo del líquido a través de tubos (viscosímetros capilares). 
b) Viscosímetros rotacionales. 
c) Empleando patrones de viscosidad de fluidos conocidos. 
 
 
1.3.1 Viscosímetros Capilares 
 
Normalmente estos modelos tienen la forma de un tubo en U como se pueden apreciar en la 
figura 1.2, así tenemos el viscosímetro de Ostwald, el viscosímetro de Cannon–Fenske y el 
viscosímetro de Ubbelohde. 
 
El diseño más simple de este tipo de modelos es el viscosímetro de Ostwald. El 
viscosímetro se llena con la solución que se desea evaluar hasta el nivel superior, o marca 
A, posteriormente el fluido se succiona rebasando la marca del bulbo a través del tubo 
capilar, hasta la marca B. Como siguiente paso, el fluido pasa a través del tubo capilar bajo 
la influencia de la presión hidrostática del mismo. Se registra el tiempo que tarda en pasar 
el fluido de la marca B a la marca C a través del tubo capilar. El tiempo se multiplica por 
una constante del instrumento para determinar la viscosidad cinemática del fluido: 
 
Viscosidad cinemática = constante tiempo× 
 
El tiempo que le toma al fluido pasar por el tubo capilar es inversamente proporcional a la 
densidad del fluido, y directamente proporcional a la viscosidad dinámica4, obteniendo la 
expresión: 
 
 tiempo
µ
ρ
∞ 
 
Donde: 
 
µ Viscosidad dinámica. 
ρ Densidad del fluido. 
 
 
 
4 Se determina midiendo el gradiente de la velocidad del fluido y el esfuerzo cortante. 
 
 
 
4 
Como el tiempo es dependiente de la densidad y la viscosidad de un fluido, el viscosímetro 
de flujo capilar da una lectura directa de la viscosidad cinemática. 
 
Frecuentemente el viscosímetro de Ostwald se emplea en la determinación del peso 
molecular de polímeros. Debido a que el fenómeno de capilaridad que presenta un líquido 
depende del diámetro del tubo en el que se encuentra, es necesario utilizar diversos tubos, 
con la finalidad de obtener el más adecuado a las características de la sustancia a probar. 
 
El viscosímetro Cannon–Fenske elimina el error producido durante la caída de presión en el 
tubo vertical incluyendo un tubo inclinado por el que pasará el fluido. Los dos bulbos se 
encuentran exactamente sobre el mismo eje y el capilar está inclinado. La desventaja que 
tiene el que trabaja con un viscosímetro de tubo en U es como mantener sin movimiento el 
instrumento suspendido y que se pueda garantizar que siempre estén con la misma 
inclinación, así como el no poder realizar determinaciones a temperaturas diferentes a las 
ambientales. 
 
Las características más sobresalientes de este tipo de viscosímetros son las siguientes: 
 
- Elevada Precisión. 
- Tiempos de medición largos. 
- Solo para líquidos newtonianos y transparentes. 
- Precio razonable. 
- Error de operador. 
- Automatizable (caro). 
 
 
Figura 1.2.- Viscosímetros capilares. a) Ostwald b) Ubbelohde c) De flujo inverso. 
A 
B 
B 
B 
C 
B 
A 
B 
B 
B 
C 
B 
B 
B 
A 
B 
b) 
c) 
a) 
 
 
 
5 
1.3.2 Viscosímetros Rotacionales 
 
Estos viscosímetros se basan en el principio de que la fuerza requerida para rotar un objeto 
inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Estos instrumentos consisten en 
una copa conteniendo la muestra, la cual gira a una velocidad rotacional ω. En el líquido se 
encuentra un cilindro sumergido representando un cilindro coaxial de altura h y radio r1. El 
cilindro interno está suspendido a un alambre de torsión produciendo un torque como 
resultado de las fuerzas viscosas del fluido rotando sobre éste, logrando un estado 
estacionario del movimiento. En algunos instrumentos el cilindro interno está rotando y el 
torque se mide en la copa, o bien, a un torque constante aplicado se observa la deformación 
resultante. 
 
A una distancia r del centro, ese torque es igual a: 
 
22T r h Fπ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 
 
Donde T: torque, h: altura del cilindro interno, y F: tensor de esfuerzo al radio r. Así a partir 
de una medición de torque leída, podemos estimar el tensor de esfuerzos aplicado al fluido. 
 
Los viscosímetros rotacionales pueden tomar varias formas, y éstas son normalmente 
descritas en términos de sus sistemas de medición pero el principio es el mismo para todos. 
Algunos de ellos son: 
- El viscosímetro de aguja que funciona determinando el torque requerido para lograr 
una cierta rotación. 
 
- El viscosímetro de cono y plato que emplea un cono que se introduce en el fluido a 
unamuy poca profundidad haciendo contacto con el plato. 
 
Un ejemplo de este tipo de medidores es el que se muestra en la figura 1.3, el cual 
determina la viscosidad y otras características reológicas. Cuenta con un display digital que 
muestra directamente la lectura de la viscosidad en centipoises, centistokes ó milipascales, 
la velocidad en rpm5, la temperatura en °C ó °F, la densidad en gr/cm3 y también indica 
que aguja se está usando durante la prueba. 
 
Este viscosímetro es un modelo innovador frente a otros aparatos pues incluye las 
funciones siguientes: 
 
- Tiene la posibilidad de cambiar las unidades del Sistema inglés (SI) al Sistema métrico 
decimal (CGS). 
- Se pueden escoger 19 velocidades desde 0.3 hasta 200 rpm. 
- Se puede programar el torque para que el aparato se detenga cuando se cumpla con esa 
consigna. 
 
 
5 Revoluciones por minuto. 
 
 
 
6 
- Se puede programar el tiempo de duración de la prueba. 
- El equipo lleva a cabo un AUTOTEST con alarmas visuales y acústicas en caso de 
funcionamiento incorrecto. 
- Disminución progresiva de la velocidad cada vez que la rotación tiende a detenerse para 
evitar una vibración brusca en el eje. 
- Función de AUTORANGO. 
- Tiene 10 memorias de Trabajo (recuerda tipo de aguja, velocidad, unidades utilizadas, 
etc.). 
- El usuario puede calibrar la viscosidad y la temperatura. 
- Tiene una interfase bidireccional RS232 para enviar los datos a una PC ó a una 
impresora. 
- Tiene 8 opciones de lenguaje (incluido el español). 
- Programa Datalogger para enviar los datos a la PC directamente a Excel vía RS232. 
 
 
 
Figura 1.3.- Ejemplo. Viscosímetro rotacional. 
 
 
1.3.3 Viscosímetro de Caída de bola 
 
Consiste en un recipiente que contiene un fluido viscoso. Su funcionamiento se basa en 
introducir una pequeña esfera dentro del recipiente, la cual parte del reposo y rápidamente 
alcanza la velocidad límite6. El tiempo que le toma recorrer la distancia L determina la 
viscosidad del fluido. Las variables que intervienen en el proceso de medición son: 
 
ρ1 Densidad de la esfera sólida. 
ρ2 Densidad del líquido. 
L Longitud que cae la esfera en un tiempo t. 
V0 Velocidad límite de la esfera. 
 
 
6 Es la relación que existe entre la distancia que recorre la esfera y el tiempo que tarda en hacerlo. 
 
 
 
7 
Este tipo de instrumentos se utiliza principalmente en los sectores siguientes: 
 
- Industria de aceites minerales (aceites, líquidos hidrocarbonos). 
- Industria alimentaria (soluciones de azúcar, miel, cerveza, leche, gelatina, zumos de 
frutas). 
- Industria química (soluciones de polímeros, disolventes, soluciones de resinas, 
dispersiones de látex, soluciones adhesivas). 
- Industria cosmética/farmacéutica (materias primas, glicerina, emulsiones, suspensiones, 
soluciones, extractos). 
- Industria petrolera (crudo, aceite para máquinas, petróleo). 
- Carburantes (petróleo, aceite diesel y parafina). 
- Industria papelera (emulsiones, dispersiones de pigmentos, aditivos del papel). 
- Pinturas y barnices (tinas para impresión, barnices, acuarelas, tintas). 
 
