TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Orientaciones y propuestas de trabajo Segundo curso de Bachillerato PROYECTO Y EDICIÓN: grupo edebé DIRECCIÓN GENERAL: Antonio Garrido González DIRECCIÓN EDITORIAL: José Luis Gómez Cutillas DIRECCIÓN DE EDICIÓN DE EDUCACIÓN SECUNDARIA: José Francisco Vílchez Román DIRECCIÓN PEDAGÓGICA: Javier Brines Socies DIRECCIÓN DE PRODUCCIÓN: Juan López Navarro EQUIPO DE EDICIÓN DE EDEBÉ: Edición: Francisco Ortiz Ahulló Pedagogía: Juan Carlos Ledesma González Ilustración: Antonio Porqueras Llopis Corrección: Marcos F. Poquet Martínez Cubierta: Luis Vilardell Panicot COLABORADORES: Texto: Manuel Murgui Izquierdo, Juan José Vela Rozalén y Juan José Vinagre Prieto Asesoría: Vicente Mata Amela Preimpresión: BABER, scp
Este libro corresponde al segundo curso de Bachillerato, materia de Tecnología Industrial, y forma parte de los materiales curriculares del proyecto editorial edebé, que ha sido debidamente supervisado y autorizado.
Edición adaptada a la nueva ordenación curricular del Bachillerato.
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ES PROPIEDAD DE GRUPO EDEBÉ © grupo edebé, 2003 Paseo San Juan Bosco, 62 08017 Barcelona www.edebe.com ISBN
ÍNDICE GENERAL Orientaciones didácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Solucionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
Modelos de pruebas finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
ORIENTACIONES DIDÁCTICAS Estructura del libro Los contenidos del libro Tecnología Industrial II se han distribuido en tres bloques: • El bloque I, denominado Materiales y principios de máquinas, contiene seis unidades didácticas. En las tres primeras se completa el análisis de los materiales iniciados el curso anterior.
En las tres siguientes se aborda el estudio de las máquinas térmicas y eléctricas.
Unidad 1.
Estructura y propiedades de los materiales
Unidad 4.
Motores térmicos
Unidad 2.
Ensayos mecánicos sobre materiales
Unidad 5.
Unidad 3.
Reciclaje de materiales: importancia económica
Máquinas frigoríficas. Bomba de calor
Unidad 6.
Motores eléctricos
• El bloque II, Automatismos, se desarrolla a lo largo de cinco unidades didácticas. En las tres primeras se describen los componentes fundamentales y la estructura general de cualquier sistema automático.
Las dos últimas unidades del bloque se destinan a completar el análisis de los circuitos neumáticos y oleohidráulicos desde una perspectiva global.
Unidad 7.
Transductores de posición y de proximidad
Unidad 8.
Otros transductores. Actuadores
Unidad 10. Circuitos neumáticos
Unidad 9.
Estructura de un sistema automático
Unidad 11. Oleohidráulica
• El bloque III, al que llamamos Control y programación de sistemas, se despliega en cuatro unidades didácticas en las que se presentan los principales dispositivos de control empleados en la industria, desde la adquisición y la transmisión de datos hasta los más modernos recursos de control programado, como las redes neuronales o los autómatas industriales. Unidad 12. Adquisición y transmisión de datos
Unidad 14. Control mediante circuitos lógicos II
Unidad 13. Control mediante circuitos lógicos I
Unidad 15. Control programado
Cada uno de los bloques se inicia con una doble página en la que se despliega el índice detallado de los contenidos que se van a desarrollar a lo largo de las unidades que lo componen.
352 5. Autómata programable . . . . . . . . . . . 366
288
1. Tecnologías de automatización . . . . . . 354 1.1. Análisis comparativo . . . . . . . . . . 356
1. Tipos de señales . . . . . . . . . . . . . . 290
5. Convertidor digital/analógico . . . . . . . . 296
6. Controladores industriales . . . . . . . . . 368
1.1. Señales analógicas . . . . . . . . . . 290
2. Circuitos lógicos programables . . . . . . . 357 2.1. Descripción de una FPLA . . . . . . . 358
6. Transmisores . . . . . . . . . . . . . . . . 298
1.2. Señales digitales . . . . . . . . . . . . 291
6.1. Principios de funcionamiento de la transmisión . . . . . . . . . . . . 299
3. El microprocesador . . 3.1. Descripción lógica 3.2. Periféricos. . . . . 3.3. Programación. . .
7. Redes neuronales . . . . . . . . . . . . . . 370
12. Adquisición y transmisión de datos
2. Controles analógico, digital y mixto . . . . 292 7. Transmisión electrónica 3. Adquisición y transmisión de datos
. . . . 293
4. Convertidor analógico/digital . . . . . . . . 294 4.1. Selección de un convertidor analógico/digital . . . . . . . . . . . . 295
. . . . . . . . . . 300
7.1. Transmisores a dos hilos . . . . . . . 301 7.2. Transmisor electrónico de presión diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . 303 7.3. Transmisión estándar de datos para ordenador . . . . . . . . . . . . 305
13. Control mediante circuitos lógicos I
308
1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
En algunos casos, el texto se acompaña de una imagen sugerente representativa del bloque.
15. Control programado
BLOQUE III CONTROL Y PROGRAMACIÓN DE SISTEMAS
2. Álgebra de Boole . . . . . . . . . . . . . . 312 2.1. Suma lógica . . . . . . . . . . . . . . 312 2.2. Producto lógico . . . . . . . . . . . . 313 2.3. Complementación o negación . . . . 313 2.4. Propiedades comunes . . . . . . . . 314
6. Simplificación de funciones . . . . . . . . . 319
7. Circuitos lógicos combinacionales . . . . . 322
4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
Función AND o Y . . . . Función OR u O . . . . Función NOT o NO . . Función NAND o NO Y
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
317 317 317 318
2. Biestables . . . . 2.1. Biestable RS 2.2. Biestable JK 2.3. Biestable T . 2.4. Biestable D .
. . . . .
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334 334 336 336 336
3. Registros de desplazamiento . . . . . . . . 337 4. Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 4.1. Visualización del resultado . . . . . . 338 4.2. Consideraciones generales sobre los contadores. . . . . . . . . . 339 5. Memorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 5.1. Características generales . . . . . . . 340 5.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . 341
286
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
360 361 362 362
4. El microcontrolador . . . . . . . . . . . . . 363 4.1. Descripción lógica . . . . . . . . . . . 363 4.2. Programación. . . . . . . . . . . . . . 364 4.3. Evolución de los microcontroladores . . . . . . 364
Vocabulario técnico
6.1. Programación. . . . . . . . . . . . . . 369
8. Control fuzzy
. . . . . . . . . . . . . . . . 371
9. Control basado en modelos . . . . . . . . 372
Análisis de sistemas técnicos Control inteligente de instalaciones . . . . 374
378
5. Representación de funciones lógicas . . . 319
6.1. Diagramas de Karnaugh. . . . . . . . 320
7.1. 7.2. 7.3 7.4. 7.5.
Semisumador. . Sumador total. . Decodificadores Codificadores . . Multiplexores . .
. . . . .
. . . . .
14. Control mediante circuitos lógicos II 1. Circuitos secuenciales . . . . . . . . . . . . 332
. . . .
4.5. Función NOR o NO O . . . . . . . . . 318 4.6. Función ORex u O exclusiva . . . . . 318
3. Funciones lógicas y tablas de verdad . . . 316 4. Funciones elementales . . . . . . . . . . . 317
. . . .
5.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . 367
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
322 323 324 326 327
330 6. Memorias semiconductoras . . . . . . . . 342 6.1. Memoria RAM . . . . . . . . . . . . . 342 6.2. Memorias de sólo lectura . . . . . . . 343 7. Memorias de masa o periféricas . . . . . . 346 7.1. Disco duro . . . . . . . . . . . . . . . 346 7.2. Disquete convencional de 3,5” . . . . 346 7.3. Disquete para unidades removibles . . . . . . . . . . . . . . . 347 7.4. Discos ópticos . . . . . . . . . . . . . 347
Análisis de sistemas técnicos Apertura de una puerta . . . . . . . . . . . 348
287
5
Introducciones de unidad Las unidades didácticas que componen cada bloque se presentan siempre mediante una doble página que contiene: • Una imagen sugerente, relacionada con los contenidos que se van a desarrollar y que pretende despertar el interés de los alumnos. • Una relación de los objetivos que se pretenden alcanzar. • El esquema de la unidad en el que se indican los contenidos que se van a trabajar para lograr los objetivos propuestos. • Un conjunto de informaciones destinadas a la preparación de la unidad, que los alumnos han de conocer antes de iniciar el trabajo.
12 A
DQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS Esquema de la unidad 1. Tipos de señales
6. Transmisores
1.1. Señales analógicas
6.1. Principios de funcionamiento de la transmisión
1.2. Señales digitales 2. Controles analógico, digital y mixto
7. Transmisión electrónica
3. Adquisición y transmisión de datos
7.1. Transmisores a dos hilos
4. Convertidor analógico/digital
7.2. Transmisor electrónico de presión diferencial
4.1. Selección de un convertidor analógico/digital 7.3. Transmisión estándar de datos para ordenador
5. Convertidor digital/analógico
Preparación de la unidad Recuerda
Sistema decimal
• Un código es un conjunto de signos preestablecidos, utilizados por un grupo de personas, que permiten la transmisión de una información.
0
1
2
3
0
1
10
11
4
5
6
7
8
9
Código binario natural
El código binario, también llamado binario natural, emplea los símbolos 0 y 1.
100
101
110
111
1000 1001
Código BCD 8421
Todos los números naturales del sistema decimal tienen sus equivalentes en el sistema binario. Así:
Objetivos
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
0 02) ; 1 12) ; 2 102) ; 3 112) ; 4 1002) • Distinguir las características que diferencian las señales analógicas de las digitales.
5 1012) ; 6 1102) ; 7 1112) ; 8 10002) ...
• Explicar el mecanismo de codificación de las señales binarias y reconocer su utilidad.
El código BCD (decimal codificado en binario) permite expresar cada dígito decimal en código binario.
• Enumerar los elementos que constituyen un sistema de adquisición de datos desde la fuente hasta el actuador. • Conocer las características de los sistemas de control analógico y digital, y analizar comparativamente sus ventajas y sus inconvenientes. • Describir el funcionamiento de un convertidor analógico/digital y explicar el tipo de señal que se obtiene a la salida. • Describir el funcionamiento de un convertidor digital/analógico y explicar el tipo de señal que se obtiene a la salida. • Clasificar los transmisores según el tipo de energía que emplean.
El número de combinaciones posibles de bits (N) depende del número de bits empleados (n):
• Explicar el funcionamiento de la transmisión basado en el sistema de equilibrio de pares de fuerzas. • Describir el funcionamiento de un transmisor electrónico de presión diferencial y justificar las ventajas de emplear un sistema realimentado. • Conocer las características de algunos sistemas de transmisión estándar de datos para ordenador.
— Los sistemas en lazo abierto son sistemas no realimentados. Su comportamiento dependerá exclusivamente del regulador.
N 2n Así, si utilizamos dos bits, podremos obtener 22 4 combinaciones (00, 01, 10 y 11); si empleamos tres bits, obtendremos 23 8 combinaciones (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111); si empleamos cuatro bits, resultan 24 16 combinaciones, etc. Por tanto, para representar los diez dígitos se necesita emplear cuatro bits, es decir, 16 combinaciones, de las cuales seis no se asignan a ningún dígito.
• Reconocer los motivos que justifican la transmisión de datos y enumerar sus ventajas.
• Un sistema de control se encarga de mandar o gobernar un proceso con el fin de obtener en él la salida deseada. Esto puede efectuarse en lazo abierto o en lazo cerrado.
— Los sistemas en lazo cerrado son sistemas realimentados. Por consiguiente, su comportamiento dependerá del comparador y del regulador. • En un circuito eléctrico, las resistencias pueden acoplarse en serie, en paralelo o mixto.
El código BCD más usual es el denominado 8421 en el que la representación del 0 al 9 coincide con la del código binario natural (salvo los ceros no significativos).
— Si dos resistencias se acoplan en serie, la resistencia total es la suma de ambas: RT R1 R2 — Si se acoplan en paralelo, la resistencia total se R1 R2 obtiene del modo siguiente: RT —————. (R1 R2)
288
289
Desarrollo de los contenidos La exposición de los contenidos se estructura en apartados y subapartados que reproducen la secuencia lógica de aprendizaje. • Donde resulta necesario, se incluyen modelos de resolución de problemas tecnológicos. • En los márgenes se incluyen explicaciones complementarias que ayudan a comprender mejor los contenidos, las ampliaciones de especial interés, las cronologías de la evolución histórica de la tecnología...
Lumbrera de escape
Bujía
Lumbrera de admisión Biela
6
5.2. Parámetros y magnitudes característicos Los parámetros característicos de un motor de dos tiempos son los mismos que hemos definido para el de cuatro tiempos: diámetro (D), carrera (S), régimen de giro (n) y relación volumétrica de compresión (r).
Número de cilindros
1
1
Cilindrada total (cc)
331
49
El par motor y la potencia evolucionan en función del régimen de giro del motor del mismo modo que en el de cuatro tiempos (fig. 7).
Carrera (mm)
En la figura 8, se pueden observar las partes esenciales de un motor de dos tiempos monocilíndrico. Pistón
Lumbrera de transferencia
Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el movimiento del pistón en el interior del cilindro.
Pistón
Le
Lo primero que se aprecia es la desaparición de las válvulas de admisión y escape, propias del motor de cuatro tiempos. En su lugar, aparecen los conductos de admisión y escape denominados lumbrera de admisión al cárter (La) y lumbrera de escape (Le). Además, hay otra abertura que comunica el cárter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de transferencia (Lt).
Cigüeñal
Bujía
La
La mezcla de combustible y aire no entra directamente en el cilindro, sino en el cárter, que actúa como una bomba que aspira la mezcla a través de la lumbrera de admisión (La) y la transfiere al cilindro mediante la lumbrera de transferencia (Lt).
Lt
Biela
5.1. Funcionamiento Cigüeñal
Fig. 8. Partes fundamentales de un motor de dos tiempos monocilíndrico.
a Le La
El ciclo de funcionamiento de un motor de dos tiempos consta de las mismas cuatro fases que el de cuatro tiempos, sólo que realizadas en dos carreras del pistón y, por tanto, en una sola vuelta del cigüeñal. Así pues, distinguiremos la etapa de admisión-compresión y la de expansión-escape (fig. 9). Admisión-compresión
b
El pistón asciende en su primera carrera desde el PMI hasta el PMS, arrastrado por el cigüeñal, que gira 180°. En este movimiento comprime la mezcla que se encuentra en el cilindro.
Le La Lt
• Al final de algunos apartados, se proponen cuestiones y problemas, organizados de menor a mayor dificultad, para la aplicación de los contenidos estudiados en contextos diferentes.
5. El motor de explosión de dos tiempos Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendido provocado (MEP) y con un proceso en dos tiempos o carreras.
