Medidor_de_Resistencia_en_el_Volumen_3D

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Tecnólog@ Vol. 3, No. 2, may-ago / 2010 
© 2007 CICATA-Querétaro-IPN. ISSN en trámite. México  
 
IPN 28 CICATA-Qro. 
 
Medidor de Resistencia en el Volumen 3D 
 
González Martínez Gumaro1, Morales Sánchez Eduardo2,*, Jesús Ricardo Tapia Armas1, 
Fernando Ireta Moreno2, Rene A. Martínez Celorio3 
 
1 Universidad Tecnológica de Querétaro. Querétaro, Qro. México. 
2 CICATA-IPN Unidad Querétaro. Queretaro, Qro. México 
3 FIMEE. Universidad de Guanajuato. Salamanca, Gto. México. 
*e-mail: emoraless@ipn.mx 
 
 
Aceptado por refereo el 31 de agosto del 2010 
 
 
Resumen 
 
En la actualidad existen distintos medidores de resistencia pero no todos pueden hacer 
mediciones de resistencia en el volumen o 3 dimensiones (3D). EL presente trabajo 
consiste en el diseño y construcción de un dispositivo medidor de resistencia en el 
volumen (DMR3D). La metodología de diseño se basó en el diseño por módulos. El 
DMR3D consiste principalmente de una matriz de 8 switches independientes, los cuales 
se conectan a 8 electrodos que se posicionan en un volumen. La matriz de switches 
conecta a un instrumento medidor de resistencia. El control de la matriz de switches se 
realiza por medio del puerto paralelo y la adquisición de la resistencia a la computadora 
se realiza por medio de USB y/o GPIB. Se utilizó el lenguaje LabVIEW para hacer el 
programa de control, adquisición y graficado. 
 
Palabras clave: Resistencia, matriz de switches. 
 
 
Abstract 
 
At present there are several resistance meter but not everyone can make resistance 
measurements in the volume or three dimensional (3D). The present work is the design 
and construction of a 3D volume resistance measuring device (3DVRMD). The design 
methodology is based on modular design. The 3DVRMD consists mainly of an array of 8 
independent switches, which are connected to eight electrodes that are positioned in a 
volume. The array of switches is connected to a resistance measuring instrument. The 
control of the array of switches is via the parallel port and the acquisition of resistance to 
the computer is via USB and/or GPIB. LabVIEW language was used to build control, 
acquisition and plotting program. 
 
Keywords: resistance, switches array. 
 
 
 
 
 Tecnóloga 
 
I. Introducción 
 
En la ciencia de materiales es importante medir las propiedades eléctricas de los 
mismos. La resistividad es una de las propiedades eléctricas más comúnmente 
utilizadas [3] y para su cálculo es necesario medir la resistencia y aplicar la siguiente 
ecuación (1) 
 
Resistividad ρ = R * A/L (1) 
 
Donde R es la resistencia, A es el área transversal de la muestra y L es la distancia 
entre electrodos. 
 
De acuerdo al valor de resistividad, los materiales se clasifican en aislantes, 
semiconductores y conductores. Sin embargo, los materiales también son anisotrópicos, 
es decir no son homogéneos y por lo tanto no tienen el mismo valor de resistividad en 
todo su volumen [4]. La mayoría de los medidores de resistencia solo realizan la 
medición en 1D, es decir, únicamente realizan la medición en un solo eje de 
coordenadas. Por ello es necesario medir la resistencia en todo el volumen y 
determinar que tan homogéneo es o no un material. 
 
En este proyecto se diseñó un dispositivo medidor de resistencia de 2 puntas con 8 
electrodos independientes posicionados estratégicamente para que la resistencia sea 
medida en 3 ejes de coordenadas (x, y, z), a este tipo de medición se le denomina 
medición de resistividad en el volumen o 3D [5], [6]. Ver Figura 1. 
 
 
 
Figura 1. Planos coordenados rectangulares utilizados para una medición en 3D. 
 
El sistema propuesto al que se le realizará la medición de resistividad será agua, la cual 
estará almacenada en una celda cuadrada de plástico. 
 