Un ejemplo de este tipo de medidores es el que se muestra en la figura 1.4, el cual consta de 
un recipiente transparente aislado térmicamente a través del cual caen bolas de acero o 
niquel. En la tabla 1.1 se describen las características de cada una de ellas. 
 
 
Esfera Material 
Diámetro 
(mm) 
Peso (g) 
Densidad 
(g/cm3) 
Constante K 
(mPas/cm3/g) 
Intervalo de µ 
mPa.s 
1 Vidrio 15.812 4.5983 2.221 0.00792 0.6-10 
2 Vidrio 15.598 4.4073 2.218 0.09601 7-130 
3 Hierro 15.606 16.1923 8.136 0.09042 30-700 
4 Hierro 15.203 14.9622 8.132 0.65407 200-4800 
5 Acero 14.286 11.6771 7.649 4.66080 800-10000 
6 Acero 11.112 5.5351 7.705 33.82923 6000-75000 
 
Tabla 1.1.- Ejemplo. Esferas y constantes empleadas para viscosímetro de bola. 
 
 
Dentro del tubo, está colocado un termómetro que permite ver al usuario la temperatura que 
tiene el fluido. El fabricante proporciona un cronómetro para que el usuario determine el 
tiempo de caída de la esfera. Debido a esto, este modelo es apto para medir viscosidades 
bajas. Este equipo ofrece la capacidad de medir la viscosidad de gases utilizando bolas de 
borosilicato y además permite variar el ángulo de inclinación del recipiente para poder 
medir fluidos pseudoplásticos. 
 
Las principales desventajas que tiene este medidor son: 
 
- Si la velocidad a la que cae la bola es muy grande, la lectura no es exacta. 
- La medición de la viscosidad requiere de la intervención del usuario, lo que resulta un 
problema si se requiere realizar varias pruebas. 
- Este instrumento no puede medir la viscosidad de sustancias opacas. 
- Tampoco cuenta con una interfaz para PC. 
 
 
 
 
8 
 
 
Figura 1.4.- Ejemplo. Viscosímetro de caída de bola. 
 
 
1.4 RESUMEN 
 
Tomando en cuenta las características de cada uno de los equipos utilizados para medir la 
viscosidad de líquidos newtonianos, se concluye que el viscosímetro de bola es el equipo 
más adecuado para desarrollar y construir, por las razones siguientes: 
 
Procesamiento de la información: 
- El cálculo de la viscosidad es simple, puesto que se obtiene midiendo el tiempo que 
tarda un cuerpo en pasar a través de dos puntos. 
- Los elementos que intervienen en la medición de la viscosidad son pocos en 
comparación con otros equipos, haciendo su control más eficiente. Además, cada uno de 
ellos puede caracterizarse fácilmente, puesto que sus parámetros son constantes e 
independientes (masa y volumen). Para lograr lo anterior, es posible utilizar 
instrumentos que se encuentran al alcance (calibrador, báscula, pipeta, etc.). 
 
Fabricación: 
- Los materiales con los cuales se construye el viscosímetro son de fácil adquisición. 
- El costo de fabricación es bajo. 
 
 
 
 
9 
Capítulo 2 Metodología de la Caída de Bola 
 
 
Para conocer la técnica que emplean los viscosímetros de bola, es necesario estudiar el 
movimiento de caída de un cuerpo bajo la acción de su peso y de la fuerza de rozamiento 
del medio circundante a él, obteniendo expresiones que definan su velocidad en función del 
tiempo y su posición inicial. 
 
 
2.1 PESO Y PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES 
 
El peso es el producto de la masa por la aceleración de la gravedad g. La masa es el 
producto de la densidad del material ρ1 por el volumen de la esfera de radio R. 
 
3
1
4
3
W m g R gρ π= ⋅ = ⋅ ⋅ (1) 
 
De acuerdo con el principio de Arquímedes: 
 
“Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una 
fuerza de empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado”. 
 
Por tanto, el empuje es igual al producto de la densidad del fluido ρ1 por el volumen del 
cuerpo sumergido, y por la aceleración de la gravedad, esto es: 
 
3
2
4
3
E R gρ π= ⋅ ⋅ (2) 
 
 
 
2.2 FUERZA DE ROZAMIENTO 
 
Cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido, aparece una fuerza sobre él que se opone 
a dicho movimiento. Ésta recibe el nombre de fuerza de rozamiento y tiene su origen en los 
esfuerzos tangenciales y normales que ejerce el fluido sobre la superficie del objeto. Este 
parámetro resulta muy difícil de determinar analíticamente, ya que depende de varios 
factores. Por eso es necesario recurrir básicamente a la adquisición de datos experimentales 
y, con esta finalidad, es costumbre expresar dicha fuerza en la forma: 
 
2
2
1
2 D
F C Avρ= ⋅ ⋅ ⋅ 
 
Donde v es la velocidad relativa del cuerpo en el fluido, ρ2 es la densidad del fluido, A es el 
área de la sección transversal máxima que el cuerpo ofrece al flujo y CD es un parámetro 
empírico llamado coeficiente de arrastre, cuyo valor depende de la forma geométrica del 
 
 
 
10 
cuerpo y de la orientación de éste respecto al flujo, así como el valor del número de 
Reynolds asociado con el flujo alrededor del cuerpo. Dicho número de Reynolds (Re), es 
una magnitud adimensional definida en la forma:2 d vRe
ρ
η
⋅ ⋅= 
 
Donde d representa la longitud del objeto medida a lo largo de su sección transversal (en el 
caso de una esfera es 2R), y η es la viscosidad dinámica del fluido. 
 
La siguiente figura representa gráficamente la dependencia del coeficiente de arrastre con el 
número de Reynolds para el caso de una esfera lisa. Se trata de una gráfica logarítmica (log 
CD en función de log R). Como puede apreciarse, el coeficiente de arrastre varía de una 
forma complicada conforme aumenta el valor del número de Reynolds. 
 
 
Figura 2.1.- Variación del coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds para el caso de la esfera. 
Ley de 
Stokes 
Arrastre sobre una esfera 
Re 
CD 
 
 
 
11 
2.3 LEY DE STOKES 
 
Para un amplio intervalo de valores de Re, la forma funcional del coeficiente de arrastre Cd 
se señala de la forma siguiente: 
 
24 6
0.4
Re 1 Re
DC ≈ + ++
 
 
Para pequeños valores del número de Reynolds (i.e., Re <1), el primer término domina. La 
fuerza de rozamiento sobre un cuerpo de forma esférica de radio R se enuncia así: 
 
( )2 221 24 62 ReF r v r vρ π π η= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 
 
 
6F r vπ η= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (3) 
 
Expresión que se conoce como la ley de Stokes, en honor del físico irlandés Sir George 
Stokes (1819 – 1903), que la dedujo por primera vez en 1845. Esta ley establece que la 
fuerza de rozamiento que se opone al movimiento de una esfera a través de un fluido, 
cuando Re<1, es proporcional a la viscosidad del fluido, al diámetro de la esfera y a la 
velocidad de la misma en el seno del fluido. 
 
Si la bola cae verticalmente en el líquido, luego de un cierto tiempo se moverá con 
velocidad constante v y todas las fuerzas que actúan sobre ella se encontrarán en equilibrio, 
es decir: 
 
 
Figura 2.2.- Cuerpo sumergido en un líquido. 
 
EFW += (4) 
W 
F+E 
 
 
 
12 
Sustituyendo las expresiones (1), (2) y (3) en la expresión (4) se tiene lo siguiente: 
 
3 3
1 2
4 4
6
3 3
r g r v r gπ ρ π η π ρ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ 
 
Para obtener la viscosidad dinámica η , agrupamos los términos: 
 
3 3
1 2
4 4
6
3 3
r g r g r vπ ρ π ρ π η⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 
( )3 1 2
4
6
3
r g r vπ ρ ρ π η⋅ ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 
( )
( )
3
1 24
3 6
r g
r v
π ρ ρ
η
π
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −
=
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
 
( )
( )
2
1 22
9
r g
v
ρ ρ
η
⋅ ⋅ ⋅ −
= 
 
Finalmente se sustituye la velocidad 
t
d
v = 
 
( )
( )
2
1 22
9
r g t
d
ρ ρ
η
⋅ ⋅ ⋅ − ⋅
= 
Considerando: 
 
22
9
r
K g
d
= ⋅ ⋅ 
 
Obtenemos la ecuación para el cálculo de la viscosidad en el viscosímetro de bola, la 
ecuación queda: 
 
( )1 2 (5)K tη ρ ρ= ⋅ − ⋅
 
 
 
Donde K es la constante de bola, que depende de la bola utilizada y de la temperatura del 
laboratorio. La K puede calcularse para una sustancia conocida, por ejemplo el agua 
destilada, y a partir de su valor buscar la viscosidad para cualquier líquido en un intervalo 
definido.
 