Lt
A la vez, descubre la lumbrera de admisión (La) para que una cierta cantidad de mezcla nueva pase al cárter. La lumbrera de escape (Le) permanece cerrada. Al llegar el pistón al PMS, salta la chispa procedente de la bujía y se produce la combustión de la mezcla.
c
d
Expansión-escape Le La
Le La Lt
Lt
Al producirse la combustión de la mezcla, se ejerce una presión sobre el pistón, que desciende bruscamente en su segunda carrera arrastrando el cigüeñal, que gira otros 180°. La lumbrera de escape (Le) comienza a descubrirse y los gases quemados pueden salir al exterior.
Fig. 9. Etapas de funcionamiento de un motor de explosión de dos tiempos.
96
La tabla 3 muestra las magnitudes características de dos motores de dos tiempos correspondientes a una motocicleta de competición (C) y a otra de paseo (P).
5.3. Ventajas e inconvenientes Comparado con un motor de cuatro tiempos, el de dos tiempos presenta las ventajas siguientes: • Sencillez de construcción, pues carece de árbol de levas y, en consecuencia, de la correspondiente correa de distribución. • Supresión de las válvulas, que siempre están sujetas a gran desgaste.
Magnitud
C
P
64
31
Diámetro (mm)
83,2
44
Relación S/D
0,76
0,70
Relación de compresión
11,7
11
Potencia máxima (CV)
50
7
n potencia máxima (rpm)
8 000
8 000
Tabla 3. Magnitudes características de algunos motores de dos tiempos.
• Mayor potencia, ya que el motor de dos tiempos efectúa trabajo útil en cada vuelta del cigüeñal, mientras que el de cuatro tiempos lo realiza cada dos vueltas. • Mejor funcionamiento de los órganos de transmisión. Sin embargo, también tiene algunos inconvenientes, tales como: • Menor rendimiento mecánico. • Mayor temperatura de funcionamiento, ya que la combustión de la mezcla se produce con una frecuencia superior. • Mayor desgaste de sus órganos, por la misma razón expuesta en el punto anterior. • Mayores niveles de contaminación generados por la combustión de los aditivos de la mezcla.
5.4. Aplicaciones El motor de explosión de dos tiempos tiene dos campos de aplicación fundamentales: • Pequeños motores para lanchas fueraborda, motocicletas y auxiliares. Suelen ser motores sencillos, de bajo coste, refrigerados por aire y autolubricados mediante aditivos de la mezcla combustible. • Grandes motores para embarcaciones caracterizados por una gran potencia.
Inmediatamente, se descubre la lumbrera de transferencia (Lt) y la mezcla nueva procedente del cárter entra en el cilindro y desaloja el resto de los gases quemados.
5. Calcula el volumen de la cámara de compresión de los motores que aparecen en la tabla 3 a partir de los datos de la relación de compresión y la cilindrada.
El pistón se encuentra en el PMI y puede comenzar a ascender, arrastrado por el cigüeñal para iniciar un nuevo ciclo.
Sol.: 30,93 cc; 4,9 cc
Autoencendido, picado y detonación En los motores de dos y cuatro tiempos, la chispa de la bujía salta cuando el pistón está a punto de llegar al PMS. La mezcla se inflama y la combustión se propaga, no de forma instantánea, sino de modo progresivo. En ocasiones, la dilatación de los gases quemados puede comprimir aún más la parte no inflamada y provocar su autoinflamación o autoencendido. Este fenómeno da lugar a la aparición de vibraciones de las partes mecánicas de la cámara de combustión y a un ruido característico, que suele denominarse picado del motor. Cuando esto ocurre, decimos que se ha producido una detonación.
6. Calcula la nueva cilindrada y el nuevo volumen de la cámara de compresión de la motocicleta de competición de la tabla 3 si aumentamos la carrera hasta 66 mm y el diámetro del cilindro a 85 mm. Sol.: 374,33 cc; 35 cc
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Análisis de sistemas técnicos Con el fin de facilitar a los alumnos una visión de conjunto de las aplicaciones tecnológicas que pueden encontrar en su entorno, al final de algunas unidades se incorpora una doble página en la que se presenta el análisis de un sistema técnico desde los puntos de vista anatómico, funcional y técnico.
A Á AN ANÁ ÁLISIS LISIS S S DE SISTEMAS SS S TÉ ÉCN CNICOS CNIC C COS S T Todos los sistemas automáticos presentan algunos fallos de funcionamiento. Por regla general, estos fallos se producen como consecuencia de problemas de fatiga del sistema por el tiempo que lleva en funcionamiento. Para corregirlos, es conveniente detectarlo r s. Una vez rlo detectado el error, será necesario arbitrar las soluciones idóneas para subsanarlo. En este caso, vamos a analizar una línea de llenado de botellas y cierre con tapón metálico. Este dispositivo es habitual en los procesos industriales de envasado de líquidos. Los fallos más comunes que suelen presentarse en este tipo de procesos son, entre otros, los siguientes:
Línea íínea de llenado de botellas
A efectos de detección de fallos, el segundo y el tercero pueden tratarse conjuntamente, ya que en ambos la botella carece de tapón.
Funcionamiento
El problema se reduce, pues, a detectar dos posibles fallos: si la botella está correctamente llena y si dispone de tapón metálico.
El detector inductivo será el encargado de detectar la presencia de tapones metálicos. Para ello, se situará en posición vertical de modo que las botellas pasen justo por debajo de él.
Para llevar a cabo la detección, será necesario diseñar un sistema de control capaz de indicar los errores previstos. Procederemos, por tanto, a señalar las característi í ísti cas de los elementos que deben componer el sistema, definir su funcionamiento y proponer alternativ r rnativ vas vas posibles.
1. La botella está insuficientemente llena.
• Cuando una botella está correctamente tapada, la presencia del tapón metálico activa el detector. La señal es enviada a un conmutador que desactiva el actuador y deja que la botella prosiga su camino en la línea de llenado. • Cuando la botella carece de tapón o está rota, el detector no se activa y el conmutador invierte la señal y activa el actuador para que extraiga la botella del circuito de llenado.
Características í ísticas Los detectores de proximidad analizados hasta ahora son fundamentalmente de dos tipos: inductivos v y cavos pacitivos v . vos • Los detectores de proximidad inductivos son dispositivos que basan su actuación en fenómenos de tipo magnético. Se fundamentan en la variaci i ón del campo magnéiaci tico producido en una bobina detectora como consecuencia del acercamiento o del alejamiento de un objeto.
2. La botella carece de tapón.
Los materiales más fácilmente detectables son aquellos que posean características de buenos conductores de los flujos magnético y eléctrico. Por lo tanto, para detectar la presencia o la ausencia de tapón metá t lico en la botella, podemos utilizar un tá detector inductivo.
3. La botella se ha roto durante el proceso de colocación del tapón.
botella y botella, ya que, al no detectar tapón metálico, la ausencia de señal puede provocar la activación del actuador.
El circuito de control estará formado por un detector de proximidad inductivo y otro capacitivo.
El detector capacitivo se encarga de detectar el nivel de llenado de las botellas. Para que funcione de manera idónea, es necesario calibrarlo con el fin de que se active cuando la variación de capacidad se origina por una botella correctamente llena. • Cuando una botella está totalmente llena, el detector se activa y emite una señal. Ésta es captada por el conmutador, que se encarga de desactivar v el actuavar dor para que la botella prosiga en la línea de llenado. • Cuando una botella está insuficientemente llena, la variación de campo eléctrico provocada no es suficiente para activar el detector, con lo que, al no producirse señal, el conmutador activa el actuador para que saque la botella de la línea de llenado. Este funcionamiento tiene dos inconvenientes que deben ser subsanados. — Desde el punto de vista del detector inductivo, se plantea el problema del espacio que queda entre
El problema se resuelve temporizando r rizando la frecuencia de la señal para que coincida con la frecuencia de paso de las botellas. — Desde el punto de vista del detector capacitivo, el problema está en los huecos que pueda dejar la líí ínea de llenado entre botella y botella, ya que pueden ser interpretados como botellas insuficientemente llenas y activar el actuador. Para resolverlo, basta configurar la línea de llenado de modo que se impida, en la práctica, la existencia de dichos huecos.
Alternativas Existen dos posibles alternativas al diseño del sistema que hemos expuesto. • La primera de ellas consiste en modificar la línea de llenado de modo que el actuador se active cuando se detecta una botella provista de tapón o correctamente llena, con lo que se evita el problema de los huecos. El inconveniente de esta alternativa radica en que el actuador tiene que intervenir v venir con mucha más frecuencia, ya que hay que suponer que la inmensa mayoría de las botellas cumplirán los requisitos establecidos. Esto supone un mayor consumo de energía y el riesgo de fallos en el funcionamiento del actuador. • La segunda consiste en modificar el funcionamiento de los detectores para que detecten sólo las botellas desprovistas de tapón o insuficientemente llenas, lo que supone elegir el detector inverso a los anteriores.
• Los detectores de proximidad capacitivos son dispositivos que basan su actuación en fenómenos de tipo eléctri t ico tri ico. Detectan la variaci i ió iaci ión de capacidades existente entre la placa sensora y tierra cuando se aproxima un objeto. Pueden utilizarse indistintamente para detectar materiales conductores o dieléctricos, aunque están especialmente indicados para estos últimos. Por lo tanto, para detectar si la botella está t correcta o tá incorrectamente llena, podemos emplear un detector capacitivo.
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A medida que se avanza en el desarrollo de los contenidos, los sistemas van siendo progresivamente más complejos, de modo que incorporen los elementos, los materiales, los mecanismos y los procesos analizados hasta ese momento. La relación de sistemas propuestos a lo largo del libro es la siguiente: • Unidad 1:
la cisterna del inodoro
• Unidad 9:
• Unidad 4:
una motocicleta
• Unidad 5:
• Unidad 10: apertura de la compuerta de una tolva
un frigorífico doméstico
• Unidad 6:
una taladradora portátil
• Unidad 11: una mesa regulable en altura
• Unidad 7:
línea de llenado de botellas
• Unidad 14: apertura de una puerta
• Unidad 8:
apertura y cierre de una puerta
• Unidad 15: control inteligente de instalaciones
un horno doméstico
Páginas de cierre Las unidades se cierran con una doble página formada por dos apartados: Síntesis de la unidad y Actividades de aplicación. • El apartado Síntesis de la unidad está constituido por un cuadro sinóptico que resume la información más significativa estudiada. Cuando resulta conveniente, se incluyen fórmulas para la resolución de problemas y la simbología normalizada utilizada para la representación de elementos y circuitos.
Síntesis de la unidad
Actividades de aplicación
En los cuadros siguientes se resumen los conceptos fundamentales relacionados con los elementos de un circuito oleohidráulico y sus características más destacadas. Elemento
Bombas
Válvulas
Tipo
De engranajes De paletas
De corredera Electroválvulas
Función
Aspirar el aceite del depósito e impulsarlo al circuito a una determinada presión y caudal.
Gobernar los elementos de trabajo mediante el paso de aceite a presión a través de sus orificios o vías.
Características
— Nombra otras unidades técnicas que se emplean para medir estos parámetros y justifica su relación con las unidades del SI.
Presión nominal Caudal Régimen de giro Se designan mediante un código numérico: 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, etc. Su mando puede ser manual, por palanca, por pedal, por pulsador, por roldana, hidráulico o eléctrico. Su retorno puede ser por resorte, hidráulico o eléctrico. Sólo efectúan trabajo útil en el movimiento de avance. Fuerza ejercida por el vástago:
D2 Fe P ——— E 4 De simple efecto
Transformar la energía de presión del aceite en movimiento rectilíneo alternativo.
La presión de trabajo es muy superior a la de los cilindros neumáticos. Efectúan trabajo útil tanto en el movimiento de avance como en el de retroceso. Fuerza ejercida por el vástago: D2 Fea P —— 4
• Las Actividades de aplicación presentan un conjunto de cuestiones teóricas y ejercicios prácticos que pretenden determinar si los alumnos han alcanzado los objetivos propuestos.
Volumen de aceite consumido: D2 V —— e 4
Cilindros
De doble efecto
4. Define correctamente los conceptos de viscosidad y viscosidad cinemática, e indica en qué unidades se mide cada una de ellas en el SI.
(D 2 d 2 ) Fer P ————— 4
Volumen de aceite consumido: (D 2 d 2 ) VT Va Vr ————— e 4 La presión de trabajo es muy superior a la de los cilindros neumáticos.
5. Justifica razonadamente por qué la resistencia oleodinámica de un fluido es directamente proporcional a su densidad, su viscosidad cinemática y la longitud del tubo, e inversamente proporcional al diámetro de éste. 6. Enumera las funciones básicas que ha de cumplir cualquier fluido oleohidráulico y justifica en qué casos está aconsejado no utilizar aceite mineral. 7. Confecciona un esquema con los elementos básicos de cualquier circuito oleohidráulico y los componentes de cada uno. 8. Elige uno de los tipos de bombas analizadas en la unidad y describe su funcionamiento. Puedes ayudarte de un dibujo esquemático.
A
a)
Elementos auxiliares
282
Caudal
Retener y retirar las impurezas que puede transportar el aceite.
Elevada capacidad de aspiración
Válvula antirretorno
Impedir la circulación del aceite en un determinado sentido.
Idénticas a las neumáticas
Válvula selectora de circuito
Permitir la salida del aceite por un orificio único cuando procede de dos conductos distintos.
Idénticas a las neumáticas
Válvula reguladora de caudal
Controlar el caudal de aceite que pasa por una conducción.
Pueden ser unidireccionales y bidireccionales.
Válvula limitadora de presión
Regular o limitar la presión de trabajo del aceite.
De paletas
B
b)
T A
P
A
T
B
R P
c)
Régimen de giro
— Compara estas representaciones con las que realizaste en la actividad 6 de la unidad anterior y señala sus semejanzas y sus diferencias. 13. Calcula las fuerzas efectivas de avance y de retroceso del vástago de un cilindro de doble efecto a partir de los datos siguientes: diámetro del émbolo, 50 mm; diámetro del vástago, 30 mm; presión de trabajo, 225 bar; rendimiento, 85 %. Sol.: 37 533 N; 24 021 N
14. Calcula el consumo de aceite del cilindro anterior, en L/min, suponiendo que la carrera del vástago es de 180 mm y que efectúa 4 ciclos/min.
15. Disponemos de un cilindro de doble efecto, cuyo rendimiento es del 85 %, que trabaja a una presión de 50 bar. El vástago tiene 28 mm de diámetro. — Calcula el diámetro que ha de tener el cilindro para obtener una fuerza efectiva de avance de 8 435 N. — Con las dimensiones obtenidas en el apartado anterior, calcula la fuerza efectiva que se obtiene en el retroceso. Sol.: 50 mm; 5 725 N
16. Explica las semejanzas y las diferencias entre un motor de engranajes y una bomba de engranajes. T
Presión nominal
Transformar la energía de presión del aceite en movimiento giratorio continuo.
Filtros
De engranajes
a) 3/2 NC con mando hidráulico y retorno por resorte. b) 4/2 con mando y retorno hidráulicos. c) 5/2 con mando por palanca y retorno por resorte. d) 3/2 NC con mando eléctrico y retorno por resorte.
Sol.: 2,31 L/min
9. Explica las analogías y las diferencias que existen en la representación simbólica de una válvula neumática y una oleohidráulica. 10. Nombra las válvulas que aparecen representadas en la figura siguiente.