 
 
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II. Metodología 
 
La metodología o pasos a seguir para el desarrollo del DMR3D son: 
 
− Especificaciones 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
− Propuesta de diseño por módulos
− Diseño eléctrico de cada modulo
− Implementación eléctrica de cada modulo
− Unir eléctricamente los módulos
− Prueba del sistema 
− Diseño del programa
− Prueba del sistema y programa
 
Los materiales a utilizar son los siguientes 
 
− Lenguaje LabVIEW 8.2
− Medidor de resistividad
− Computadora personal
− Circuitos integrados varios.
 
 
Especificaciones 
 
El diseño de un dispositivo electrónico comienza con la definición de especificaciones, 
las cuales se dan en función de las necesidades. Por lo tanto las características que 
debe cumplir el sistema a desarrollar son: 
 
− Secuencia de medición automática
− Medición en 8 puntos distintos
− Medición de resistencia
− Adquisición por PC de la resistencia
 
 
Medición de resistencia en el volumen 3D: 
 
Parte de las especificaciones es definir la geometría 3D que se utilizara. Se propone 
que se utilicen 8 electrodos los cuales se acomodarán en la posición de los vértices de 
un cubo imaginario. Ver figura 2. Cada electrodo debe ser independientemente para 
medir resistencia. A cada electrodo se le asigna un número correspondiente a cada 
vértice de un cubo (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) y se propone que la medición de resistencia (2 
puntas) sea con el siguiente orden: 
 
Barrido de las caras superior e inferior del cubo:1-2, 2-3, 3-4, 4-1, 5-6, 6-7, 7-8, 8-5 
Barrido de las diagonales: 1-7, 5-3, 4-6, 2-8 
Barrido de los lados: 1-5, 2-6, 3-7, 4-8 
 
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Figura 2. Posición de los electrodos para medición de resistencia en 3D. 
 
 
III. Desarrollo y resultados 
 
Diagrama de bloques 
 
De acuerdo a las especificaciones se propone un diseño por módulos en el que cada 
modulo realiza una función específica del sistema a diseñar. Los módulos propuestos 
son: 
− Módulo celda 
− Módulo matriz de conmutadores 
− Módulo medidor de resistencia 
− Módulo PC 
 
La figura 3 muestra el diagrama de módulos propuesto para el DMR3D. 
 
 
 
 
Figura 3. Módulos del medidor de resistividad 
 
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Diseño eléctrico de los módulos propuestos 
 
 
Modulo celda 
 
Este modulo corresponde a la distribución geométrica de los 8 electrodos que medirán 
la resistencia del material. El modulo está formado por: 
 
• Celda: La celda consiste en un recipiente que nos permita almacenar el material 
o sustancia a la cual se le realizaran las mediciones de resistencia. 
• Electrodos: Los electrodos son pequeñas barras de un material conductor, que 
nos permitirán realizar las mediciones en los puntos deseados del volumen. 
 
La figura 4 muestra la distribución de los electrodos, así como las dimensiones de la 
celda propuestas para este bloque. 
 
 
 
Figura 4. Diseño de la celda y distribución de los electrodos. 
 
 
El material con el que se construyó la celda es acrílico y el material de los electrodos es 
cable de cobre No. 16. Los electrodos están aislados y solo están descubiertos en la 
punta. 
 
 
Módulo matriz de conmutadores 
 
Este módulo corresponde a como realizar la conexión independiente de cada electrodo 
para poder medir la de resistencia en cualquier parte del volumen. Se propone diseñar 
una matriz de switch formada por relevadores de estado sólido tipo reed switch 
controlada con un multiplexor. La secuencia de medición se daría por medio del puerto 
paralelo de la computadora. La matriz de conmutadores está formada por 8 relevadoresTecnóloga 
 
los cuales se seleccionan con un multiplexor. La figura 5 muestra el diagrama eléctrico 
de un multiplexor con sus correspondientes 8 relevadores. Como el método para medir 
resistencia es de 2 puntas, se requieren 2 multiplexores y 16 relevadores en total. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Diagrama propuesto para el bloque matriz de interruptores 
 
 
Módulo medidor de resistencia 
 
Este módulo corresponde a medir la resistencia por medio de los instrumentos de 
medición que se tiene en el laboratorio. El instrumento que se utilizó para medir la 
resistencia fue un multímetro HP 34410A con 4 ½ dígitos de precisión. Ver figura 6. 
 