 
 
13 
Capítulo 3 Construcción del Viscosímetro 
 
 
3.1 INTRODUCCIÓN 
 
Como se vio en el capítulo 2, el viscosímetro de bola es un instrumento que permite medir 
la viscosidad dinámica a través de un tubo en el cual se coloca la sustancia a analizar. 
Además, el viscosímetro emplea cuerpos esféricos los cuales recorren una distancia d 
dentro del recipiente. Es importante notar que la velocidad inicial de dichos cuerpos debe 
ser cero, es decir, el movimiento a través del tubo es de caída libre. 
 
El tiempo que le tome pasar por ambos puntos determina la viscosidad empleando la 
expresión siguiente: 
 
( )1 2K tη ρ ρ= ⋅ − ⋅
 
Como podemos ver, la medición del tiempo t es el principio del viscosímetro. 
 
Existen dos parámetros fundamentales que deben tomarse en cuenta para realizar las 
mediciones: la presión y la temperatura, ambos deben permanecer constantes durante el 
experimento pues de lo contrario pueden modificar el resultado. Tomando en cuenta lo 
anterior, se resaltan los principales puntos del proyecto: 
 
- Diseñar y construir un recipiente que permita almacenar el líquido a medir. Éste debe 
ser de tal diámetro que la esfera se deslice a través del tubo fácilmente, es decir, que no 
oscile dentro de él ni que obstruya su paso. El material con el que esté fabricado el 
recipiente, debe soportar temperaturas entre los 10°C y los 70°C. 
 
- Las esferas deben estar fabricadas con un material que evite su deformación durante el 
experimento, pues éstas estarán todo el tiempo en contacto con la sustancia a medir. Por 
tanto, se propone utilizar esferas de acero inoxidable. 
 
- Medir el tiempo que le toma a la bola recorrer una distancia determinada dentro del 
tubo. Para ello, es importante diseñar un sistema que detecte el paso de la bola en 2 
puntos. 
 
- Considerando el hecho de que las esferas deben recorrer la distancia d en caída libre, se 
sugiere emplear un sistema que permita liberar dichos cuerpos sin tocarlos, esto es, que 
el mecanismo se encuentre fuera del recipiente. 
 
- Proporcionar un sistema de control de temperatura dentro del recipiente. Dicho control 
debe permitir al usuario ingresar la temperatura deseada entre un intervalo de 0°C y 
70°C. 
 
- Finalmente, se debe contemplar la posibilidad de enviar los resultados obtenidos a una 
computadora y desplegarlos mediante un programa. 
 
 
 
14 
3.2 DIAGRAMAS A BLOQUES DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA 
 
De acuerdo a las premisas anteriores, los siguientes diagramas a bloques describen los 
elementos que conforman el viscosímetro a diseñar. 
 
 
 
Figura 3.1.- Elementos que intervienen en la medición de la viscosidad. 
 
 
 
 
Figura 3.2.- Tablero de programación. Interfaz con el usuario. 
Liberar bola 
Control de 
temperatura 
Soporte 
Giro 
Recipiente 
Medio 
termorregulador 
Calefacción 
(actuador) 
Detección de 
la bola 
Medición de 
temperatura 
Transporte 
(actuador) 
Tablero de programación de 
funciones 
Función de 
encendido/apagado 
Función de reinicio del 
sistema 
Interfaz visual 
con el usuario 
Funciones de 
selección múltiple 
Indicadores visuales 
de eventos 
 
 
 
15 
 
 
Figura 3.3.- Circuito eléctrico propuesto. 
 
 
 
Figura 3.4.- Programa para PC 
 
 
3.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL DESEADO 
 
- Parámetros de programación: 
 
El usuario debe indicar los parámetros de los elementos que intervienen en la medición 
(la bola y el líquido), puesto que se requiere calcular la densidad para cada uno. Para el 
cálculo del volumen de la bola, el usuario deberá ingresar el valor correspondiente al 
radio. En el caso del líquido, su volumen estará definido por el recipiente que lo 
contiene. El valor de la masa de ambos, se obtiene mediante una báscula. 
 
 
Programa 
para PC 
Graficar 
resultados 
Media, varianza y 
desviación estándar 
Guardar Abrir Imprimir Conversión de unidades 
Densidad de la 
bola y el líquido 
Conexión al 
viscosímetro 
Constante de 
calibración 
 
 
Microprocesador o 
microcontrolador 
 
 
Sensor de 
temperatura 
Detector de 
bola (punto A) 
Transporte del medio 
termorregulador 
Calentador Exhibidor 
alfanumérico 
Interfaz hacia una 
computadora 
personal 
Detector de bola 
(punto B) 
Control de giro Actuador 
 
 
 
16 
- Número de pruebas: 
 
En muchos casos será necesario hacer más de una medición (e. g., en casos 
estadísticos). Es por ello que el usuario podrá programar a través de un tablero el 
número de pruebas a realizar, agilizando el proceso de medición. 
 
- Modo de operación: 
 
Dentro del estudio de la viscosidad de un fluido, es importante conocer su 
comportamiento a diferentes temperaturas. Es por ello que el equipo a diseñar debe 
contemplar la posibilidad de variar la temperatura en cada prueba. Por lo anterior, se 
proponen los siguientes modos de operación: 
 
Temperatura constante: La temperatura de cada una de las pruebas será la misma. En 
este caso, el equipo debe ofrecer la posibilidad de calcular la media aritmética y la 
desviación estándar de todas las pruebas. 
 
Temperatura variable: El usuario podrá someter la sustancia aprueba a diferentes 
temperaturas. 
 
- Control de temperatura: 
 
Una vez que se hayan capturado los parámetros anteriores, el viscosímetro debe ajustar 
la temperatura deseada en cada caso, mediante un sistema de control que regule el calor 
suministrado al líquido de prueba. Para determinar la cantidad de calor aplicado, el 
sistema de control debe medir constantemente la temperatura del fluido de tal forma 
que la diferencia entre la temperatura real y la requerida sea mínima. En la figura 3.5 se 
describe los elementos que debe conformar el sistema: 
 
 
 
Figura 3.5.- Sistema de control de temperatura. 
 
Calefactor 
(actuador) 
Medición de la 
temperatura 
Comparación entre las 
temperaturas real y 
requerida Entrada que depende de la diferencia 
entre las temperatura real y requerida 
Entrada 
 
Señal de 
temperatura 
requerida 
Salida 
 
Temperatura 
Señal de retroalimentación 
relacionada con la 
temperatura real 
 
 
 
17 
- Caída de la bola: 
 
Cuando se alcance la temperatura deseada, el viscosímetro deberá adecuar la posición 
del tubo y de la bola para que ésta pase a través de dos puntos (A y B) en caída libre. 
 
 
3.4 DESCRIPCIÓN TÉCNICA 
 
Para llevar a cabo cada una de las tareas mencionadas en las figuras anteriores, se 
seleccionaron los elementos adecuados para cada uno de ellos. En los siguientes apartados 
se describe la tarea a realizar en cada bloque y sus características principales. 
 
 
3.4.1 Tubo Contenedor 
 
En los laboratorios se usan comúnmente recipientes fabricados a base de vidrio 
borosilicato, el cual se caracteriza por tener resistencia química máxima, dilatación térmica 
mínima y, en consecuencia, una elevada resistencia al choque térmico. 
 
El vidrio borosilicato tiene aproximadamente la composición siguiente: 
 
Material Porcentaje 
2 3B O (Óxido de Boro) 13 % 
2 3Al O (Óxido de Aluminio) 2 % 
2 2/Na O K O (Óxido de Boro)/(Óxido de Potasio) 4 % 
2SiO (Óxido de Silicio) 81 % 
 
Tabla 3.1.- Composición aproximada del Borosilicato. 
 