P Motores
12. Representa simbólicamente las siguientes válvulas:
17. Justifica la utilidad de las válvulas antirretorno. 11. Esta secuencia de dibujos representa el funcionamiento de una válvula 5/2 de corredera. B
A
18. Confecciona un dibujo esquemático de una válvula reguladora de caudal unidireccional y explica cómo funciona. — Dibuja también su símbolo y explica qué función desempeña el antirretorno de su interior.
T
P B
19. Repite el proceso anterior con una válvula bidireccional. Señala las analogías y las diferencias con la unidireccional. 20. Explica qué debemos hacer para conseguir que la velocidad de salida del vástago de un cilindro sea prácticamente instantánea.
T Similares a las neumáticas
R A
P
R
— Represéntala simbólicamente y describe el proceso de trabajo.
21. Indica cómo podemos limitar la carrera de un cilindro, es decir, conseguir que no lleve a cabo su carrera máxima.
283
7
Vocabulario técnico Al final del libro, se recoge un glosario de los términos de uso técnico empleados en el desarrollo de las unidades didácticas. Con el fin de facilitar su localización, cada término se acompaña con las páginas en las que se hace referencia a él. En negrita, se señala dónde se trabaja de una manera significativa. De este modo, el vocabulario tiene una doble utilidad: — Por una parte, funciona como diccionario técnico, ya que explica el significado de los términos que recoge. — Por otra, sirve como índice alfabético para localizar los términos en el libro.
VOCABULARIO TÉCNICO
A Abrasión. Desgaste de un material por fricción (pp. 15, 28, 31). Acero. Producto siderúrgico cuyo contenido en carbono oscila entre el 0,1 % y el 1,76 % (pp. 15, 18, 21, 22-24, 27, 28, 33, 39-43, 46, 52, 56, 57, 61, 68, 70, 74, 75, 81, 84, 125, 129, 141, 272, 274).
En las páginas siguientes, encontrarás un vocabulario compuesto por un gran número de términos que se estudian en las distintas unidades de este libro. Se presentan por orden alfabético. Con el fin de facilitar su manejo, conviene tener en cuenta las consideraciones siguientes: • Cada término incluye la definición y las páginas en las que aparece. Si el concepto se desarrolla de manera sistemática en algún apartado o subapartado, se indica mediante páginas en negrita. Por ejemplo: Disco duro (HD). Memoria de masa formada por una superficie magnética donde se graba la información por medio de un cabezal de lectura/escritura que interacciona con dicha superficie (pp. 346, 347, 350).
Las características del disco duro como memoria periférica se exponen en la página 346. En la página 347, se hace referencia al concepto de disco duro en relación con otras unidades de memoria de masa. • Si un término tiene varias acepciones, se recogen todas aquellas que se emplean en el libro. Por ejemplo: Condensador. 1. Operador eléctrico de corriente alterna cuya misión es acumular carga eléctrica para cederla en el momento oportuno. Su capacidad se mide en faradios (F) (pp. 17, 146, 155, 166, 207, 208, 224, 225, 230). 2. Elemento de una máquina frigorífica en la que el fluido frigorígeno pasa de estado gaseoso a estado líquido (pp. 112-117, 120126).
Cuando el término condensador se trata en las páginas 17, 146, 155, 166, 207, 208, 224, 225 y 230, nos estamos refiriendo a un componente eléctrico. Cuando dicho término se analiza en las páginas 112 a 117 y 120 a 126, hablamos de un
componente de una máquina frigorífica o una bomba de calor. • Si de un concepto conviene especificar algunas características peculiares, se indican éstas en cursiva. Por ejemplo: Amplificador. Dispositivo electrónico que aumenta la intensidad de la señal de entrada (pp. 200, 218, 219, 298, 342, 343, 357, 358). Amplificador convertidor (p. 301), operacional (pp. 192, 199, 202, 205, 292, 293).
En las páginas 200, 218, 219, 298, 342, 343, 357 y 358, el concepto de amplificador tiene un sentido general. En la página 301 se estudia específicamente el amplificador convertidor, y en las páginas 192, 199, 202, 205, 292 y 293 se desarrolla el amplificador operacional. • Si un concepto tiene varias acepciones, se recogen todas ellas y se remite a la de uso más frecuente. Por ejemplo: Diferencia de potencial. V. Tensión. Voltaje. V. Tensión. Tensión. 1. Diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, un componente eléctrico o un circuito. También se denomina diferencia de potencial o voltaje. Se mide en voltios (pp. 27, 29, 30, 55, 57, 71, 130, 155, 160, 165-169, 171, 176, 179, 181184, 187, 191-194, 199, 202-205, 207, 208, 224, 225, 227, 242, 271, 293, 295, 298, 303, 304, 339, 345, 366, 373). 2. Fuerza que se ejerce en un esfuerzo de tracción o de compresión (pp. 44-47, 50).
Los términos diferencia de potencial y voltaje remiten a tensión. De las dos acepciones que posee este término, es obvio que nos referimos a la primera de ellas. En las páginas referenciadas en este bloque puede aparecer indistintamente el concepto como tensión, como voltaje o como diferencia de potencial.
Ácido. Sustancia química de acción corrosiva sobre los metales y sobre otros materiales (pp. 17, 25, 28, 63, 84, 104). Ácido crómico (pp. 26, 27), fosfórico (p. 27), nítrico (pp. 23, 61), sulfúrico (pp. 27, 61). Actuador. Dispositivo encargado de actuar sobre un proceso una vez recibida la orden procedente de otro elemento del sistema (pp. 159, 175, 176, 198, 199, 200-201, 202, 205, 207, 212, 213, 216, 224, 228, 230, 234, 239, 267, 275, 276, 293, 348, 354, 370). Acumulador. Dispositivo que puede almacenar o acumular un fluido o una determinada cantidad de energía mecánica y devolverla en el momento necesario (pp. 87, 115, 233). Admisión. Fase del ciclo de un motor térmico en la que la mezcla combustible se introduce en el interior del cilindro (pp. 91, 92, 93, 96, 98, 100, 101, 108). Afinidad electrónica. Avidez de un átomo por capturar electrones (pp. 10, 11). Afino. Denominación que recibe el proceso de eliminación de las impurezas que contiene un metal en bruto (p. 68). Aglomerante. Sustancia que liga o mantiene unidos diversos componentes heterogéneos (p. 28). Aislante. Material que impide, en la práctica, el paso del sonido, la luz, el calor o la corriente eléctrica (pp. 16, 17, 70, 149). Alcalino/a. Sustancia química de acción corrosiva sobre ciertos materiales y de naturaleza contraria a la de los ácidos (p. 69). Alcohol. Nombre genérico de una familia de compuestos orgánicos derivados de los hidrocarburos. Con frecuencia suele utilizarse para designar el etanol o alcohol etílico (p. 102). Aleación. Material que resulta de la disolución de un sólido en otro sólido cuando ambos están en estado de fusión y que conserva propiedades metálicas (pp. 13, 18-21, 22, 23, 30-33, 46, 53, 163, 191, 245). Aleación eutéctica (p. 19). Aleante. Componente de una aleación (pp. 18-20). Álgebra de Boole. Estructura algebraica que corresponde a un conjunto de elementos, que pueden tomar los valores 0 y 1, y sobre los que se definen tres operaciones binarias: suma lógica, producto lógico y complementación o negación (pp. 291, 312-315, 316, 319, 328). Algodón. Fibra textil de origen vegetal (p. 83). Alquitrán. Producto que se obtiene de la destilación seca de la hulla y del petróleo (p. 75). Alternador. Generador de corriente alterna (p. 130).
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8
ALU. Sigla con la que se identifica la unidad aritmético-lógica de un microprocesador (pp. 361, 363). Alúmina. Óxido de aluminio, Al2O3, de color blanco y aspecto gelatinoso (pp. 14-16, 27, 28). Aluminio. 1. Elemento químico de carácter metálico. Su símbolo es Al (pp. 9, 10, 12, 14, 17, 29-31). 2. Metal ligero de tipo no férrico (pp. 15, 23, 25, 27, 40, 46, 67, 163, 243). Aluminización. Técnica de recubrimiento de un metal por inmersión en caliente en un baño de aluminio fundido (p. 30). Amoníaco. Compuesto químico, de fórmula NH3, utilizado antiguamente como fluido frigorígeno (pp. 113, 123). Amorfo. Estado de agregación de un sólido que carece de estructura cristalina (pp. 12, 14). Amortiguación. Reducción de la velocidad del émbolo de un cilindro oleohidráulico o neumático cuando efectúa la parte final de la carrera de avance o retroceso (pp. 238, 273). Amperio (A). Unidad de intensidad eléctrica en el SI. Es la intensidad de corriente que produce la circulación de un culombio por segundo en un conductor (pp. 27, 29, 129, 132-136, 144, 160, 161, 207). Miliamperio (mA) (pp. 165, 169, 182, 227, 301). Amplificador. Dispositivo electrónico que aumenta la intensidad de la señal de entrada (pp. 200, 218, 219, 298, 342, 343, 357, 358). Amplificador convertidor (p. 301), operacional (pp. 192, 199, 202, 205, 292, 293). Analógica. Tipo de señal que varía de forma continua en función del tiempo (pp. 182, 198, 224, 227, 229, 290, 292-297, 310, 368, 372). Ancho de banda. Margen de frecuencias con que puede trabajar un componente (p. 292). Angström. Unidad de longitud equivalente a 1010 m (p. 56). Anillo limpiador. Pieza que se coloca en el lado opuesto del émbolo de un cilindro oleohidráulico para mantener el vástago limpio de aceite (p. 274). Anión. Ion provisto de carga negativa (pp. 10, 11). Anodizado. Procedimiento electrolítico por el cual se recubre el aluminio de una capa que le protege de la corrosión (pp. 27, 243). Ánodo. Polo positivo (pp. 25, 27, 30, 31, 57, 155, 173). Ánodo de sacrificio (pp. 30, 31). Antimonio. Elemento químico, de carácter no metálico. Su símbolo es Sb (pp. 9, 17). Antracosis. Enfermedad provocada por la inhalación de polvo de carbón (p. 82). Árbol. Elemento de máquina, cilíndrico o no, sobre el que se montan diferentes piezas mecánicas y que gira solidariamente con ellas. Transmite momentos de giro (pp. 48, 50, 97). Árbol de levas (p. 97). Arcilla. Roca sedimentaria procedente de la descomposición del granito. Está constituida básicamente por silicato de aluminio (pp. 14, 17, 63, 84).
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SOLUCIONARIO Este solucionario permite al profesor/a la corrección de las actividades propuestas en el libro del alumno. Puede ser interesante que los alumnos lo utilicen como método de autoevaluación de las actividades de aplicación que se plantean al final de cada unidad. Con esta finalidad, el profesor/a puede fotocopiar las páginas correspondientes a dichas actividades y proporcionárselas a los alumnos.
ÍNDICE Bloque I. Materiales y principios de máquinas Unidad 1. Estructura y propiedades de los materiales . . . . . . . . . . . . . .
11
Unidad 2. Ensayos mecánicos sobre materiales . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
Unidad 3. Reciclaje de materiales. Importancia económica . . . . . . . . . . .
20
Unidad 4. Motores térmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Unidad 5. Máquinas frigoríficas. Bomba de calor . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Unidad 6. Motores eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Bloque II. Automatismos Unidad 7. Transductores de posición y de proximidad . . . . . . . . . . . . . .
45
Unidad 8. Otros transductores. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Unidad 9. Estructura de un sistema automático . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Unidad 10. Circuitos neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
Unidad 11. Oleohidráulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
Bloque III. Control y programación de sistemas Unidad 12. Adquisición y transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
Unidad 13. Control mediante circuitos lógicos l . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
Unidad 14. Control mediante circuitos lógicos II. . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
Unidad 15. Control programado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
9
1. Estructura y propiedades de los materiales Actividades de aplicación (pág. 35) 1. La capacidad de reacción de un elemento viene determinada por la estructura de la capa de electrones más externa. — Si esta capa está completa, el elemento no presenta tendencia a ceder, capturar ni compartir electrones. Es el caso de los gases nobles: helio, argón, neón, xenón y criptón. — Si a la capa exterior le falta algún electrón para completarse, el elemento presenta una elevada afinidad electrónica, es decir, tiene tendencia a capturar los electrones que le faltan para convertirse en ion negativo (anión), y adquirir así la configuración de gas noble. Es el caso de los no metales: flúor, cloro, bromo, yodo, oxígeno, azufre, nitrógeno, fósforo... — Si la capa exterior posee muy pocos electrones, la afinidad electrónica del elemento es muy baja, es decir, tiende a ceder los electrones para convertirse en ion positivo (catión), de estructura electrónica estable. Es el caso de los metales: litio, sodio, potasio, magnesio, calcio, aluminio, titanio, cromo, hierro, níquel, cobre, cinc, plomo, estaño, mercurio... 2. Las sustancias metálicas presentan enlace metálico. Este enlace se caracteriza por la existencia de una nube electrónica en torno a los iones metálicos. Los electrones que forman esta nube se encuentran en la denominada banda de conducción y pueden trasladarse de unos iones a otros, lo que facilita la conducción de la corriente eléctrica. Los compuestos iónicos están formados por un retículo cristalino constituido por iones positivos y negativos. Cuando estos compuestos se disuelven en agua, los iones pueden desplazarse por el seno de la disolución, lo que también facilita la conducción de la corriente eléctrica. Por el contrario, los compuestos covalentes están formados por moléculas definidas entre las que en ocasiones existen algunas fuerzas intermoleculares de carácter electrostático. Por eso resultan, en general, malas conducto-
ras de la electricidad, ya que el flujo de electrones no encuentra soporte material para desplazarse. 3. El estado cristalino se caracteriza por la existencia de una ordenación regular de los átomos, los iones o las moléculas componentes de una sustancia según unas formas geométricas determinadas. En este estado, las partículas se sitúan ocupando los nudos o los puntos singulares de una red espacial geométrica denominada cristal, que se repite de forma elemental en las tres direcciones del espacio. Los sólidos que presentan estructura cristalina son anisótropos, es decir, sus propiedades mecánicas (dureza, fragilidad, resistencia a la tracción...) dependen de la orientación en el espacio que se considere. En estado amorfo, por el contrario, las partículas componentes del sólido se agrupan al azar sin que exista relación ni distancia definida entre ellos. Los sólidos amorfos suelen ser isótropos, esto es, presentan las mismas propiedades en cualquier dirección del espacio que se considere. Los tratamientos térmicos pueden cambiar las características estructurales de un sólido y, en consecuencia, modificar también sus propiedades mecánicas. Así, un enfriamiento lento favorece la aparición de estructuras cristalinas mientras que un enfriamiento rápido favorece la formación de sólidos amorfos. 4. Podemos distinguir entre propiedades físicas, químicas y mecánicas. — Las propiedades físicas más importantes son: extensión, impenetrabilidad y comportamiento del material bajo la acción del calor, la electricidad, el magnetismo o la luz. — Las propiedades químicas más significativas son la oxidación, la corrosión y la capacidad de reacción frente a diversos agentes.
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— Las propiedades mecánicas son: cohesión, dureza, elasticidad, plasticidad, maleabilidad, ductilidad, tenacidad, fragilidad, fatiga y resiliencia. A la hora de fabricar los componentes de un automóvil habrá que tener en cuenta las propiedades siguientes: — Para los neumáticos: resistencia térmica, impermeabilidad, inercia química frente a agentes atmosféricos y elasticidad. — Para el bloque motor: bajo coeficiente de dilatación, tenacidad y resistencia a la fatiga. — Para las barras de torsión: elasticidad y resistencia a la fatiga. — Para las lunas: inercia química frente a los agentes atmosféricos, dureza y transparencia.