El Multímetro HP 34410A tiene un puerto USB y un puerto GPIB para comunicación 
remota con PC [1]. Se utilizó tanto comunicación USB como GPIB para solicitar la 
adquisición de resistencia por PC. La resolución del multímetro fue de 0.1 ohm y el 
modo para medir resistencia fue por de 2 puntas. 
 
Módulo PC 
 
Este módulo corresponde a la programación en labView para controlar, adquirir y 
graficar los resultados obtenidos de los bloques anteriores. Se realizó un programa que 
controla a la matriz de switches, la medición de resistencia por medio del multímetro 
HP 34410A y el graficado de las resistencias medidas. 
 
El programa diseñado permite realizar las mediciones de dos maneras diferentes: 
manual y automático. 
 
 
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Figura 6. Multímetro HP34410A y dispositivo LCR HIOKY 
 
 
Medición en forma “Manual”: Esta función realiza 16 mediciones y se detiene la 
medición hasta que el usuario presione nuevamente la opción manual. 
 
Medición en forma “Automática”: Esta función realiza 16 mediciones de resistencia, se 
espera un lapso de tiempo que determina el usuario y nuevamente realiza otro ciclo de 
mediciones. 
 
En la figura 7 se muestra el panel frontal del programa para el LCR y el HP 
respectivamente. 
 
 
 
Figura 7. Panel frontal del programa en LabView para medir la resistencia eléctrica en 3D. 
 
Pruebas y resultados 
 
Antes de armar todo el sistema, se realizaron pruebas con cada uno de los módulos 
para comprobar que estuvieran funcionando correctamente. Se unieron los módulos y 
se realizaron pruebas para el funcionamiento completo. 
 
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El programa final permite medir la resistencia de los materiales en 8 puntos diferentes 
siguiendo la secuencia anteriormente mencionada y los datos obtenidos se guardan en 
un archivo de datos para su posterior procesamiento. La figura 8 muestra la interfaz del 
usuario del programa de una medición de resistencia utilizando como material de 
prueba el agua. 
 
 
 
Figura 8. Pantalla de PC realizando una medición de resistencia 
 
La figura 9 muestra la matriz de switch construida que se conecta al puerto paralelo 
para realizar el cambio de electrodos. Se muestra los 8 caimanes que se conectan a los 
electrodos de la celda. 
 
 
 
Figura 9. Foto de la matriz de switch del Dispositivo Medidor de Resistencia en 3D. 
 
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V. Conclusión 
 
Se logró el diseño y la construcción de un dispositivo medidor de resistencia en 3D. La 
metodología de diseño utilizada fue por módulos, cumpliendo con las especificaciones 
dadas para la medición de resistividad. Se realizó un programa en LabVIEW, para la 
medición, adquisición y graficado de la resistencia en una pantalla de PC. 
 
Se recomienda para un trabajo futuro construir el medidor para 16 electrodos y para 
medición de resistencia con 4 puntas. También desarrollar un programa que intérprete y 
grafique en código de colores las mediciones de resistencia realizadas. 
 
 
Referencias 
 
[1] www. ni.com.mx; National Instruments de Mexico. 
[2] www. agilent. com .mx; distribuidores de HP 343410ª 
[3] Willian D. Callister. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed. Reverte. 2000. 
[4] M. Castro. D. Vázquez, et al. Evaluación de un sistema semiparalelo de 16 
electrodos en modelos eléctricos y tejidos orgánicos. Web unpublished. 
[5] Robert W. Stacey. Electrical impedance tomography. 2006. Technical Report. 
Stanford Geothermal Program. Stanford University. 
[6] Angel R. Zapata et al. Proyecto de tomografía por el método de impedancia 
eléctrica Avances actuales. Salud Mental. Abril 2002. Vol. 23. pp: 8-15.