El vidrio borosilicato es resistente al agua, ácidos, soluciones de sales, sustancias orgánicas 
y también frente a halógenos como cloro y bromo. Tiene buena resistencia frente a 
soluciones alcalinas. Sin embargo, es oportuno indicar que el ácido fluorhídrico, el ácido 
fosfórico concentrado y soluciones fuertemente alcalinas atacan la superficie del vidrio a 
temperaturas elevadas. La máxima temperatura de uso admisible es de 500ºC. La 
temperatura de transformación según DIN/ISO 3585 es de 525ºC. 
 
Los tubos Liebig o tubos rectos son instrumentos que permiten condensar gases 
almacenados dentro de un tubo. Para lograr esto, se hace pasar agua fría alrededor del 
mismo transformando el gas al estado líquido. Esta característica resulta conveniente dentro 
del diseño del tubo que almacenará el líquido, cubriendo los aspectos siguientes: 
 
- El tubo que almacena el gas a condensar, resulta adecuado para alojar los líquidos 
de los cuales se desea conocer su viscosidad. 
 
 
 
18 
- El agua fría modifica directamente la temperatura del gas que condensa. Si se 
controla la temperatura del agua, ésta podría calentar o enfriar cualquier líquido 
dentro del tubo. 
 
Este tubo fue modificado para adaptarlo a las características del proyecto, como se observa 
en la figura 3.7. Debido a que el viscosímetro debe permitir repetir el experimento varias 
veces, el tubo deberá girar en ocasiones. Para evitar fugas, se ha sellado el extremo superior 
del tubo interno. El otro extremo del tubo interno también se ha recortado, formando una 
boquilla por donde se coloque la sustancia a medir. Este extremo se cierra utilizando un 
corcho. Finalmente, la longitud del tubo externo es mayor que en el diseño original. 
 
 
 
 
 
Figura 3.6.- Condensador Liebig. Diseño original. 
 
 
 
 
 
Figura 3.7.- Tubo contenedor. Diseño modificado. 
 
 
3.4.2 Giro 
 
En los viscosímetros de bola convencionales, para soltar la bola dentro de su contenedor se 
emplean gatillos mecánicos accionados manualmente. Cuando es necesario repetir este 
proceso, el operador tiene que girar el tubo de tal forma que la bola entre dentro del gatillo 
para reiniciar el proceso, lo que resulta ser un problema cuando es necesario hacerlo varias 
veces. Para reemplazar la intervención del usuario en esta tarea, se propone usar un 
actuador que gire el tubo automáticamente después de concluir con la prueba, trasladando 
la bola dentro del gatillo y llevándola nuevamente a la parte superior del tubo. 
 
Extremo sellado 
Mayor longitud 
Corte de tubo 
 
 
 
19 
 
Figura 3.8.- Caída de la bola. 
 
 
Figura 3.9.- Retorno de la bola 
 
 
A continuación se describen los elementos que llevan a cabo estos procesos. 
 
 
3.4.2.1 Electroimán 
 
La esfera que recorre la distancia d debe ser liberada para que ésta baje en caída libre. El 
hecho de que las esferas sean de acero inoxidable permite emplear un mecanismo 
electromagnético que atraiga la bola para colocarla en la parte superior del tubo antes de 
caer y la libere cuando inicie la prueba. 
 
Un electroimán es un solenoide que consta de una bobina a través de la cual fluye la 
corriente eléctrica. Dicha corriente genera un campo magnético alrededor de ella 
magnetizando su núcleo el cual se constituye generalmente de un material ferromagnético. 
Bola 
retenida 
Bola 
retenida 
Bola 
retenida 
Gatillo activado 
Gatillo activado 
Gatillo activado 
Bola 
retenida 
Bola 
liberada 
Bola 
detenida 
18
0°
 
18
0°
 
18
0°
 
Gatillo activado Gatillo desactivado Gatillo desactivado 
 
 
 
20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10.- Dimensiones de un electroimán. 
 
 
3.4.2.2 Motor 
 
El mecanismo que permita girar el tubo contenedor debe soportar el peso de la estructura de 
los sensores, el del tubo, el agua y el de la sustancia a medir. Por ello, se requiere utilizar un 
actuador (motor) cuyas características consideren lo anterior y que además permita invertir 
el giro. 
 
Para reducir su espacio y costo, se utilizó un motor – reductor el cual consta de un motor de 
corriente directa (CD) y un arreglo de engranes que permiten incrementar la fuerza con la 
que gira el motor (torque), y con ello disminuir sus revoluciones por minuto. 
 
 
 
Figura 3.11.- Motor. Partes. 
 
Existen motores con reductora que no requieren que se les aplique voltaje entre sus 
terminales para mantener su eje inmóvil. Esto representa una gran ventaja pues limita el 
consumo de corriente mientras el viscosímetro está encendido. 
 
 
3.4.2.3 Excitador para motor y electroimán 
 
Como se vio anteriormente, el recipiente que almacena el fluido a caracterizar debe girar en 
ambos sentidos. Para que el eje de un motor de CD pueda girar en las dos direcciones, es 
necesario invertir la corriente que circula a través de él según sea el caso. La forma más 
Eje 
Caja de engranes 
(reductora) 
Motor de CD 
Terminales de 
alimentación 
Diámetro interno 
L
on
gi
tu
d 
de
l 
in
du
ct
or
 
Perímetro externo 
 
 
 
21 
sencilla de controlar un motor de corriente continua de baja potencia, en velocidad y 
sentido de giro, es mediante la conmutación electrónica de los circuitos realizados 
básicamente con transistores que reciben el nombre de puente en H. 
 
En la actualidad, existen circuitos integrados que realizan estas tareas. Tal es el caso del 
L293D el cual es un circuito integrado de cuatro canales que proporciona 600mA en cada 
uno. Cada canal es controlado por señales de entrada compatibles TTL para controlar 
cargas inductivas (como son relevadores, motores de CD y motores a pasos). Para 
simplificar su uso como 2 puentes, cada par de canales está equipado con una terminal de 
habilitación. 
 
Además, este circuito integra un pin de alimentación para la lógica del circuito y un pin 
especial para alimentar las cargas. Finalmente, este integrado incorpora en el mismo 
encapsulado diodos de protección para cargas inductivas. 
 
 
 
 
Figura 3.12.- Control de cargas(electroimán y motor) 
 
 
3.4.3 Detectores de Bola 
 
Debido a que los líquidos a medir y el tubo contenedor son transparentes, esto permite 
emplear sensores que pueden detectar la luz que pasa a través de estos medios. Por ello, se 
utilizaron señales luminosas y sensores infrarrojos (fototransistores), los cuales detectan el 
paso de la bola, pues ésta interrumpe la trayectoria del haz que viaja desde el emisor hasta 
el sensor. 
 
A continuación se describen los pasos a seguir para medir el tiempo de caída de la bola: 
 
a) Cuando la bola se encuentra en la parte superior del tubo sujetado por el electroimán, se 
libera la bola mediante un pulso eléctrico. 
 
L
293D
 
M 
 
1 
0 
1 
0 
VCC 
VCC 
M
icroprocesador o m
icrocontrolador 
L
293D
 
M 
 
0 
1 
0 
0 
VCC 
M
icroprocesador o m
icrocontrolador 
L
293D
 
M 
 
0 
0 
1 
1 
M
icroprocesador o m
icrocontrolador 
 
 
 
22 
b) La distancia d a medir está determinada por los sensores colocados en el tubo. 
 
c) La bola pasa a través del primer emisor, interrumpiendo el haz que lo comunica con el 
sensor infrarrojo, iniciando la medición del tiempo. 
 
d) La bola recorre la distancia d. 
 
e) La bola pasa a través del segundo emisor y el sensor detiene el conteo del tiempo. 
 
 
 
 
 
Figura 3.13.- Detectores de bola. 
 
 
A continuación se describen las características del emisor y el sensor seleccionados. 
 
 
d
 
d
 
d
 
d
 
d
 
(d) (e) (f) 
(b) (c) (a) 
 
 
 
23 
3.4.3.1 Emisor Infrarrojo 
 
El IR383 es un emisor infrarrojo de gran intensidad, moldeado en un encapsulado color 
azul transparente, Sus principales aplicaciones son los interruptores fotoelectrónicos y 
sistemas infrarrojos. 
 