— Para las válvulas, el cilindro y el pistón: aceros inoxidables (duros, tenaces y con buena resistencia a los agentes corrosivos). — Para la correa de distribución: neopreno (resistente a la tracción y elástico). — Para la carrocería: chapa de acero o de aluminio (plásticas y resistentes a la corrosión si han sido previamente tratadas). 6. a) Un trozo de madera de pino se hiende con facilidad: cohesión escasa. b) No puede clavarse un clavo sobre una pieza de acero: dureza elevada. c) Al dejar de presionar un muelle, éste recupera su forma inicial: elasticidad elevada. d) Una barra de plomo de pequeño diámetro puede doblarse fácilmente con las manos: plasticidad elevada.
— Para el cigüeñal y las bielas: bajo coeficiente de dilatación, tenacidad y resistencia a la fatiga.
e) Pueden obtenerse hilos de volframio de muy pequeño calibre: ductilidad elevada.
— Para las válvulas, el cilindro y el pistón: bajo coeficiente de dilatación, resistencia a la corrosión y dureza.
f) El arrabio que sale del horno alto puede ser extendido en láminas: maleabilidad elevada.
— Para la correa de distribución: elasticidad, resistencia térmica y resistencia a la fatiga.
g) El hierro dulce admite bien los procesos de forja en caliente: tenacidad escasa.
— Para la carrocería: plasticidad, resistencia a la corrosión, dureza y resiliencia.
h) El vidrio de ventana se rompe si se le golpea con un objeto contundente: fragilidad elevada.
5. De acuerdo con las propiedades anteriores, los materiales más adecuados serían:
i) Si doblamos repetidamente un alambre por el mismo sitio, acaba rompiéndose: fatiga.
— Para los neumáticos: caucho vulcanizado (químicamente inerte y muy elástico).
7. El vidrio de ventana es una mezcla en diferentes proporciones de sílice, caliza y otros componentes. No presenta una estructura cristalina definida, sino que es amorfo. Por eso, es incorrecto denominarlo cristal.
— Para el bloque motor: fundición o aleaciones de aluminio (tenaces y resistentes a la fatiga). — Para las barras de torsión: acero para muelles de baja aleación (soporta bien los esfuerzos de torsión). — Para las lunas: vidrio laminado (duro, transparente y químicamente inerte). — Para el cigüeñal y las bielas: acero al cromo-níquel de baja aleación (duro, tenaz y fácilmente mecanizable).
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8. La estructura microcristalina de los materiales vitrocerámicos les confiere una elevada resistencia mecánica, una elevada temperatura de fusión y una dilatación térmica muy baja. Por este motivo, están especialmente indicados para fabricar componentes sometidos a choques térmicos bruscos, ya que su escasa dilatación hace poco probable que puedan llegar a romperse.
9. Los materiales cerámicos más empleado en la fabricación de núcleos de bobina de electroimanes y de imanes permanentes son las ferritas (óxidos de hierro, a los que se añade níquel, cobalto o magnesio, y que se obtienen por sinterización). — Para fabricar electroimanes se utilizan las ferritas blandas porque mantienen las propiedades magnéticas mientras dura el paso de corriente y se desmagnetizan inmediatamente una vez cesa ésta. — Para fabricar imanes permanentes se emplean ferritas duras, capaces de mantener las propiedades magnéticas a lo largo del tiempo. La ventaja fundamental respecto a los imanes metálicos radica en su baja conductividad eléctrica, que impide la propagación de corrientes inducidas. 10. (La respuesta dependerá de las aleaciones enumeradas por cada alumno o alumna. No obstante, se ofrece un modelo de respuesta.) • Aleación: latón fundido Composición: 65 % Cu - 35 % Zn Propiedades: buena resistencia al agua y al vapor, dúctil y maleable. Aplicaciones: fabricación de casquillos de ajuste de piezas mecánicas. • Aleación: duraluminio
• Aleación: Nicrom Composición: níquel ( 80 %) y cromo. Propiedades: elevada resistividad. Aplicaciones: fabricación de resistencias eléctricas. 11. Una aleación de sustitución se forma cuando los átomos del metal base y de los aleantes son muy semejantes en tamaño, composición y forma de cristalización, por lo que los nudos de la red cristalina pueden ser ocupados indistintamente por átomos de uno u otro componente. Son habituales cuando el disolvente y el soluto son metales. Es el caso del bronce o el latón. Una aleación intersticial se forma cuando los átomos de los aleantes son lo suficientemente pequeños como para que puedan alojarse en los intersticios de la red cristalina del metal base. Se producen cuando los aleantes son no metales de pequeño diámetro atómico como el hidrógeno, el boro, el carbono y el nitrógeno. Es el caso de los aceros (aleación de hierro y carbono). 12. Para determinar la temperatura de fusión de cada aleación procederemos del modo siguiente: — Se traza una línea vertical sobre los valores 0,8 y 3,5 del eje de abscisas hasta que corten la curva del diagrama. — Desde los respectivos puntos de corte se trazan dos paralelas al eje de abscisas hasta que corten al eje de ordenadas.
Composición: 95,5 % Al - 4,5 % Cu Propiedades: resistencia a los agentes atmosféricos, tenacidad. Aplicaciones: materiales de construcción (marcos de puertas y ventanas).
°C 1535 1415 1340 1145
• Aleación: soldadura blanda Composición: plomo, estaño y antimonio en distintas proporciones. Propiedades: bajo punto de fusión, dureza en frío. Aplicaciones: como material de aportación en las soldaduras eléctricas.
1,76 0
0,8
4,7 3,5
6,67 %C
— Los valores que se leen en dicho eje corresponden a los puntos de fusión, que resultan ser aproximadamente:
13
• Para el acero: 1 415 °C • Para la fundición: 1 340 °C — La proporción entre fase líquida y fase sólida será equivalente a la distancia que media entre el punto intermedio (1 200 °C), y los límites de la solución sólida (1 145 °C) y la solución líquida (las temperaturas de fusión respectivas). • Para el acero:
x (sólido) 1 145 1 200 215 —————— ———————— ——— y (líquido) 1 200 1 145 55 x y 100
Resultado:
x 80 y 20
A 1 200 °C, la fase sólida del acero representa el 80 % y la fase líquida, el 20 %. • Para la fundición:
x (sólido) 1 340 1 200 140 —————— ———————— ——— y (líquido) 1 200 1 145 55 x y 100
Resultado:
x 72 y 28
A 1 200 °C, la fase sólida de la fundición representa el 72 % y la fase líquida, el 28 %. 13. Los metales pueden someterse a diversos tratamientos térmicos, entre los que destacan el recocido, el normalizado, el temple y el revenido. (La descripción del tratamiento dependerá de la elección que realice el alumno/a. No obstante, se ofrece un modelo de respuesta.) Temple Consiste en calentar el acero a una temperatura elevada para, a continuación, someterlo a un proceso de enfriamiento rápido. De este modo se consigue una estructura de la superficie del metal anormalmente dura. Esta dureza se debe a la tensión a que quedan sometidos los cristales por la deformación de su estructura cristalina, ya que el proceso de enfriamiento rápido les impide alcanzar un equilibrio estable.
14
Para llevar a cabo el temple de una pieza se han de tener en cuenta diversos factores, como la composición del acero o de la aleación, la temperatura a la que hay que calentar, el tiempo de calentamiento, la velocidad de enfriamiento y los medios empleados para enfriar la pieza. Según estas características, distinguimos diferentes tipos de temple, entre los que destacan el temple martensítico, el temple de precipitación y el temple superficial. • El temple martensítico debe su nombre a la martensita, aleación muy rica en carbono que se forma en la superficie del material durante el proceso de enfriamiento rápido y que se caracteriza por su extremada dureza y fragilidad. Se aplica a los aceros. • El temple de precipitación se denomina así porque el enfriamiento provoca la precipitación de un compuesto químico que pone en tensión los cristales del metal y los endurece. Se aplica a las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre. • El temple superficial se consigue provocando un calentamiento muy rápido, de forma que sólo una capa muy delgada de la superficie consiga la temperatura adecuada, seguida de un enfriamiento rápido. Para la fase de calentamiento puede utilizarse una llama o bien corrientes de inducción. De este modo se consigue un temple martensítico sólo en la capa externa sin que la parte interna de la pieza sufra ninguna transformación. El material que se obtiene resulta tenaz, resilente y resistente al desgaste. Se aplica a piezas que en su trabajo están sometidas a un gran rozamiento superficial, golpes bruscos y vibraciones, como los engranajes, los bulones, las coronas, las válvulas, etc.
14. El estirado se aplica a barras de diámetro superior a 10 mm procedentes de la fundición de metales como el cobre, el latón y el aluminio y sus aleaciones. El dispositivo utilizado en el proceso se denomina banco de estirar. Sobre él se sitúa la
hilera y frente a ella hay un carro desplazable provisto de una mordaza para sujetar la barra.
modo continuo por orificios cada vez menores de las hileras, hasta obtener la sección o el diámetro adecuado.
Antes de iniciar el proceso, la barra es afilada en uno de sus extremos para poder introducirla en la hilera.
Una vez trefilado el material, se procede al corte del extremo afilado y se le somete a un recocido como en el caso anterior. A continuación, se pule o se le da un tratamiento superficial (galvanizado, esmaltado o niquelado).
Si se trata de estirar barras de acero, es necesario someterlas a un proceso de decapado, es decir, limpiarlas y eliminar las escamas y los óxidos que pudiera tener su superficie. El estirado se provoca mediante desplazamiento del carro a lo largo del banco. De este modo, se ejerce la fuerza de tracción necesaria para que la barra pase a través de la hilera. Al hacerlo, aumenta su longitud y disminuye su sección. En los procesos de estirado, el material pasa una sola vez a través del orificio de la hilera. Una vez estirada la barra, se procede al corte del extremo afilado y se le somete a un recocido o a otro tratamiento similar con objeto de reducir el endurecimiento que se produce durante el estirado. El trefilado se aplica a los redondos procedentes de la laminación de metales como los aceros dulces, los aceros duros, el cobre, el bronce y el aluminio y sus aleaciones, con diámetros que oscilan entre 5 mm y 8 mm. El dispositivo empleado se denomina banco de trefilar. Está provisto de una devanadera, que contiene el rollo de material que se desea trefilar, una hilera, colocada en un soporte y con un dispositivo de lubricación continua, y una bobina de arrastre, cuyo movimiento de rotación provoca el arrastre del material y su arrollamiento posterior. Como en el caso anterior, el redondo es afilado en uno de sus extremos y se le somete a un proceso de decapado, para limpiarlo superficialmente. El movimiento de rotación de la bobina de arrastre provoca la fuerza de tracción necesaria para que el redondo pase a través de la hilera. A diferencia del proceso de estirado, en el trefilado el material va a ir pasando en frío y de
15. La oxidación es una reacción en la cual el elemento que se oxida cede electrones al elemento oxidante. Se trata de un proceso químico. Los metales pueden ser oxidados cuando son atacados por el oxígeno del aire (O2), el cloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hidrógeno (H2), el yodo (I2), los óxidos de azufre (SO2 y SO3) y los de carbono (CO y CO2). Se trata de un proceso que se inicia en la superficie de los metales. Dependiendo de la naturaleza de éstos y de la temperatura, la oxidación puede avanzar hacia el interior de la masa metálica o detenerse en su superficie. La corrosión es la destrucción lenta y progresiva de un material producida por el oxígeno del aire combinado con la humedad. Se trata de un proceso electroquímico. Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de sodio (NaCl), presente en el agua del mar, y el dióxido de azufre (SO2). Dependiendo del tipo de corrosión, puede iniciarse en la superficie (corrosión superficial) o en el interior de la masa metálica (corrosión intergranular) sin que en la superficie se aprecie ninguna anomalía.
16. Los procesos electrolíticos consisten en la descomposición química de una sustancia conductora en estado líquido o fundido, denominada electrólito, cuando es atravesada por una corriente eléctrica continua. Para ello se coloca el electrólito en el interior de un recipiente, llamado cuba electrolítica, y se introducen en ella dos electrodos conectados a una fuente de alimentación de corriente continua. Al cerrar el circuito, los iones electropositivos presentes en la disolución —todos los iones metálicos más el hidrógeno— serán atraídos por el electrodo negativo o cátodo, mientras que los iones electronegativos
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lo serán por el electrodo positivo o ánodo. En consecuencia, el metal que se desea recubrir siempre actuará como cátodo.
Los alambres y los flejes no se fijan en el tambor, sino que se les hace pasar de forma continua por el interior del baño.
En este tipo de procesos, las tensiones no suelen superar los 100 V, pero las intensidades pueden llegar a alcanzar los 15 A/dm 2 de superficie de recubrimiento, si bien las temperaturas no suelen pasar de los 100 °C para evitar la ebullición del electrólito.
— Para la mayoría de los metales, el electrólito es una solución acuosa, excepto para aquellos que reaccionan con el oxígeno del agua. En este caso, se emplea una disolución no acuosa.
Este procedimiento se emplea en diferentes técnicas de protección, tales como la oxidación anódica, la galvanoplastia, la galvanostegia, la electrodeposición, la electroforesis, e indirectamente en la protección catódica. 17. El interior de un envase alimentario metálico: oxidación anódica. Los semáforos y las farolas de alumbrado urbano: galvanizado en caliente (cincado). Las verjas de una vivienda situada a la orilla de la playa: galvanizado en caliente (cincado). El interior de una cisterna destinada a transportar líquidos corrosivos: oxidación anódica. La carrocería de un automóvil: electroforesis, fosfatación y pintado. 18. La electrodeposición es un procedimiento electrolítico que consiste en conectar el objeto al cátodo de la cuba electrolítica, que tiene forma de tambor giratorio, en cuyo interior se encuentra un electrólito, que suele ser una disolución de sales de aluminio, magnesio o titanio. El proceso presenta diferentes modalidades según el tipo, la forma y la reactividad del material base. — Si las piezas son de material no conductor, se han de recubrir previamente con una capa de material conductor. — Cuando las piezas son de pequeño tamaño, como tornillos, clavos y arandelas, se dejan sueltas en el interior del tambor giratorio. En cambio, las de tamaño mayor se fijan a sus paredes.
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Cualquiera que sea la modalidad del proceso, los iones metálicos de las sales son atraídos hacia el cátodo y se depositan sobre el objeto formando una fina película. En el proceso se emplea corriente continua a una tensión aproximada de 100 V. La intensidad puede llegar a alcanzar los 10 000 A, lo que determina un calentamiento de la cuba y la necesidad de su refrigeración por diferentes procedimientos. El tambor giratorio que constituye la cuba electrolítica va revestido de diferentes materiales, como caucho, plástico o material cerámico. — Los revestidos de caucho o plástico protegen mejor las piezas, pero no soportan altas temperaturas. — Los revestidos de material cerámico resisten mejor el calor, pero son más frágiles.