Los requisitos de conexión son los siguientes: 
 
- La corriente que requieren estos dispositivos es suministrada por un amplificador de 
corriente entre microprocesador o microcontrolador y el emisor infrarrojo. 
 
- Como puede verse en la figura 3.13, se requiere emitir una luz infrarroja en dos puntos 
de forma simultánea por lo que conectarlos en serie facilitaría su control. 
 
El esquema propuesto es el siguiente: 
 
 
 
 
Figura 3.14.- Emisores infrarrojos. Diagrama a bloques. 
 
Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos eléctricos de potencia. 
Los circuitos de excitación de los transistores se diseñan para que éstos estén 
completamente saturados (activados) o en corte (saturación). Como solución al esquema 
propuesto, se utilizó el transistor BC547C el cual es un dispositivo bipolar NPN, cuyo valor 
de β es igual a 120. 
 
 
3.4.3.2 Receptor Infrarrojo 
 
Una vez que se establece el uso de luz infrarroja como medio para la detección del paso de 
la bola, es necesario seleccionar los dispositivos semiconductores que puedan leer estas 
señales. 
 
El PT1302BC es un fototransistor NPN que se caracteriza por su sensibilidad a la luz 
infrarroja y a su rápida conmutación. Cuenta además con un filtro para la luz de día. Sus 
aplicaciones son los controladores de discos, video cámaras y en sistemas infrarrojos. 
 
 
3.4.4 Control de Temperatura 
 
Como se menciona en el capítulo 1, la temperatura es uno de los parámetros que influye en 
la viscosidad de un líquido, pues si no permanece estable durante todas las pruebas, los 
resultados no serán los mismos cuando se repita el proceso (modo constante). 
Dispositivo 
electrónico de 
potencia 
Señal de control 
 
 
 
24 
Para comprobar la variación de la temperatura del agua cuando se le aplica una fuente de 
calor, se midió su comportamiento dentro de un depósito cuando se le sumerge una 
resistencia eléctrica. Los resultados fueron graficados en la siguiente figura, cuando la 
potencia aplicada al calentador es del 100%. En ella puede observarse como al conectar la 
resistencia a la corriente eléctrica, la temperatura empieza a incrementarse rápidamente. 
Incluso ésta sigue creciendo aunque se apague la resistencia: 
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
0 50 100 150 200 250 300 350
segundos
T
(°
C
)
 
 
Figura 3.15.- Comportamiento de la temperatura del agua cuando la potencia aplicada es igual al 100 %. 
 
Cuando la potencia que se entrega a la carga es inferior al 100 %, es necesario dosificarla 
hasta alcanzar el nivel deseado. Para lograrlo, se emplean los controladores de voltaje de 
corriente alterna. Éstos controlan el flujo de potencia haciendo variar el valor rms del 
voltaje de corriente alterna aplicado a la carga. Para la transferencia de potencia se usan, en 
el caso normal, dos tipos de control: control todo o nada y el control de fase. 
 
 
Figura 3.16.- Calentador. Curva de potencia. 
A B C D 
100 % 
T deseada 
Potencia 
Temperatura 
 
 
 
25 
Dentro del proyecto se utilizó el control todo o nada, el cual resulta simple y de bajo costo. 
Lo anterior se debe a que la conmutación es por la línea o natural, por lo tanto no hay 
necesidad de circuitos adicionales. 
 
 
 
Figura 3.17.- Convertidor on–off. Circuito eléctrico 
 
Para lograr que la potencia descienda, el número de ciclos n disminuye respecto a los ciclos 
m. A través de un interruptor, se permite el paso del voltaje hacia la carga. 
 
El cerebro del circuito eléctrico a proponer (microcontrolador o microprocesador), debe 
transmitir pulsos eléctricos al interruptor controlando la potencia suministrada a la carga. 
Además de esto, existen otros elementos que intervienen para la estabilidad de la 
temperatura del agua, los cuales se muestran en la figura siguiente: 
 
 
 
Figura 3.18.- Control de Temperatura. Diagrama a bloques. 
 
M
ic
ro
pr
oc
es
ad
or
 o
 
m
ic
ro
co
nt
ro
la
do
r 
Interruptor 
electrónico 
 
Calentador 
 
Sensor 
 
Transporte Interruptor 
electrónico 
Medio Termorregulador Tubo 
S
us
ta
nc
ia
 
C
alentador 
 
 
 
26 
A continuación se describe cada uno de ellos. 
 
 
3.4.4.1 Sensor de Temperatura 
 
Un sensor es un dispositivo utilizado para convertir variables analógicas (temperatura, 
humedad, presión, etc.) en señales eléctricas. Existe una amplia gama de sensores de 
temperatura en el mercado. Sus principales diferencias radican en su resolución y tipo de 
señal de salida. 
 
Para medir la temperatura se utilizó el sensor DS1621, que funciona como termómetro y 
termostato, para lo cual no requiere ningún componente externo. Su encapsulado es tipo 
DIP o SO de 8 pines: 
 
Los dispositivos con interfase I2C incluyen en sus terminales, pines que asignan la 
dirección del circuito integrado. Éstos sirven para diferenciar entre uno y otro elemento. En 
este caso, al ser el único sensor se conectan las terminales de dirección a GND (dirección 
000). 
 
El siguiente diagrama a bloques, describe los elementos con que cuenta este circuito: 
 
 
 
 
Figura 3.19.- DS1621. Diagrama a bloques. 
 
 
Para poder medir la temperatura, el DS1621 proporciona una lectura a través de una 
variable de 9 bits que corresponden a la temperatura del agua. Desde que los datos son 
transmitidos, el resultado de la temperatura puede ser escrita o leída del DS1621 como un 
byte simple (con una resolución de 1°C) o como dos bytes. El segundo byte debe contener 
el valor del bit menos significativo (0.5°C) de la temperatura. 
 
 
Registro de Estado y Lógica de 
Control 
 
Sensor de Temperatura 
 
TH 
(Temperatura Alta) 
 
TL 
(Temperatura Baja) 
 
Comparador/Lógica Digital 
 
 
 
 
 
 
Dirección 
 
Y 
 
Control I/O 
 
 
 
 
 
 
A0 
A1 
A2 
SCL 
SDA 
TOUT 
 
 
 
27 
Ejemplo: T=-25°C 
 
 
1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 
 
Figura 3.20.- DS1621. Resultado de la conversión de temperatura. 
 
 
En el modo de termostato, el DS1621 se programa para trabajar bajo un ciclo de histéresis. 
Cuando la temperatura del DS1621 se excede del valor almacenado en el registro TH, la 
salida TOUT se activa y permanece en ese estado hasta que la temperatura cae debajo de la 
temperatura almacenada en el registro TL. 
 
 
 
Figura 3.21.- DS1621. Salida del pin Tout. 
 
Elestado activo de la salida TOUT es programable por el usuario, así que este puede 
activarse con un estado lógico “1” o “0”. El DS1621 debe tener configurado los registros 
TH y TL para las operaciones del termostato, además de realizar la conversión de 
temperatura en modo continuo. 
 
 
3.4.4.2 Calentador 
 
El calentador es el elemento del circuito de control que eleva la temperatura del agua. Éste 
consta de un tornillo en forma de “U” cubierto de una capa de aluminio. Para su adecuado 
funcionamiento siempre debe estar sumergido en agua, evitando con ello, que se queme la 
superficie que lo soporta. 
 
Es necesario emplear un interruptor electrónico que controle el número de ciclos de la 
corriente alterna que fluyen a través del actuador (calentador). El triac es un dispositivo 
semiconductor de la familia de los tiristores que puede conducir corriente eléctrica en 
ambos sentidos. Para elegir el triac adecuado, es necesario conocer las características 
eléctricas de la carga tales como la corriente, voltaje y potencia que consume. Según el 
fabricante, la potencia que consume el calentador es de 480 W. 
 