19. Cuando dos metales están en contacto, se establece una pila galvánica en la que el que tiene el potencial inferior actúa como ánodo de sacrificio y se oxida. El plomo y el estaño tienen un potencial de oxidación superior al del hierro. Si se utilizan como elementos de protección, sería el hierro el que se oxidaría antes, por lo que no se conseguiría la protección deseada. Por el contrario, el cinc tiene un potencial de oxidación inferior al del hierro, lo que lo hace especialmente indicado para actuar como ánodo de sacrificio en los procesos de corrosión. Así, mientras exista cinc en la aleación superficial que se forma durante los procesos de galvanizado en caliente, el hierro permanecerá intacto y será este elemento el que se oxide.
2. Ensayos mecánicos sobre materiales 2. Datos: a 11,7
Actividades de aplicación (pág. 59) 1. La dureza del cuarzo en la escala de Mohs es 7 y la del topacio, 8. Un material capaz de rayar al cuarzo, pero que es rayado por el topacio, tendrá una dureza de 7,5.
Aplicamos la ecuación de la dureza Martens y resulta: 10 000 10 000 M ———— ⇒ M ———— 73,05 73 2 a a2 La dureza Martens del acero dulce es 73.
3. Datos: P 3 000 kg D 10 mm d 5,88 mm Aplicamos la ecuación que da la dureza Brinell y resulta: 2P 2 3 000 kg H B ————————— —————————————————————— 99,97 100 D (D √ D 2 d 2 ) 3,14 10 mm (10 mm √ (10 mm)2 (5,88 mm)2) La dureza Brinell del bronce es 100. 4. Datos: H V 630 kg/mm2 P 50 kg
caer desde una altura determinada. Este método se emplea cuando no se desea que quede impresa la huella.
A partir de la expresión que da la dureza Vickers en función de la carga y la longitud de las diagonales de la huella, podemos obtener dicha longitud:
P H V 1,844 — ⇒ I I2
l
√
√
1,844 P ———— HV
1,844 50 kg ——————— 0,3825 mm 630 kg/mm2
Las diagonales de la huella miden 0,3825 mm. 5. Datos: HP 150 SP 0,28 mm S 0,21 mm
Los aparatos mas empleados son el esclerómetro de Shore y el duroscopio. — El esclerómetro de Shore consta de un tubo de vidrio en cuyo interior puede deslizarse el martillo sin rozamiento. La escala de dureza Shore se divide en 130 divisiones y, en ella, el grado 100 corresponde al acero templado. — El duroscopio es una variante del esclerómetro en el que el golpe se efectúa de forma pendular. La escala se divide en grados en vez de unidades de longitud.
Sustituimos los datos en la expresión que da la dureza por el método de impacto y obtenemos ésta:
La ventaja de este método reside en que pueden aplicarse a todo tipo de materiales, ya que es capaz de medir tanto las deformaciones elásticas como las permanentes.
0,28 mm SP H —— HP ⇒ H ————— 150 200 S 0,21 mm
Basta pensar que, por los métodos de huella, el caucho daría una dureza infinita.
La dureza del material resulta ser 200. 6. El método de Shore consiste en medir la dureza de un material en función de la altura que alcanza en el rebote un martillo que se deja
7. Datos: D 20 mm P 2 000 kg I 0 5 m 5 000 mm l 2 mm
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Calculamos primero la sección S 0 de la barra: 3,14 (20 mm)2 D2 S 0 —— ⇒ S 0 ———————— 4 HV 2 314 mm Con este dato, calculamos la tensión unitaria :
A partir de la expresión de la tensión unitaria de compresión, despejamos y calculamos el valor de la tensión aplicada P:
P 2 000 kg
—— ⇒ ————— 6,369 kg/mm2 S0 314 mm2
P
—— ⇒ P S 0 S0
Determinamos también el incremento unitario de longitud A:
N P 6 107 —— 0,04 m2 2,4 106 N m2
l 2 mm A —— ⇒ A ————— 0,0004 l0 5 000 mm
Recordando la relación entre N y kg, resulta:
Conocidos y , podemos calcular el módulo de elasticidad E:
6,369 kg/mm2 E — ⇒ E ——————— A 0,0004 15 923,5 kg/mm2 El módulo de elasticidad de la barra resulta ser de 15 923,5 kg/mm2. 8. Tensión unitaria es el esfuerzo que soporta el material por unidad de sección. Se representa por y viene dada por la expresión: P
—— S0
1 kg 2,4 106 N ——— 244 898 kg 9,8 N La columna puede soportar una carga máxima de 244 898 kg. 10. Datos: P 175 kg D 2 mm Calculamos primero la sección S 0 del clavo: 3,14 (2 mm)2 D2 S 0 —— ⇒ S 0 ——————— 4 4 3,14 mm2 Con este dato, calculamos la tensión de rotura: P 175 kg —— ⇒ ————— 55,73 kg/mm2 S0 3,14 mm2
donde P es el esfuerzo, o tensión aplicada, y S 0 es la sección inicial de la probeta.
La tensión de rotura del clavo es 55,73 kg/mm2.
Alargamiento unitario es el cociente entre el alargamiento provocado por la tensión aplicada y la longitud inicial de la probeta. Se representa por A y viene dado por la expresión:
11. Resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura.
l A —— l0 donde l es el alargamiento total producido por la tensión y l 0, la longitud inicial de la probeta. Límite elástico es el esfuerzo que, aplicado a una probeta durante 10 segundos, produce en ella una deformación permanente superior al 0,2 % de la longitud inicial. Estricción es la disminución de sección que se produce en el centro de una probeta sometida a esfuerzos de tracción cuando éstos superan el valor del límite elástico convencional.
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9. Datos: s 60 MN/m2 6 107 N/m2 S 20 20 cm 400 cm2 0,04 m2
El péndulo de Charpy es un dispositivo mecánico mediante el cual se lanza un martillo desde una altura determinada sobre una probeta de material. Cuando el martillo impacta sobre la probeta, la rompe y continúa ascendiendo. La diferencia entre la energía que poseía el martillo antes del choque (que es función de la altura desde la que se lanza) y la que posee después del choque (que depende de la altura que alcanza tras la rotura) es igual a la energía absorbida por la probeta en el impacto:
P (H h) P l (cos cos )
donde P es el peso del martillo, l es la longitud del péndulo, y y son, respectivamente, los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después del choque. La resiliencia se obtiene dividiendo por la sección S de la probeta. 12. (La respuesta puede variar según los componentes enumerados por el alumno o la alumna. En todo caso, ofrecemos un modelo de respuesta.) Cigüeñal. Está sometido a esfuerzos de empuje procedentes de las bielas. Estos esfuerzos se producen en diferentes puntos y en distintos momentos del proceso. Amortiguadores. Están sometidos a esfuerzos de compresión variables dependiendo de las irregularidades del terreno. Discos de freno. Están sometidos a fuerzas de rozamiento variables en intensidad y tiempo, dependiendo de la fuerza y la frecuencia con se que oprima el pedal del freno. Bloque motor. Está sometido a incrementos y disminuciones de temperatura, variables en intensidad y tiempo, que provocan dilataciones y contracciones del metal. Broca de una taladradora. Está sometida a esfuerzos de compresión variables (dependiendo de la dureza del material que se taladra) y de flexión o pandeo (dependiendo del modo de uso). 13. Los ensayos de forja más empleados son el platinado, el recalcado, el mandrilado y los ensayos de soldadura. — El platinado permite determinar el grado de forjabilidad de un material. — El recalcado se realiza para determinar la calidad de los materiales empleados para la fabricación de remaches. — El mandrilado mide la capacidad de perforación de un material. — Los ensayos de soldadura permiten comprobar la resistencia de una soldadura.
14. Para efectuar un ensayo eléctrico sobre un material conductor se procede del modo siguiente: — Se unen dos contactos o escobillas A y B a una batería de baja tensión y se cierra el circuito eléctrico a través del metal objeto de análisis. De este modo se establece un campo eléctrico uniforme. — Entre la escobillas anteriores se intercalan otras dos, C y D, a distancia constante, se unen a un microvoltímetro y se van desplazando a lo largo del material. Mientras no existan irregularidades, el microvoltímetro no detectará ninguna variación de tensión. Pero si surge alguna variación de continuidad (grietas, oquedades o rechupes), el voltímetro detectará una variación de tensión al cambiar la resistencia del material entre ambos contactos. Este tipo de ensayos se basa en la variación de resistencia que se produce en un material conductor cuando contiene alguna impureza. Como es sabido, la resistencia de un material es directamente proporcional a su coeficiente de resistividad y a su longitud, e inversamente proporcional a su sección. En consecuencia, cualquier variación de longitud o de sección debido a alguna perturbación de continuidad (grietas, poros, impurezas) se manifestará con una variación de su resistencia. 15. Vías del ferrocarril: ensayo eléctrico. Cigüeñal de un automóvil: ensayo macroscópico. Vigas y columnas de una estructura metálica: ensayo ultrasónico. Columna de hormigón: ensayo ultrasónico. 16. Los rayos X no necesitan utilizar isótopos radiactivos, resultan adecuados para espesores pequeños. Las radiografías presentan mayor contraste que las gammagrafías y, por último, el tiempo de exposición es menor.
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3. Reciclaje de materiales. Importancia económica Actividades de aplicación (pág. 85) 1. (La contestación puede variar de unos alumnos a otros. No obstante, se ofrece un modelo de respuesta.) — Aceite de motor: residuo industrial. — Alambre, cable eléctrico: residuos de construcción y demoliciones. — Arena, grava y áridos: residuos de construcción y demoliciones. — Botellas de vidrio: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico. — Cascotes: residuos de construcción y demoliciones. — Colchón de poliuretano: residuo doméstico voluminoso.
— Puertas y ventanas de derribo: residuos de construcción y demoliciones. — Recortes de chapa de madera: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico. — Recortes de escayola: residuos de construcción y demoliciones. — Recortes de textil y cuero: residuo industrial. — Restos de alimentos cocinados: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico. — Restos de alimentos frescos: residuo comercial.
— Disolventes y pinturas: residuo industrial.
— Ropa usada: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico.
— Electrodoméstico inservible: residuo doméstico voluminoso.
— Sanitarios usados: residuos de construcción y demoliciones.
— Embalajes de cartón: residuo comercial.
— Tóner de impresoras y fotocopiadoras: residuo industrial.
— Envases de plástico de productos de limpieza: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico.
— Tuberías de plomo: residuos de construcción y demoliciones.
— Fragmentos de cajas de madera procedente de embalajes: residuo comercial. — Isótopos radiactivos procedentes de aparatos terapéuticos: residuo sanitario. — Ladrillos: residuos de construcción y demoliciones. — Latas de refrescos vacías: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico. — Libretas usadas: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico. — Líquidos orgánicos humanos y heces fecales: residuos sanitarios. — Medicamentos caducados: residuo sanitario.
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— Pilas usadas: residuo domiciliario procedente del consumo doméstico.
— Tuberías de PVC: residuos de construcción y demoliciones. — Vendas, gasas, algodón: residuo sanitario. 2. Datos: m 100 t 100 000 kg PC 1 200 kcal/kg 70 % 0,7 Coste: 0,079 €/kWh Calculamos primero el poder calorífico teórico total de los RSU: kcal PC total 100 000 kg 1 200 —— kg 1,2 108 kcal
— Muebles viejos: residuo doméstico voluminoso.
Conocido el rendimiento de la instalación y la equivalencia kWh/kcal, calculamos los kWh que pueden producirse:
— Piezas de desguace de automóviles: residuo industrial.
1 kWh 1,2 108 kcal ———— 0,7 97 222 kWh 864 kcal
Sabiendo el precio del kWh, podemos valorar el ahorro energético: euros 97 222 kWh 0,079 ——— 7 680,54 euros kWh La incineración de los residuos puede aportar hasta 97 222 kWh, que supondrían un ahorro energético de 7 680,54 euros. 3. El compost es un producto que se obtiene a partir de la descomposición microbiológica aerobia de residuos orgánicos de distinta procedencia, en condiciones de temperatura, humedad y aireación controladas. El proceso de obtención tiene dos fases bien diferenciadas: la fase de compostaje y la fase de maduración o estabilización. — En la fase de compostaje, la actividad de los microorganismos es muy intensa, ya que tienen a su alcance gran cantidad de compuestos fácilmente biodegradables. Predomina la mineralización de la fracción orgánica. — En la fase de maduración o estabilización, la actividad de los microorganismos decrece ya que la reserva de material biodegradable está agotada. Predomina la polimerización y la condensación de compuestos, dando lugar a un producto similar al humus. La obtención industrial de compost puede llevarse a cabo en sistemas abiertos o cerrados. — Los sistemas abiertos son los más frecuentes por razones económicas. En ellos, los residuos, después de homogeneizarse, se extienden al aire libre en montones de tamaño variable. La aireación necesaria (para garantizar que el proceso se desarrolle en condiciones aerobias) se lleva a cabo mediante volteo periódico o por medio de una red de tuberías perforadas distribuidas por todo el terreno a través de las cuales se inyecta aire o se aspiran los gases resultantes. En algunas ocasiones, se combinan ambos procedimientos de aireación. — Los sistemas cerrados emplean reactores en cuyo interior se establecen las condiciones aerobias de modo continuo. Estos sistemas aceleran el proceso, requieren menos
espacio de instalación y evitan el impacto medioambiental de los malos olores, pero resultan más costosos. El compost de RSU se emplea fundamentalmente en la agricultura con dos finalidades básicas: como enmienda orgánica y como sustrato hortícola. — Empleado como enmienda orgánica, permite mejorar las características físicas, químicas, biológicas y mecánicas del suelo al que se aplica, ya que aporta gran cantidad de materia orgánica y de elementos fertilizantes. De este modo, al aumentar la fertilidad de los suelos, se estimula el crecimiento de las plantas y se incrementa la productividad. — Su uso como sustrato hortícola permite el cultivo de plantas ornamentales en maceta, sin necesidad de utilizar suelo natural para la implantación del sistema radicular de los vegetales. Sin embargo, existe una serie de factores que pueden limitar el aprovechamiento agrícola del compost. Entre ellos, cabe señalar: — La presencia de materiales inertes (metales, vidrio, etc.), que disminuye el poder fertilizante del compost y perjudica el uso de aperos de labranza. — La emisión de malos olores, como consecuencia de una incorrecta aireación durante el proceso de compostaje. — La salinidad elevada, consecuencia de la presencia de sales minerales en gran cantidad. Este inconveniente puede eliminarse procediendo a un lavado sistemático del compost antes de su utilización. — La presencia de contaminantes orgánicos de carácter tóxico, lo que exige la realización de un test de fitotoxicidad antes de utilizar el compost. — La presencia de metales pesados (plomo, mercurio, etc.) que puede llegar a impedir el uso agrícola del compost, por su incidencia sobre la cadena alimentaria y las dificultades de recuperación de suelos contaminados. — La inmadurez del compost, que puede provocar una inmovilización del nitrógeno del suelo, una baja concentración de oxígeno en la zona radicular y, en consecuen-
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cia, una inhibición o reducción del crecimiento vegetal. 4. Las aguas residuales procedentes de una industria papelera han de ser tratadas por medio de plantas depuradoras con el fin de eliminar los productos químicos empleados en el proceso de fabricación del papel. Una vez descontaminadas, pueden devolverse al entorno (ríos, lagos), utilizarse para fines no potables (riego, lavado de instalaciones, etc.) o reutilizarse en la propia industria. Los humos procedentes de una central térmica han de someterse a un riguroso filtrado para eliminar las partículas sólidas (hollín) que contienen y a un proceso de lavado para disolver los contaminantes gaseosos (óxidos de nitrógeno y de azufre) causantes de la lluvia ácida. Después, pueden ser emitidos a la atmósfera. Los residuos radiactivos procedentes de la unidad de cobaltoterapia de un hospital han de ser introducidos en contenedores herméticos especiales y, posteriormente, enterrados en cementerios de residuos radiactivos hasta que resulten inertes. 5. El carbono es uno de los componentes básicos de los seres vivos, tanto animales como vegetales. Todos los compuestos biológicos contienen carbono.