Tomando en cuenta la potencia y la corriente máxima que consume esta carga, se 
seleccionó el triac BTA41 el cual puede ser usado en sistemas todo o nada dentro de 
aplicaciones como son reguladores de calor, calentadores de agua o para operaciones de 
control de fase en controladores de velocidad para motores. Debido a que la parte metálica 
T T T (°C) 
1 
 
 
 
28 
del encapsulado está aislada de la terminal T2, esto permite disipar mejor la potencia del 
semiconductor. 
 
 
3.4.4.3 Bomba 
 
Para transportar el agua desde algún depósito hasta el tubo donde se realizan las pruebas, se 
usó una bomba de agua de tipo sumergible que está cubierta por un empaque de plástico, la 
cual aisla la bomba para evitar el contacto con el agua. Este tipo de cargas también 
requieren un voltaje de 120V de corriente alterna a una frecuencia de 60Hz. Como 
interruptor electrónico se utilizó el triac BT137-600B el cual soporta una corriente de 8A y 
soporta cargas altamente inductivas. Además, fue necesario conectar una red snubber para 
la compuerta con un capacitor de poliéster para limitar los cambios de voltaje entre MT1 y 
MT2. 
 
 
3.4.4.4 Fotoacopladores 
 
Por seguridad, es recomendable aislar las cargas (bomba y calentador) de cualquier circuito 
eléctrico utilizando fotoacopladores. El dispositivo empleado es el MOC3041 que consta de 
un diodo infrarrojo de Arseniuro de Galio que activa un fototriac. Además, incorpora un 
detector de cruce por cero, el cual evita que el triac conmute hasta que la señal alterna es 
cero. Este fotoacoplador está diseñado para usarse con un triac en la interfase de sistemas 
lógicos a equipos que se alimentan con 120V de corriente alterna, como lo son los sistemas 
de control industrial, motores, calentadores, control de iluminación, control de temperatura, 
etc. 
 
 
3.4.5 Exhibidor Alfanumérico 
 
Para que el usuario pueda programar las tareas que llevará a cabo el viscosímetro, es 
necesario utilizar un dispositivo gráfico que indique al operador que ingrese cada uno de los 
parámetros deseados. Comúnmente se utilizan dispositivos visuales (displays de 7 
segmentos, pantallas gráficas, etc.) para que los equipos electrónicos puedan proporcionar 
la información necesaria al usuario. 
 
Un exhibidor alfanumérico permite representar la información que genera cualquier equipo 
electrónico de una forma fácil y económica. La pantalla consta de una matriz de caracteres, 
distribuidos en 4 líneas de 16 caracteres. 
 
El fabricante ofrece un conjunto de instrucciones que permiten manipular el exhibidor. Éste 
identifica que instrucción se desea ejecutar gracias al estado de los bits de control 
(RS,R/W’ y E). 
 
Existen 2 tipos de conexión: 4 y 8 bits. Para utilizar un menor número de pines en el 
microcontrolador o el microprocesador seleccionado, se empleó una conexión de 4 bits. 
 
 
 
 
29 
Las funciones empleadas para este proyecto son las siguientes: 
 
- Inicialización. 
- Desplazamiento de caracteres hacia la derecha. 
- Movimiento del cursor. 
- Cambio de aspecto (limpiar pantalla). 
 
 
3.4.6 Comunicación USB 
 
Uno de los requisitos establecidos para el diseño de este proyecto, es poder procesar los 
resultados obtenidos por el viscosímetro mediante una computadora personal, las cuales 
emplean puertos de comunicación con sus periféricos: impresoras, cámaras, unidades de 
almacenamiento, entre otros. 
 
El puerto USB, es actualmente el más usado para conectar equipos externos a una PC, 
reemplazando a los puertos serie y LPT, por su velocidad, compatibilidad y costo. Por 
tanto, es necesario utilizar los circuitos necesarios que nos permitan establecer la 
comunicación del microcontrolador o microprocesador a seleccionar con la computadora. 
 
Los requisitos para la conexión de este dispositivo son las siguientes: 
 
- El dispositivo empleado debe permitir conectar el viscosímetro a cualquier computadora 
(compatible con el controlador de host UHCI/OHCI/EHCI así como versiones del USB 
1.1 y 2.0). 
 
- Dentro del mismo encapsulado debe manejar el protocolo USB y el módulo UART que 
permita conectarlo con cualquier microcontrolador o microprocesador. 
 
- Los componentes asociados deben ser mínimos, reduciendo su espacio en el circuito 
principal. 
 
- El voltaje de alimentación que utilice este circuito, debe tomarlo de una fuente de 
alimentación propia, sin forzar la corriente que suministre el puerto de la PC, 
demandando tanta corriente como desee durante una operación normal. A su vez, el 
dispositivo debe suspenderse cuando la alimentación se apaga. 
 
El circuito seleccionado que lleva a cabo estas tareas es el FT232BM, cuyo encapsulado 
tipo LQFP, permite conectarlo en cualquier cara del circuito impreso a diseñar. Una 
característica importante a resaltar, es el módulo regulador interno de 3.3V, el cual elimina 
el uso de una fuente externa que proporcione este voltaje para la operación del USB. 
 
El siguiente diagrama muestra los bloques con los que cuenta este circuito. 
 
 
 
30 
 
 
Figura 3.22.- FT232BM. Diagrama a bloques. 
 
 
Para que la computadora pueda reconocer este dispositivo, el fabricante provee los 
programas controladores que permiten ver al FT232BM como un puerto COM adicional, 
del cual puede configurarse su velocidad, tamaño de palabra y control de flujo, como 
cualquier otro puerto serie estándar. 
 
Es importante señalar que estos programas deben ser instalados antes de transmitir 
cualquier dato a través del puerto USB. 
 
 
3.4.7 Microcontrolador 
 
Como se menciona en el apartado 3.2, se requiere de un dispositivo electrónico capaz de 
vigilar las actividades de cada uno de los bloques asociados. Por tanto, se usó un 
microcontrolador el cual es un circuito integrado programable que contiene los 
componentes necesarios para llevar acabo una tarea determinada, como el control de una 
lavadora, un teclado de ordenador, un sistema de alarma, etc. Para esto, el microcontrolador 
utiliza muy pocos componentes asociados. Un sistema con microcontrolador debe disponer 
de una memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo 
que, una vez programado y configurado, sólo sirve para realizar la tarea asignada. La 
utilización de un microcontrolador en un circuito reduce notablemente el tamaño y número 
 
3.3 Volts 
Regulador 
LDO 
 
 
Transceptor 
USB 
 
 
DPLL 
USB 
 
Oscilador 
6 MHz 
VCC 
3V3OUT 
USBDP 
USBDM 
 
Interfase 
Serial 
S I E 
 
 
Protocolo 
USB 
 
Controlador 
FIFO 
UART 
 
 
 
 
 
 
UART 
RXD 
TXD 
RTS# 
CTS# 
DTR# 
DSR# 
DCD# 
RI# 
TXDEN 
TXLED# 
RXLED
 
Doble 
puerto TX 
128 bytes 
XTOUT 
XTIN 
 
Multiplicador 
x8 
48 MHz 
12 MHz 
 
Doble 
Puerto RX 
384 bytes 
 
Interfase 
EEPROM 
EECS 
EESK# 
EEDATA 
 
Generador 
RESET 
RESET# 
3V3OUT RSTOUT#
TEST 
GND 
PWRCTL SLEEP# 
PWREN# 
 
 
 
31 
de componentes y, enconsecuencia, disminuye el número de averías y el volumen y el peso 
de los equipos, entre otras ventajas. 
 
En los últimos años han tenido un gran auge los microcontroladores PIC fabricados por 
Microchip Technology. Estos dispositivos son una familia de microcontroladores que han 
tenido gran aceptación y desarrollo en los últimos años gracias a que sus buenas 
características, bajo precio, reducido consumo, tamaño pequeño, gran calidad, fiabilidad y 
abundancia de información, lo convierten en un circuito fácil, cómodo y rápido de utilizar. 
 
La relación que se establece entre el microcontrolador y los demás elementos se describe a 
continuación: 
 
 
- Giro del tubo: 
 
A través de dos pines, el PIC invertirá el sentido del motor enviando las señales 
descritas en la tabla 3.5 y por otro lado, el electroimán será activado/desactivado 
mediante un pulso eléctrico pues no se requiere que éste invierta el sentido de la 
corriente que circula por él. 
 