Por este motivo, aunque la cantidad de carbono permanece invariable, su utilización en los combustibles fósiles depende del proceso de carbonización. Por eso se consideran no renovables, ya que las masas vegetales actuales sólo se podrán convertir en carbón o en petróleo dentro de un período de tiempo extraordinariamente largo, que resulta mucho mayor que el ritmo actual de consumo de combustibles. 6. Los convertidores LD presentan dos ventajas fundamentales en relación con el horno de Siemens-Martin: — Los aceros obtenidos son de gran pureza. — El proceso transcurre con bajo consumo energético. Los hornos eléctricos también presentan dos ventajas: — Se alcanzan temperaturas muy elevadas, que permiten fundir materiales como el volframio, el molibdeno, el níquel, el cromo, el vanadio, el manganeso y el titanio. — Permiten obtener aceros especiales. Sin embargo, el elevado consumo energético obliga a reducir su utilización a los procesos de afino.
— En los procesos de respiración, los seres vivos emiten dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Este compuesto es posteriormente utilizado por los vegetales superiores, en la fotosíntesis, para producir materia orgánica.
7. Las ventajas de la fabricación y la utilización del papel reciclado son las siguientes:
— El carbono presente en los compuestos orgánicos fertiliza la tierra y pasa de nuevo a formar parte de la estructura de los seres vivos cuando estos compuestos son absorbidos por las raíces de las plantas.
— Disminución del consumo de madera, lo que favorece el desarrollo de las masas forestales, con todos los beneficios que ello acarrea, y reduce los costes de talado, transporte y manipulación.
Por otra parte, cuando grandes masas de vegetales y de restos de animales quedan enterradas, pueden experimentar un proceso de carbonización que da origen a las diferentes variedades de carbones y al petróleo, es decir, los denominados combustibles fósiles. Este proceso puede durar miles y hasta millones de años.
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— La combustión de estos combustibles desprende dióxido de carbono (CO2), que es lanzado a la atmósfera, de donde las plantas lo toman para fijarlo de nuevo en su estructura, con lo que se cierra el ciclo.
— Disminución de consumo energético primario, cuyo ahorro puede llegar al 62,5 %. — Reducción del 86 % en el consumo de agua. — Reducción del 92 % en los niveles de contaminación del agua, de la atmósfera y del suelo ya que, en la fabricación de papel reciclado, los productos químicos empleados para regular la alcalinidad son biodegrada-
bles, por lo que disminuyen la contaminación química. — Reducción de masa de RSU en los vertederos. En los países de nivel económico alto, esta reducción alcanza hasta el 30 %. Los principales inconvenientes son los siguientes: — La menor calidad del papel reciclado frente al nuevo. Esto podría evitarse sometiendo el papel reciclado a procesos de depuración, blanqueado y satinado. — La utilización de algunos agentes contaminantes para el blanqueo, como el sulfito de sodio (Na2SO3), lo que exige someter las aguas residuales a procesos de depuración antes de devolverlas al entorno. — El coste final del producto, todavía superior al del papel nuevo. Puede disminuirse investigando y mejorando los procesos tecnológicos para abaratar costes, aumentando el consumo de papel reciclado, lo que incidiría en una disminución de su precio, o subvencionando la fabricación de papel reciclado desde los poderes públicos. 8. Los principales inconvenientes del depósito de plásticos no reciclados en los vertederos son: — Se trata de materiales inertes no biodegradables, por lo que permanecen en el mismo estado aunque haya pasado mucho tiempo. — Su escasa densidad hace que el viento los esparza por toda la zona, con el consiguiente impacto visual negativo. — Su impermeabilidad puede llegar a impedir la fermentación aerobia de los residuos orgánicos. — Su inflamabilidad y su elevado poder calorífico los hace potencialmente peligrosos en caso de incendio o de combustión espontánea de los residuos depositados en el vertedero. 9. Los plásticos termoestables se obtienen por policondensación y están constituidos por macromoléculas orientadas en todas direcciones. Si se les somete a calor, se produce en ellos una modificación fisicoquímica que les endure-
ce definitivamente. De este modo, pueden someterse a operaciones de mecanizado como taladrado, aserrado, limado... Una vez endurecidos no pueden volver a fundirse porque sus características fisicoquímicas sufren importantes modificaciones y se degradan. Son termoestables la baquelita, la melamina, las resinas fenólicas, las siliconas, etc. Con ellos se fabrican interruptores, portalámparas, clavijas, cubiertos, platos, vasos, revestimiento de muebles de cocina, juguetes, mangos de utensilios de cocina, carcasas de teléfonos, cubiertas de edificios, cascos de embarcaciones, depósitos, gomaespuma, etc. Algunos de ellos se emplean como componentes de colas, barnices, esmaltes y pegamentos. Los plásticos termoplásticos se obtienen por polimerización directa y están constituidos por moléculas de cadenas paralelas con algunos enlaces entre ellas. Se caracterizan porque se reblandecen cuando son calentados y se endurecen cuando se enfrían. Este proceso puede repetirse de forma indefinida porque el calor no provoca en ellos ninguna transformación química, sino sólo un cambio físico. Son ejemplos de termoplásticos el PVC (cloruro de polivinilo), el polietileno, el poliestireno, el polipropileno, el polimetacrilato de metilo o plexiglás y las poliamidas como el nailon. Con ellos se fabrican tuberías, válvulas, mangueras, prendas impermeables, botas, regletas eléctricas, mangos de herramientas, piezas transparentes sustitutivas del vidrio, cojinetes, engranajes, correas de transmisión, tejidos, cordajes, etc. 10. (La respuesta deberá incluir uno sólo de los tratamientos. No obstante, se ofrecen todos.) En el tratamiento hidrociclónico, se separan primero los envases de polietileno y el resto se tritura. Las partículas trituradas se someten a un sistema de remolinos ascendentes y descendentes que, en una o dos pasadas, clasifica los plásticos y la celulosa con una pureza del 97 %. Este tratamiento presenta altos rendimientos, requiere un espacio mínimo y poca mano de obra y los materiales para construcción de los hidrociclones son de tecnología común.
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La tecnología láser aplicada a los plásticos permite observar las características espectroscópicas de su composición y, a partir de ellas, los clasifica. Este proceso, actualmente en fase experimental, pretende conseguir la selección automática. La separación electrostática aprovecha la diferente conductividad eléctrica de cada tipo de plástico. Para ello, se cargan eléctricamente mediante sofisticados procedimientos de fricción y se someten a la acción de un campo eléctrico de alto voltaje que produce la separación de las partículas. 11. Datos: m 1 t 1 000 kg PC 8 000 kcal/kg Para resolver este problema, supondremos que el rendimiento del proceso es del cien por cien. Multiplicamos la masa por el poder calorífico unitario y obtenemos la energía desprendida en kcal. kcal E m PC 1 000 kg 8 000 —— kg 8 000 000 kcal Recordando la relación entre kcal y kJ: 1 kJ 8 000 000 kcal ————— 33 333 333 kJ 0,24 kcal Se obtendrán 8 000 000 kcal, que son equivalentes a 33 333 333 kJ. 12. El vidrio es un material que se obtiene mediante fusión de diferentes componentes, como la arena, la caliza, la sosa y otros componentes. — La arena o sílice es dióxido de silicio, SiO2, y se encarga de dar resistencia mecánica al vidrio. Su principal inconveniente es su elevado punto de fusión: 1 723 °C. — La caliza es carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como componente estabilizador. — La sosa es carbonato de sodio, Na2CO3. Actúa como fundente y permite rebajar la temperatura de fusión hasta 852 °C. — Los otros componentes se añaden en función del tipo de vidrio que se desea ob-
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tener. Podemos citar diversos óxidos —de sodio, de potasio y de plomo—, bórax, colorantes y también vidrio triturado para recuperar. 13. (La respuesta dependerá del punto de vista de los alumnos. No obstante, se ofrece un modelo.) Los envases no retornables presentan algunas ventajas frente a los retornables: — Evitan a las empresas tener que disponer de una planta de higienización, ya que en ningún caso se reutilizan como envases originales. — Permiten reducir el coste energético de la producción de vidrio, ya que pueden ser utilizados como calcín. Sin embargo, no hay que olvidar los inconvenientes, que también los hay: — El coste de un envase no retornable es superior al coste de higienización de uno retornable. — Los envases no retornables que no se reciclan contribuyen a incrementar el volumen de RSU, con el agravante de que se trata de materiales inertes que dificultan el compostaje. 14. El proceso de reciclaje del vidrio pasa por cuatro fases: recogida selectiva, transporte, tratamiento previo y obtención del vidrio. — En la fase de recogida selectiva los envases son recogidos en contenedores distribuidos al efecto por las ciudades. La eficiencia de este sistema de recogida depende del nivel de concienciación ciudadana, ya que son los usuarios quienes han de separar el vidrio del resto de RSU. — La fase de transporte se produce cuando los contenedores se encuentran llenos. Unos vehículos provistos de grúas especiales retiran los envases de los contenedores y los transportan hasta las plantas de tratamiento. — El tratamiento previo se lleva a cabo en la planta. Los envases se limpian, se trituran y se retiran los cuerpos extraños que puedan acompañarlos (fundamentalmente ta-
pones metálicos). Éstos últimos se recuperan por medio de electroimanes. — La obtención del vidrio también se lleva a cabo en la planta. Se mezclan las materias primas (sílice, caliza y sosa) con el vidrio triturado y limpio, que recibe el nombre de calcín. Posteriormente se introduce la mezcla en el crisol para fundirla y obtener el vidrio nuevo. 15. Datos: m vidrio 18 765 762 kg 18 765,762 t Para resolver este problema hemos de tener en cuenta que por cada tonelada de vidrio usado que se recicla, se ahorran 1,2 toneladas de materias primas y 0,13 TEP. Así, multiplicando la masa de vidrio recogida por los parámetros anteriores, obtenemos el ahorro en materia prima y en combustible. 1,2 t materias primas 18 765,762 t vidrio PC ————————— 1 t vidrio 22 518,914 t 22 518 914 kg 0,13 TEP 18 765,762 t vidrio ————— 2 439,55 TEP 1 t vidrio El tratamiento del vidrio usado permitió un ahorro de 22518 914 kg de materias primas y de 2 439,55 TEP (toneladas equivalentes de petróleo). 16. Los inconvenientes medioambientales del depósito de neumáticos en vertederos son el riesgo de incendio y los problemas de salubridad. Por otra parte, los neumáticos no pueden someterse a los mismos procesos de compactación que el resto de RSU por dos motivos fundamentales: — Su proceso de descomposición biológica es tan lento que, en la práctica, pueden considerarse residuos no biodegradables. — Poseen una elevada elasticidad que impide su compactación. 17. (La respuesta deberá incluir una sola de las alternativas. No obstante, se ofrecen todas.) El recauchutado es una forma de reciclaje muy empleada en los neumáticos de gran
tamaño, como los de camiones y tractores. Consiste en sustituir la banda de rodadura gastada por otra nueva, con lo que se puede prolongar la duración del resto del neumático durante un tiempo similar al de un neumático nuevo. Su principal inconveniente es que el volumen de neumáticos que puede recauchutarse es limitado y, además, el resto del neumático ha de estar en buenas condiciones. La pirólisis consiste en convertir el caucho en hidrocarburos ligeros mediante un proceso térmico. De este modo se obtienen productos similares a los de la destilación del petróleo: alquitranes, aceites, gases combustibles, etc. Para llevar a cabo estos procesos se emplean hornos de inducción y hornos microondas, aprovechando la componente metálica que llevan inmersa los neumáticos. El rendimiento es muy elevado en ambos casos. Su inconveniente radica en el coste de producción, que encarece los productos obtenidos. Los neumáticos de desecho pueden ser empleados como combustibles para la obtención de energía térmica en ciertos hornos, como los de cemento, ya que la potencia calorífica oscila entre las 6 500 y las 7 000 kcal/kg. Sin embargo, hay que tener en cuenta el tratamiento de los humos por su elevada contaminación. También pueden emplearse para la producción de energía eléctrica. Considerando el rendimiento normal de las centrales térmicas (30-35 %), pueden obtenerse de 2 a 3 kWh por kg de neumático. En Gran Bretaña existe una de estas instalaciones que recupera 15 000 toneladas anuales de neumáticos usados en una central de 20 MW de potencia. Los inconvenientes son los mismos que en el apartado anterior. Aunque en pequeñas cantidades, los neumáticos usados pueden ser reutilizados en puertos y embarcaciones como elementos de protección por su elasticidad, evitando golpes en las maniobras de atraque. El inconveniente es la escasa cantidad de neumáticos que pueden dedicarse a este fin. La obtención de productos de caucho moldeado consiste en añadir ciertas proporciones de caucho al caucho virgen. Para ello han de molerse previamente los neumáticos y separar los alambres de acero. El producto obte-
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nido se emplea en la fabricación de losetas para suelos, cintas transportadoras, arandelas, etc. Como en otros casos, sólo una parte de los neumáticos puede ser destinada a esta finalidad. Los neumáticos también pueden emplearse en metalurgia para recuperar el acero de su estructura. Para ello, los neumáticos se muelen previamente y, a continuación, se recupera el acero por medio de electroimanes. Los fragmentos obtenidos se emplean como chatarra y su recuperación se lleva a cabo en hornos eléctricos, como ya se ha indicado. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, aunque el alambre es de una gran proporción de hierro con baja proporción de residuos, suele llevar ciertos contaminantes debido al caucho al que estaba adherido y que deben ser eliminados, como el azufre para el vulcanizado, el carbono, que se añade para proteger el neumático de los rayos solares, y el arsénico, que facilita la ligazón entre el acero y el caucho. 18. Datos: E 1 000 kWh 50 % 0,5 PC 7 000 kcal/kg Conociendo la relación entre kWh y kcal, expresamos la energía producida en kcal: 864 kcal 1 000 kWh ———— 864 000 kcal 1 kWh A partir de la expresión de la energía producida, despejamos m. E E m PC ⇒ m ———— PC 864 000 kcal m ————————— 246,8 kg kcal 7 000 —— 0,5 kg La central puede reciclar 246,8 kg diarios de neumáticos. 19. Los agentes contaminantes que pueden estar presentes en el aire que respiramos se clasifican en dos categorías: contaminantes gaseosos y partículas en suspensión. Los contaminantes gaseosos son gases y vapores que disminuyen el contenido de oxígeno. Pueden permanecer en la atmósfera largos períodos de tiempo y pueden desplazarse
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a grandes distancias. En este grupo están los óxidos de carbono (CO, y CO2), los de nitrógeno (NO y NO2) y los de azufre (SO2 y SO3). Las partículas en suspensión pueden ser sólidas o líquidas. — Las sólidas se manifiestan en forma de polvo y de humos. El polvo procede de las disgregaciones mecánicas en minas, canteras, fábricas de cemento, industrias cerámicas, químicas y de abonos. Los humos son partículas sólidas formadas por condensación. — Las líquidas son finísimas gotas en suspensión procedentes de la condensación de gases y vapores o de la reacción de éstos con el vapor de agua atmosférico. Las vías de entrada de estos contaminantes pueden ser diversas: respiratoria, dérmica y digestiva. — La vía respiratoria incluye la boca, la nariz, la faringe, la laringe, la tráquea, los bronquios y los pulmones. Es la vía natural de entrada de los contaminantes atmosféricos. — La vía dérmica comprende toda la superficie epidérmica que envuelve el cuerpo humano. El contacto de la piel con los contaminantes produce urticarias, inflamaciones y otras alteraciones. En ocasiones, se especifica la vía mucosa, constituida por las partes húmedas del organismo, como la conjuntiva del ojo, y la vía parenteral, es decir, las discontinuidades de la piel (heridas, pinchazos, etc.). — La vía digestiva está formada por el sistema digestivo: boca, faringe, esófago, estómago e intestinos. Éstos pueden verse afectados como consecuencia de la ingestión de productos contaminados. 20. El calor seco es aquel que se manifiesta con un bajo nivel de humedad relativa (inferior al 50 %). Este calor, aunque molesto, facilita la evaporación del sudor y es fácilmente combatible. En cambio, el calor húmedo es aquel que se manifiesta con elevado nivel de húmeda relativa (superior al 50 %). Cuando más alta es la humedad, mayor es la dificultad para la evaporación del sudor. En estas condiciones, si la temperatura es muy elevada puede llegar a aparecer el golpe de calor, alteración que se
produce porque el organismo es incapaz de evacuar el exceso de calor como consecuencia de la humedad elevada. Para reducir su impacto, los lugares pueden disponer de sistemas de acondicionamiento del aire que disminuyan la temperatura ambiente o, al menos, reduzcan el contenido en humedad. Si esto no es posible, conviene alternar la estancia en estos lugares con períodos de descanso en lugares más frescos o con menor humedad, con el fin de que el organismo pueda recuperarse. 21. Entre las actividades industriales que superan los 80 dB pueden citarse los talleres metalmecánicos, en los que existen máquinas herramientas, las industrias cerámicas, en la zona de prensas, las siderurgias, las cadenas de montaje de automóviles, las plantas de motores, las obras públicas subterráneas (túneles), la industria aeroespacial... En estos casos, la normativa de seguridad española e internacional obliga a la protección de los oídos mediante cascos o tapones. Entre las actividades cotidianas que también superan los 80 dB, destacan el tráfico ruidoso, el metro, las discotecas, los ciclomotores a escape libre y los fuegos artificiales. La forma más adecuada de protección es evitar los lugares en los que se produzca ruido excesivo (discotecas) y reducir el que emitimos nosotros mismos (motocicletas, música estridente, etc.). 22. Las principales aplicaciones pacíficas de la radiactividad son las siguientes: — En la investigación química se utilizan 23.