- Detectores de bola: 
 
El microcontrolador utilizará un temporizador para medir el tiempo que tarda la bola en 
pasar a través de sus detectores. 
 
- Control de temperatura: 
 
El protocolo I2C comunica al PIC con el DS1621 (SDA y SCL) para leer la temperatura 
del agua que baña el tubo. Los triacs que controlan la bomba y el calentador se disparan 
a través de un pulso eléctrico enviado por el PIC18F452. 
 
- Mensajes al exhibidor alfanumérico: 
 
Dentro de la memoria del microcontrolador se almacenan los mensajes enviados al 
exhibidor. 
 
- Comunicación con la PC: 
 
El PIC cuenta con un módulo de comunicaciones seriales que permite enviar datos hacia 
un circuito externo. Éste es idóneo para transmitir los resultados hacia el FT232BM el 
cual a su vez, se comunica con el puerto USB de la PC. 
 
 
El siguiente diagrama muestra como se enlaza cada uno de los dispositivos descritos 
anteriormente con el microcontrolador PIC18F452: 
 
 
 
 
 
32 
 
 
Figura 3.23.- PIC18F452. Elementos conectados al microcontrolador. 
 
 
Las principales características del PIC18F452 son las siguientes: 
 
 
- Arquitectura de la CPU tipo Harvard: 
 
� El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos y, por lo tanto, 
puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de 
memoria de programa. Así se logra una mayor velocidad y menor longitud de 
programa. 
 
� El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, 
logrando una mayor velocidad de operación. 
 
- Frecuencia de operación 4MHz (frecuencia máxima 40MHz): 
 
� El tiempo que tarda en ejecutarse un programa depende de la frecuencia del 
oscilador conectado al microcontrolador y del número de ciclos máquina ejecutados 
(para el PIC18F452, el ciclo máquina es igual a 4 ciclos de reloj). El oscilador 
conectado al microcontrolador es un cristal de cuarzo de 4MHz. Este tipo de 
oscilador, ofrece una frecuencia de operación precisa y muy estable. 
 
� De acuerdo a este oscilador, se seleccionan los capacitores cerámicos que se 
conectan a él a partir de las hojas de datos del microcontrolador. Para una frecuencia 
de 4MHz, se seleccionan capacitores de 15pF. 
 
 
Microcontrolador 
 
PIC18F452 
 DS1621 
Amplificador 
de señal 
Diodos 
infrarrojos 
Sensor 1 
Fotoacoplador 
Bomba 
Fotoacoplador 
Calentador LCD 
(L293D) 
Motor - reductor 
Comunicación a 
PC (FT232BM) 
Sensor 2 
Electroimán 
 
 
 
33 
El cristal utilizado multiplicado por el número de ciclos máquina que tarda el 
microcontrolador en ejecutar una instrucción, 
 
Esto resulta importante dentro de la medición del tiempo de caída de la bola, debido a 
que el timer se incrementa cada salto de línea, lo que permite tener una resolución en 
microsegundos de la lectura final. 
 
- Memoria RAM de datos de 1.5Kbytes: 
 
Su tamaño resulta insuficiente para guardar las cadenas de caracteres que se despliegan 
en el exhibidor o los parámetros de medición. Por lo tanto, se emplea para almacenar las 
temperaturas de cada prueba (modo variable) y los caracteres especiales enviados al 
exhibidor alfanumérico. 
 
- Memoria de programa tipo flash de 32Kbytes para 16384 instrucciones: 
 
La memoria de programa define que tan extenso puede ser el programa que lo contenga. 
El PIC18F452 es un microcontrolador de gama media que ofrece el espacio suficiente 
para el programa de este proyecto. Dicha memoria no solo almacena las instrucciones 
que se ejecutan, sino que además guarda los mensajes que se muestran en el exhibidor. 
 
- Memoria EEPROM de 256 bytes: 
 
Este espacio es empleado para almacenar los datos de cada prueba realizada: 
 
a) Segundos (16 bits = 2 bytes) 
b) Milisegundos (16 bits = 2 bytes) 
c) Microsegundos (16 bits = 2 bytes) 
 
Para almacenar un máximo de 40 pruebas, el espacio ocupado es la suma del número de 
bytes por cada prueba multiplicado por el total de experimentos, es decir un total de 240 
bytes. 
 
- 18 Entradas de Interrupciones (prioridad alta o baja): 
 
A diferencia de otros microcontroladores, el PIC18F452 establece 2 niveles de prioridad 
para las interrupciones. Esta característica es muy importante dentro del funcionamiento 
del viscosímetro, principalmente en el momento de realizar la medición de la 
viscosidad. Cuando la bola cae a través de tubo contenedor, tres procesos deben ocurrir 
de forma “casi” simultánea: el control de temperatura a través del DS1621 (prioridad 
baja), los sensores infrarrojos que determinan el tiempo en que la bola recorre la 
distancia d (prioridad alta) y la medición del tiempo (prioridad baja). 
 
- Puerto de Entrada/Salida: A, B, C, D, E: 
 
Este microcontrolador ofrece 5 puertos de comunicación para enviar y recibir datos, lo 
cual resulta útil al manejar numerosos circuitos. 
 
 
 
34 
- 4 Timers: 
 
Este módulo permite medir el tiempo de cada prueba a través del timer2. Una vez que 
inicia la prueba, este temporizador se incrementa con cada ciclo de reloj. 
 
- Comunicaciones Seriales: MSSP y USART: 
 
Estos módulos implementan los estándares de comunicación serial para comunicarse 
con otros circuitos. Dentro del módulo MSSP se emplea la comunicación I2C con el 
DS1621. El USART permite enviar y recibir datos al convertidor FT232BM el cual se 
comunica con la PC a través del puerto USB. 
 
- Convertidor Analógico–Digital 10 Bits (8 canales de entrada): 
 
En este caso, se utilizó un canal de entrada (RA0) para leer el potenciómetro conectado 
al panel de control. 
 
 
La siguiente tabla, asigna las funciones correspondientes para cada pin del 
microcontrolador: 
 
 
Puerto Pin Elemento Descripción 
 1 RESET 
Se conecta a un interruptor en el panel de control. 
Cuando se desea detener el proceso de medición, 
este botón ofrece la opción de reiniciar el sistema. 
RA0 2 Ajuste 
Este pin se conecta a la perilla (potenciómetro), la 
cual permite elegir el número de pruebas a realizar y 
la temperatura adecuada. 
RA1 3 READY 
Conectado a un botón, este pin permite identificar 
cuando el usuario desea comenzar el proceso de 
medición. 
RA2 4 SELECT 
Al igual que el botón READY, este pin que se 
conecta a un interruptor. Permite configurar los 
parámetros de medición. 
RA3 5 ENTER 
Cuando este botón es pulsado, el usuario confirma la 
ejecución de un conjunto de instrucciones. 
RA5 7 Calentador Enciende o apaga la resistencia dentro del agua. 
RB0 33 Sensor_2 
Se conecta al fototransistor que se encuentra en la 
parte inferior del tubo. Éste determina la medición 
del tiempo de caída de la bola. 
RB1 34 Tout 
Lee la terminal Tout del sensor DS1621. Este pin se 
utiliza para indicar al microcontrolador cuando la 
temperatura está fuera del nivel deseado. 
RB2 35 Sensor_1 
Se conecta al fototransistor que se encuentra en la 
parte superior del tubo. Activa el conteo del timer2. 
 