para la obtención de polímeros desconocidos para la química clásica. — En medicina se usan para la destrucción selectiva de células cancerígenas o malignas (cobaltoterapia) y para la visualización del interior de los seres vivos (rayos X). — En agricultura tienen multitud de aplicaciones: permiten el seguimiento del metabolismo de las plantas y pueden aprovecharse para provocar mutaciones y obtener variedades de nuevos vegetales más resistentes a las plagas. — En la industria energética se aprovecha el calor generado por las reacciones en cadena para la obtención de energía eléctrica en las centrales nucleares. — En la industria alimentaria son útiles para esterilizar alimentos y envases. — En metalurgia, el empleo de radiografías permite estudiar el reparto de los componentes de las aleaciones y la calidad de los metales. — En arqueología se aprovecha la desintegración del carbono 14 para datar restos de materiales de antiguas culturas. Los principales inconvenientes son dos: — La dosis de irradiación a que están sometidas las personas que trabajan en estos campos, que puede llegar a superar el máximo permitido por la normativa internacional (5 sievert/año). — El desecho y la acumulación de residuos radiactivos procedentes de diversas actividades, cuyo control puede garantizarse durante un cierto período de tiempo, pero desconocemos sus consecuencias a largo plazo.
Neumoconiosis de origen mineral Silicosis
Asbestosis
Producida por el pol- Producida por el vo de sílice. Produce polvo de asbesto trastornos respirato- y de amianto. rios graves.
Antracosis
Siderosis
Calicosis
Producida por el polvo de carbón. Produce insuficiencia respiratoria.
Producida por el polvo de mineral de hierro. Puede provocar hemorragias pulmonares.
Producida por el polvo de piedra caliza. Es la menos perjudicial.
Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispositivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.
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Neumoconiosis de origen vegetal Bisinosis
Cannabosis
Lisinosis
Tabacosis
Producida por el polvo de algodón.
Producida por el polvo de cáñamo.
Producida por los hilados, los pelos y las plumas.
Producida por el polvo de tabaco.
Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispositivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.
Neumoconiosis de origen animal Alergias respiratorias
Producida por el polvo procedente de la lana, la seda, las plumas, los cueros, etc. Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispositivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.
Intoxicaciones Hidrargirismo
Arsenicismo
Fosforismo
Saturnismo
Producida por el mercurio, sus amalgamas y sus compuestos.
Producida por el arsénico y sus compuestos.
Producida por el fósforo y sus compuestos.
Producida por el plomo y sus compuestos.
Profilaxis: protección con máscaras, guantes y ropas especiales.
Profilaxis: higiene de manos y boca, y baños frecuentes.
Profilaxis: higiene bucal y prevención de la aparición de caries.
Profilaxis: protección con máscaras, guantes y ropas especiales.
Enfermedades infectoparasitarias
Producidas por los gérmenes infecciosos presentes en los RSU. Profilaxis: protección con indumentaria adecuada e higiene rigurosa.
4. Motores térmicos El motor de explosión de cuatro tiempos (pág. 95) 1. Datos: D 81 mm S 79 mm Para calcular la relación carrera-diámetro, dividimos la carrera S entre el diámetro D: S 79 mm — ———— 0,975 D 81 mm
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3,14 (81 mm)2 79 mm V ——————————— 406,88 cc 4 000 La relación carrera-diámetro es 0,975 y la cilindrada, 406,88 cc. 2. Datos: VC 42 cc VD 406,88 cc (del ejercicio anterior)
Para determinar la cilindrada, calculamos el volumen del cilindro entre el PMI y el PMS:
La relación volumétrica de compresión r es el cociente entre el volumen total del cilindro (VC VD) y el volumen de la cámara de compresión (VC).
D 2 S V ————— 4 000
VC VD r ———— ⇒ VC
42 cc 406,88 cc ⇒ r ————————— 10,68 42 cc La relación volumétrica de compresión es 10,68. 3. Conocidos la cilindrada total y el número de cilindros, determinamos la cilindrada unitaria (VD). A partir de este dato y de la relación de compresión r, averiguamos el volumen de la cámara de combustión, VC, según la expresión: VC VD r ———— ⇒ r VC VC VD ⇒ VC ⇒ r VC VC VD ⇒ VC (r 1) VD ⇒ VD ⇒ VC ——— r1 Opel Astra 1.6 16V: VT 1 598 cc r 10,5 Z 4 (cilindros) VT 1 598 cc VD —— ⇒ VD ———— 399,5 cc Z 4 399,5 cc VD VC ——— ⇒ VC ————— 42,05 cc r1 10,5 1 VW Golf 1.6: VT 1 595 cc r 10,2 Z 4 (cilindros) VT 1 595 cc VD —— ⇒ VD ———— 398,75 cc Z 4 VD 398,75 cc VC ——— ⇒ VC ————— 43,34 cc r1 10,2 1 Peugeot 605 V6: VT 2 946 cc r 10,5 Z 6 (cilindros) 2 946 cc VT VD —— ⇒ VD ———— 491 cc Z 6 491 cc VD VC ——— ⇒ VC ————— 51,68 cc r1 10,5 1 Los volúmenes de las cámaras de combustión son, respectivamente, 42,05 cc para el Opel Astra 1.6 16 V; 43,34 cc para el Volkswagen Golf 1.6; y 51,68 cc para el Peugeot 605 V6.
4. Si trazamos una línea vertical que pase por la abscisa 3 500 rpm, obtendremos los puntos de corte con las curvas de par y de potencia. — La ordenada del punto de corte con la curva de par se lee en el eje de la derecha, y resulta ser 225 Nm. — La ordenada del punto de corte con la curva de potencia se lee en el eje de la izquierda y resulta ser 75 CV.
El motor de explosión de dos tiempos (pág. 97) 5. Para calcular el volumen de la cámara de compresión aplicaremos la misma expresión que hemos deducido en el ejercicio 3: VD VC ——— r1 Motor de competición: VD 331 cc r 11,7 VD 331 cc VC ——— ⇒ VC ————— 30,93 cc r1 11,7 1 Motor de paseo: VD 49 cc r 11 49 cc VD VC ——— ⇒ VC ———— 4,9 cc r1 11 1 El volumen de la cámara de compresión del motor de competición es 30,93 cc y el del motor de paseo, 4,9 cc. 6. Datos: S 66 mm D 85 mm r 11,7 mm Calcularemos primero la nueva cilindrada, VD , y, a partir de ella, determinaremos el volumen de la cámara de compresión: D 2 S VD ———— 4 000 3,14 (85 mm2) 66 mm VD ——————————— 374,33 cc 42 cc 374,33 cc VD VC ——— ⇒ VC ————— 35 cc r1 11,7 1 La nueva cilindrada resulta ser 374,33 cc y el volumen de la cámara de compresión, 35 cc.
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El motor Diesel (pág. 99) 7. Diferencias estructurales: • El motor Diesel carece de bujías y, en su lugar, dispone de inyectores de combustible.
VD 467,5 cc VC ——— ⇒ VC ————— 27,02 cc r1 18,3 1
• La cámara de combustión suele estar labrada en la parte superior del pistón.
El volumen de la cámara de combustión del Audi A6 2.5 TDI es de 22,48 cc y el del Renault Laguna RXE 1.9, 27,02 cc.
• Algunos motores Diesel poseen bujías de incandescencia para el calentamiento inicial del combustible. • La relación de compresión de un motor Diesel es notablemente superior a la de un motor MEP. • Existe una precámara de combustión en la que se quema parte del combustible. El resto pasa a la cámara de combustión principal. Diferencias de funcionamiento: • El combustible del motor Diesel ha de ser precalentado antes de ser inyectado en los cilindros. • En la fase de admisión, el cilindro se llena sólo de aire. • El combustible finamente pulverizado se inyecta al final de la fase de compresión. • La autoinflamación del combustible se produce por compresión, sin que medie ningún elemento externo. 8. Para averiguar el volumen de la cámara de combustión, procederemos del mismo modo que en el ejercicio 3, sabiendo que: VD VC ——— r1 Audi A6 2.5 TDI: VT 2 496 cc r 19,5 Z 6 (cilindros) VT 2 496 cc VD —— ⇒ VD ———— 416 cc Z 6 416 cc VD VC ——— ⇒ VC ————— 22,48 cc r1 19,5 1 Renault Laguna: VT 1 870 cc r 18,3 Z 4 (cilindros)
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VT 1 870 cc VD —— ⇒ VD ———— 467,5 cc Z 4
Combustibles (pág. 103) 9. El gasóleo es más estable que la gasolina frente al calor. A temperatura ambiente no se inflama, por lo que en caso de derrame, el peligro de autoinflamación es menor. 10. La tendencia a la detonación viene dada por el número de octano (NO). A mayor octanaje, menor tendencia a la detonación. El combustible menos detonante es la gasolina súper porque tiene el NO más elevado (98).
Actividades de aplicación (pág. 109) 11. Motor es toda máquina que transforma cualquier tipo de energía (química, hidráulica, eléctrica...) en energía mecánica. Atendiendo al elemento que proporciona la energía, los motores se clasifican en tres grandes grupos: los que utilizan la energía de un fluido (líquido o gas), los que utilizan la energía de un sólido y los que utilizan formas especiales de energía. — Entre los que utilizan la energía de un fluido destacan los motores eólicos, los hidráulicos, los de aire comprimido y los térmicos. — Los motores que utilizan la energía de un sólido aprovechan la energía potencial de éste para producir trabajo. Ejemplos característicos son los motores de pesas o de resorte y el volante de inercia. — Dentro del grupo de motores que utilizan una forma especial de energía destacan los motores eléctricos. 12. La potencia aportada (PA ) es la potencia total que se suministra al motor, mientras que la potencia útil (PU ) es la potencia que suministra el motor.
La magnitud que las relaciona se denomina rendimiento () y se define como el cociente entre la potencia útil (PU ) y la potencia aportada (PA ). PU —— PA
Primer principio Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. Esta relación recibe el nombre de equivalente mecánico del calor y es igual a 427 kgm/kcal.
13. El par motor es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y que determina su giro. Podemos distinguir teóricamente entre par de arranque, par de aceleración y par nominal.
Segundo principio Una máquina térmica sólo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un manantial a temperatura superior (más caliente) y lo cede a otro a temperatura inferior (más frío).
— Par de arranque es el par motor necesario para que el motor inicie su giro partiendo del reposo. — Par de aceleración es el par que actúa sobre el motor desde el instante del arranque hasta que alcanza la velocidad normal.
16. En los motores de combustión externa, ésta se lleva a cabo en un espacio exterior al motor propiamente dicho. Por este motivo, pueden utilizar cualquier tipo de combustible.
— Par nominal es el par que actúa sobre el motor una vez que éste ha alcanzado su velocidad normal. 14. Un motor térmico es aquel que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido. 15. El funcionamiento de un motor térmico se lleva a cabo en un proceso o ciclo cerrado en el que tiene lugar lo siguiente: — En un momento determinado de su funcionamiento, el motor recibe una determinada cantidad de calor QA (calor aportado) y, posteriormente, cede o se le sustrae otra cantidad de calor Q C (calor cedido), menor que QA. — Como el calor aportado, QA, es mayor que el cedido o sustraído, Q C, se produce la desaparición de una cierta cantidad de energía térmica que se transforma en trabajo mecánico T. El trabajo obtenido puede calcularse a partir de la expresión:
En cambio, en los de combustión interna, ésta se produce en el interior del motor, por lo que sólo pueden utilizar combustibles volátiles, es decir, que puedan pasar fácilmente a fase vapor. 17.
Válvula de admisión
Bujía Válvula de escape
Cámara de combustión Bloque
Segmentos Pistón Biela
Cigüeñal
Càrter
18. Cilindro: espacio en el que se lleva a cabo la admisión, la compresión, la expansión y el escape de la mezcla combustible.
donde QA y Q C se miden en kcal y T se mide en kgm.
Pistón: pieza que encaja en las paredes del cilindro y que se mueve solidariamente con la biela. Sus movimientos alternativos determinan las distintas fases del funcionamiento del motor.
Este proceso se basa en el primer y el segundo principios de la termodinámica, que pueden enunciarse del modo siguiente:
Bujía: dispositivo eléctrico que produce una chispa en el instante de máxima compresión de la mezcla combustible.