 
 
35 
RB3 36 leds_IR 
Activa los emisores infrarrojos que se encuentran 
conectados en serie. Éstos envían un haz infrarrojo a 
través del tubo hastasus respectivos fototransistores. 
RB4 37 P1 
Este pin lee el estado del tope 1 que se encuentra 
localizado en la base. Se emplea para determinar la 
posición del tubo contenedor. 
RB5 38 P2 
Este pin lee el estado del tope 2 que se encuentra 
localizado en la base. Se emplea para determinar la 
posición del tubo contenedor. 
RB6 39 electroimán 
Éste se comunica con el L293D que activa a su vez 
el electroimán que libera la bola. 
RB7 40 motor_T2 
Al igual que RC5, este pin se enlaza con el L293D 
para controlar el giro o parada del motor – reductor. 
RC0 15 Led Prueba 
Se activa cuando la bola pasa por el primer sensor y 
de desactiva cuando pasa por el segundo sensor. 
RC1 16 Led on_off Se activa cuando el usuario pulsa el botón READY. 
RC2 17 Led TX 
Se activa cuando el viscosímetro transmite los 
resultados a la PC. 
RC3 18 SCL DS1621 
Envía la señal de reloj al DS1621 a través del 
protocolo I2C. 
RC4 23 SDA DS1621 
Envía y recibe los datos del DS1621 a través del 
protocolo I2C. 
RC5 24 motor_T1 
Junto con RB7, este pin se enlaza con el L293D para 
controlar el giro o parada del motor – reductor. 
RC6 25 TXD 
Este pin se conecta al FT232BM para enviar los 
resultados a la computadora. 
RC7 26 RXD 
Se conecta al FT232BM para recibir instrucciones 
de la computadora. 
RD0 19 
RD1 20 
RD2 21 
RD3 22 
LCD_DATOS 
Estos pines, se comunican al bus de datos del 
exhibidor. 
RD4 27 
RD5 28 
RD6 29 
LCD_CTRL 
Estos pines controlan las funciones ENABLE, R/W’ 
y RS del exhibidor. 
RE0 8 Bomba Enciende o paga la bomba sumergible. 
 
Tabla 3.2.- PIC18F452. Distribución de Componentes. 
 
 
3.4.8 Fuente de Alimentación 
 
Los circuitos integrados que controlan el medidor de viscosidad requieren voltajes de 
corriente directa para realizar sus funciones. Por ello, es necesario diseñar una fuente de 
alimentación regulada que tenga las características siguientes: 
 
 
 
 
36 
- Voltajes de salidas de 5V y 13V 
 
Acorde a las características eléctricas de los circuitos integrados anteriormente 
descritos, se requiere un voltaje de alimentación de 5V regulados. Además, es necesario 
diseñar una fuente que proporcione un voltaje de 13V para alimentar el motor y el 
electroimán. 
 
- Corriente de 1ª 
 
El electroimán y el motor – reductor son elementos que demandan una corriente mayor 
que otros dispositivos (PIC, FT232BM, etc.). Es por ello que la fuente de alimentación 
debe suministrar la corriente suficiente para que todos estos elementos puedan trabajar 
al mismo tiempo. 
 
 
3.4.8.1 Transformador 
 
Es necesario reducir el voltaje que suministra la red (120V) a un voltaje menor. Para lograr 
lo anterior se usan transformadores, los cuales tienen dos funciones básicas: proporcionar 
aislamiento galvánico y reducir (o aumentar) las tensiones y corrientes variables en el 
tiempo. 
 
Las características del transformador dependerán de las especificaciones del voltaje y 
corriente requeridos por el circuito eléctrico (5V y 13V) y por los parámetros del regulador 
empleado. 
 
Por tanto, las características del transformador son: 
 
- Corriente: 1A. 
- Voltaje: 36V. 
- Derivación central. 
 
 
3.4.8.2 Rectificador 
 
Para convertir la señal alterna del transformador a una señal con una componente continua 
se emplean los rectificadores. La configuración en puente utiliza cuatro diodos, lo que 
permite obtener una señal de onda completa en la carga con un valor pico igual al voltaje 
pico del secundario. Además, la corriente eficaz que entrega a la salida es la misma que 
proporciona el transformador durante el semiciclo positivo y es inversa durante el semiciclo 
negativo. 
 
Para seleccionar el diodo adecuado, se deben considerar 2 aspectos: 
 
- Corriente promedio (IAV): 1A 
- Voltaje pico inverso (VRRM) ≥ Vsalida 
 
 
 
 
37 
3.4.8.3 Regulador 
 
La serie de reguladores LM2575 son circuitos integrados que proveen todas las funciones 
de un regulador tipo reductor, capaz de controlar una carga de 1A con linealidad excelente 
y regulación en la carga. Están disponibles en salidas de voltajes fijos de 3.3V, 5V, 12V, 
15V y una versión de salida ajustable. 
 
Este tipo de reguladores requieren un número mínimo de componentes externos. Además, 
son simples de usar e incluyen un compensador de frecuencia interno y un oscilador de 
frecuencia fijo. La serie ofrece un reemplazo eficiente de los reguladores lineales de tres 
terminales, lo cual reduce sustancialmente el tamaño del disipador, y en muchos casos no se 
requiere. 
 
Otras características que incluyen estos reguladores son: garantizar una tolerancia del 4% 
en el voltaje de salida (tomando en cuenta las especificaciones para el voltaje de entrada y 
las condiciones de salida en la carga) y una frecuencia del oscilador del 10%. El 
conmutador de salida incluye un limitador de corriente ciclo por ciclo así como un apagado 
térmico para una protección completa bajo condiciones típicas. 
 
 
3.4.9 Análisis de información mediante una computadora personal 
 
Una vez que se cuenta con el circuito diseñado para enviar todos los datos hacia una 
computadora es necesario desplegarlos mediante algún programa los cuales se desarrollan 
mediante lenguajes de programación. Basic es uno de los lenguajes más sencillos de 
utilizar, ya que requiere pocas instrucciones para ejecutar alguna tarea. Utilizando la 
aplicación Visual Basic (versión 6.0), se desarrolló el programa que se muestra en la figura 
3.24, la cual recibe el nombre de ViscoSteel 1.0, el cual tiene las funciones siguientes: 
 
1. Recibe los datos provenientes del microcontrolador (PIC18F452): 
 
Esta aplicación ofrece la posibilidad de seleccionar el puerto COM al cual se encuentra 
conectado el equipo. Cuando el cable USB se conecta a la PC, el sistema le asigna un 
número al puerto USB – serie virtual, el cual puede visualizarse dentro del 
administrador de dispositivos en la sección de dispositivos COM y LPT. 
Se configura con los parámetros fijos siguientes: 
 
Bits por segundo: 9600 
Bits de datos: 8 
Paridad: Ninguno 
Bit de parada: 1 
 
Estos mismos parámetros se establecen para el microcontrolador. 
 
2. Una vez que se reciben los resultados del viscosímetro, estos pueden guardarse a través 
de archivos con extensión st1. Además, es posible abrir/guardar/modificar/imprimir 
estos mismos archivos con esta aplicación. 
 
 
 
38 
3. Realiza los cálculos siguientes: 
 
- Cálculo de la viscosidad dinámica o cinemática para cada una de las lecturas. 
- Conversión de unidades: 
a) Viscosidad dinámica (
Kg
m s⋅
, poises y centipoises) 
b) Viscosidad cinemática (
2m
s
, stokes y centistokes) 
- Cálculo de la densidad de la bola y de la sustancia a prueba. 
 
4. En el caso de realizar las pruebas con una temperatura constante, calcula la media y la 
desviación estándar de las pruebas. 
 
5. Grafica los resultados obtenidos durante las mediciones hechas con el viscosímetro: 
 
Una vez que se reciben los resultados, la aplicación permite representar en una gráfica 
poligonal, la temperatura (°C, °F o °K) y la viscosidad (dinámica o cinemática) para 
cada una de ellas. 
 
6. Permite exportar los resultados a Microsoft Excel. 
 
 
 
Figura 3.24.- Aplicación ViscoSteel 1.0. 
 
 
 
 
39 
Capítulo 4 Caracterización del Viscosímetro 
 
 
De acuerdo al capítulo 2, para poder realizar las mediciones correspondientes, es necesario 
calibrar el equipo. Tomando en cuenta la expresión que define el funcionamiento del 
viscosímetro: 
( )1 2K tη ρ ρ= ⋅ − ⋅ 
 
Es necesario determinar la constante de la bola en función de su masa y diámetro, para un 
fluido conocido. Los fluidos que mediremos son los siguientes: 
 
 
Calibración Agua 
Prueba Aditivo sintético para gasolina 
 
Tabla 4.1.- Fluidos. Calibración y prueba. 
 
 
4.1 CALIBRACIÓN: AGUA 
 
Las condiciones para calibrar la bola con agua son las siguientes: 
 
- Utilizar agua destilada. 
- Temperatura de calibración: 20 °C 
 
 
4.1.1 Parámetros de la bola 
 
 
2.7
4.25
balín
balín
m gr