T 427 (QA Q C )
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Cigüeñal: árbol acodado que recibe el impulso de la biela y, posteriormente, le transmite la energía acumulada en el volante de inercia. Biela: pieza rígida solidaria con el pistón y ajustada al cigüeñal. Transforma el movimiento rectilíneo alternativo del pistón en movimiento circular del cigüeñal y viceversa. Válvula de admisión: válvula situada en la parte superior del cilindro por donde le entra la mezcla combustible. Válvula de escape: válvula situada en la parte superior del cilindro por donde salen los gases procedentes de la combustión. Árbol de levas: árbol provisto de piezas excéntricas denominadas levas, cuya función es abrir o cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento oportuno. Correa de distribución: correa dentada de transmisión que permite sincronizar el movimiento de giro del cigüeñal con el del árbol de levas para que las válvulas se abran y se cierren cuando corresponde. 19. Las etapas de funcionamiento de un motor de cuatro tiempos son: admisión, compresión, expansión y escape. — En la fase de admisión, el pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS) arrastrado por el movimiento del cigüeñal. Como consecuencia, se produce una depresión en el interior del cilindro que permite que éste se llene con la mezcla de combustible y aire a través de la válvula de admisión, que permanece abierta. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI) concluye la primera carrera y el cigüeñal ha girado un ángulo de 180°. En este momento, la válvula de admisión se cierra. — En la fase de compresión, el pistón asciende desde el PMI hasta el PMS, arrastrado también por el movimiento del cigüeñal. Las dos válvulas permanecen cerradas y la mezcla se comprime en el interior del cilindro. Cuando el pistón llega al PMS, concluye la segunda carrera y el cigüeñal habrá girado otros 180°. La mezcla de combustible y aire está comprimida al máximo. — En la fase de expansión, salta la chispa procedente de la bujía y la mezcla se infla-
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ma. Las dos válvulas siguen cerradas y el pistón es obligado a desplazarse violentamente hacia el PMI por efecto de la presión ejercida por los productos de la combustión. Los gases se expanden y el movimiento del pistón arrastra el cigüeñal. Cuando el pistón llega al PMI, concluye la tercera carrera y el cigüeñal ha girado de nuevo 180°. En este momento, la válvula de escape se abre. — En la fase de escape, el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS, arrastrado por el movimiento del cigüeñal. La válvula de escape, que permanece abierta, permite la salida de los gases quemados. Al llegar el pistón al PMS, concluye la cuarta carrera, asociada a un nuevo giro del cigüeñal de 180°. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que se está en disposición de iniciar un nuevo ciclo. El trabajo útil se lleva a cabo en la fase de expansión, que es el momento en que el pistón arrastra el cigüeñal y le transmite la energía procedente de la combustión de la mezcla. En todas las demás fases, no hay trabajo útil. 20. Datos: Z 4 (cilindros) D 83 mm S 90 mm Para determinar la cilindrada, calculamos el volumen del cilindro entre el PMI y el PMS: D2S VD ———— 4 000 3,14 (83 mm2) 90 mm VD ——————————— 486,7 cc 4 000 Para calcular la cilindrada total, multiplicamos la cilindrada unitaria por el número de cilindros. VT Z VD ⇒ VT 4 486,7 cc 1 946,8 cc Para calcular la relación carrera-diámetro dividimos la carrera S entre el diámetro D: S 90 mm — ———— 1,08 D 83 mm La cilindrada unitaria es 486,7 cc, la cilindrada total, 1 946,8 cc y la relación carrera-diámetro, 1,08.
21. Datos: r 10,3 VD 486,7 cc (del ejercicio anterior) Para calcular el volumen de la cámara de compresión aplicaremos la misma expresión que hemos deducido en ejercicios anteriores: VD 486,7 cc VC ——— ⇒ VC ————— 52,33 cc r1 1,08 1 El volumen de la cámara de combustión del motor del ejercicio anterior es 52,33 cc. 22. Datos: Z 6 (cilindros) VT 2 946 cc VC 51,68 cc Determinamos primero la cilindrada unitaria, VD. Con este dato y con el volumen de la cámara de combustión, VC, calcularemos r: 2 946 cc VT VD —— ⇒ VD ———— 491 cc Z 6 VD VC r ———— ⇒ VC 491 cc 51,68 cc ⇒ r ———————— 10,5 51,68 cc La relación volumétrica de compresión del motor es de 10,5. 23. Datos: Z 4 (cilindros) VT 1 948 cc r 21,5 cc Determinamos primero la cilindrada unitaria, VD . A partir de este dato y de la relación de compresión r, averiguamos el volumen de la cámara de combustión, VC : VT 1 948 cc VD —— ⇒ VD ———— 487 cc Z 4 VD 487 cc VC ——— ⇒ VC ————— 23,75 cc r1 21,5 1 El volumen de la cámara de combustión resulta ser de 23,75 cc. 24. El par máximo es la ordenada (leída en el eje de la derecha) del máximo de la curva A, que resulta ser 35 kgm.
Para expresarlo en Nm, basta aplicar el factor de conversión adecuado. 9,8 Nm 35 kgm ———— 343 Nm 1 kgm La potencia máxima es la ordenada (leída en el eje de la izquierda) del máximo de la curva B, que resulta ser 285 CV. Los regímenes de giro del par y la potencia máximos son las abscisas de los máximos de cada una de las curvas: 4 800 rpm y 7 000 rpm, respectivamente. La diferencia de regímenes a los que se alcanza el par máximo (4 800 rpm) y la potencia máxima (7 000 rpm) se explica si tenemos en cuenta que el aumento del número de revoluciones puede compensar la disminución del par y permitir que la potencia aumente un poco más. 25. Diferencias estructurales: • El motor de explosión de cuatro tiempos dispone de bujías para la inflamación de la mezcla combustible, mientras que el motor Diesel carece de ellas. • La cámara de combustión de un motor de explosión es el espacio que queda entre el pistón y la parte superior del cilindro, mientras que en el motor Diesel suele estar labrada en la parte superior del pistón. • Algunos motores Diesel poseen bujías de incandescencia para el calentamiento inicial del combustible, mientras que los motores de explosión carecen de ellas. • La relación de compresión de un motor Diesel es notablemente superior a la de un motor de explosión de cuatro tiempos. • En los motores Diesel existe una precámara de combustión en la que se quema parte del combustible, mientras que los motores de explosión carecen de ella. Diferencias de funcionamiento: • El combustible del motor Diesel ha de ser precalentado antes de ser inyectado en los cilindros, mientras que en los motores de explosión no es necesario. • En la fase de admisión, el cilindro de un motor de explosión se llena de mezcla combus-
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tible, mientras que en el motor Diesel se llena sólo de aire, ya que el combustible finamente pulverizado se inyecta al final de la fase de compresión. • La autoinflamación del combustible en un motor Diesel se produce por compresión, sin que medie ningún elemento externo, mientras que en los motores de explosión es necesaria la intervención de la bujía.
28.
Motor de explosión de cuatro tiempos
Transporte por carretera (automóviles y motocicletas de cilindrada superior a 125 cc). Accionamiento de equipos. Motor de explosión de dos tiempos
Pequeños motores para lanchas fueraborda, motocicletas de pequeña cilindrada y auxiliares. Grandes motores marinos de elevada potencia. Motor Diesel
26.
Lumbrera de escape
Lumbrera de admisión
Corona dentada
Transporte por carretera (automóviles, camiones, autocares), maquinaria agrícola y de obras públicas. Propulsión de ferrocarriles. Generación de energía eléctrica. Motor Wankel
Camara de combustión
Vehículos ligeros de turismo, embarcaciones ligeras (motores fueraborda), aparatos de jardinería. Rotor Piñón Bujía
Estátor
27. Analogías: • El principio de funcionamiento es el mismo: el ciclo se divide en cuatro fases (admisión, compresión, expansión y escape). • Ambos motores necesitan el concurso de una bujía para provocar la ignición de la mezcla combustible. Diferencias: • El pistón del motor de explosión de cuatro tiempos efectúa un movimiento rectilíneo alternativo, mientras que el del motor Wankel lleva a cabo un movimiento circular.
29. El poder calorífico de un combustible es la cantidad de calor desprendido por unidad de combustible, cuando la combustión es completa. Su valor varía según que la combustión se lleve a cabo a presión constante o a volumen constante; aunque, en los combustibles más usuales, las diferencias son mínimas, por lo que no merece la pena distinguirlas. El poder calorífico se mide en energía por unikJ dad de masa —— o en energía por unidad kg kJ kJ de volumen —— , —— . 3 dm m3
Por ejemplo: — Gasolina:
• Los motores de explosión de cuatro tiempos disponen de válvulas de admisión y de escape, mientras que el motor Wankel las sustituye por lumbreras.
34
kJ HC 43 900 —— kg kJ HC 32 050 —— dm3 kJ HC 43 500 —— kg
• El bloque motor de los motores de explosión de cuatro tiempos, de interior cilíndrico, es sustituido por el estátor del motor Wankel, de interior casi elíptico.
— Gasóleo:
• Un motor Wankel provisto de un solo pistón equivale a un motor de explosión de tres cilindros.
La diferencia de poder calorífico por unidad de masa y por unidad de volumen radica en la densidad de los combustibles (menor que la
kJ HC 36 000 —— dm3
kJ del agua, que es de 1 000 —— . Así, la gasom3 kg lina tiene una densidad de 730 ——, mientras m3 kg que la del gasóleo es 872 ——. m3 30. El número de octano (NO) mide la mayor o la menor tendencia de un combustible a detonar: cuanto mayor es este número, menor es la tendencia a la detonación. Se aplica a los combustibles utilizados en los motores de encendido provocado (MEP), es decir, las gasolinas, que deben tener una baja tendencia a la autoinflamación con el fin de evitar detonaciones. El número de cetano (NC) mide la tendencia a la autoinflamación: cuanto mayor es este número, mayor es la tendencia del combustible a autoinflamarse. Se aplica a los combustibles utilizados en los motores Diesel (MEC), es decir, los gasóleos, los cuales, al contrario que en el caso anterior, deben tener una elevada tendencia a la autoinflamación, para que no se acumulen en el
cilindro grandes cantidades de mezcla de aire y combustible. 31. Los principales gases nocivos que emite un motor de combustión interna son el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos no quemados. — El monóxido de carbono (CO) se produce en las combustiones incompletas por escasez de oxígeno en la mezcla. Se trata de un gas muy tóxico, capaz de destruir la hemoglobina de la sangre cuando se inhala. — Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2) se generan en la cámara de combustión cuando se alcanzan grandes presiones y temperaturas. En contacto con el vapor de agua de la atmósfera, generan pequeñas cantidades de ácidos y son responsables, junto con otros compuestos, de la denominada lluvia ácida. — Los hidrocarburos no quemados se desprenden en las combustiones incompletas y son agentes cancerígenos.
5. Máquinas frigoríficas. Bomba de calor Bomba de calor (pág. 119) 1. Según el principio de conservación de la energía, en las máquinas frigoríficas y en las bombas de calor se cumple siempre que: Q1 Q 2 W donde Q1 es el calor cedido al foco caliente; Q 2 es el calor sustraído del foco frío, y W es la energía aportada a la máquina. El rendimiento () de una bomba de calor se define como el cociente entre el calor suministrado por la máquina (Q1) y la energía que le hemos aportado al compresor (W ): Q1 —— W Del principio de conservación de la energía se deduce que Q1 siempre es mayor que W. Por tanto, el rendimiento de una bomba de calor siempre será mayor que la unidad.
El efecto frigorífico (ef ) de una máquina frigorífica se define como el cociente entre el calor sustraído al foco frío (Q 2) y la energía que hemos aportado al compresor (W ): Q2 ef —— W Del principio de conservación de la energía no puede deducirse qué relación existe entre estas dos magnitudes. Por lo tanto, dependiendo de cómo sea, el efecto frigorífico podrá ser mayor o menor que la unidad. 2. Datos: PU 567 000 kcal/h PS 153 kW Expresamos la potencia útil en kW: kcal 1 kJ 1h PU 567 000 —— ———— ———— h 0,24 kcal 3 600 s 656,25 kW
35
656,25 kW PU —— ⇒ ————— 4,29 PS 153 kW El rendimiento de la instalación, funcionando como bomba de calor, es de 4,29. 3. Formulamos la relación entre las cantidades de calor transferidas y las temperaturas de los focos. A partir de ella, despejamos Q 1: T1 T1 Q1 —— —— ⇒ Q 1 Q 2 —— Q2 T2 T2 Sustituimos Q 1 por su valor en la expresión del principio de conservación de la energía en una bomba de calor y despejamos el valor de Q 2: Q 1 Q 2 AW T1 Q 2 —— Q 2 AW T2 T1 Q 2 —— Q 2 AW T2
Confeccionamos una tabla para calcular el rendimiento de la bomba de calor en intervalos de 3 en 3 K: t2 (°C)
T2 (K)
T1 (K)
T2 — T1
T2 1— T1
1 ——— T2 1— T1
0
273
293
0,931
0,069
14,49
3
276
293
0,942
0,058
17,24
6
279
293
0,952
0,048
20,83
9
282
293
0,962
0,038
26,31
12
285
293
0,973
0,027
37,03
15
288
293
0,983
0,017
58,83
Representamos gráficamente la variación del rendimiento con respecto a la temperatura del foco frío: Rendimiento
60
40
T1 Q 2 —— 1 AW T2 T1 T2 Q 2 ———— AW T2
T2 Q 2 AW ———— T1 T2
Temperatura del foco caliente (°C)
El rendimiento es el cociente entre la potencia útil (PU ) y la potencia suministrada (PS ).
50
30 20 10
4. Datos: EU 120 000 kcal 4
0 0
3 6 9 12 15 18
Temperatura del foco frío (°C)
Expresamos la energía útil en kWh utilizando el factor de conversión adecuado: 1 kWh EU 120 000 kcal ———— 138,9 kWh 864 kcal A partir del dato del rendimiento, calculamos la energía suministrada al compresor: EU EU 138,9 kW —— ⇒ ES —— ————— ES 4 34,7 kW La energía consumida por el compresor ha sido de 34,7 kWh. 5. Datos: t 1 20 °C 293 K t 2 0 °C 273 K
36
Actividades de aplicación (pág. 127) 6. El funcionamiento de un motor térmico se basa en un proceso o ciclo cerrado, es decir, al finalizar un ciclo de trabajo, el motor vuelve a las condiciones iniciales o de partida. El proceso que se lleva a cabo es el siguiente: en un momento determinado de su funcionamiento, el motor recibe una determinada cantidad de calor QA (medido en cal o kcal) y posteriormente cede o se le sustrae otra cantidad de calor Q C , menor que QA . Como el calor aportado, QA, es mayor que el cedido o sustraído, QC, se produce la desapa-
rición de una cierta cantidad de energía térmica que se transforma en trabajo mecánico T.
— A continuación, es licuado por enfriamiento en el condensador. Este cambio de estado supone una cesión de calor de Q 1 calorías.
Foco caliente QA T Motor térmico
QC
— Después es sometido a un proceso de expansión en el sistema de expansión. De este modo, el fluido disminuye su presión hasta alcanzar la del evaporador. — Al llegar al evaporador, el fluido se evapora. Para efectuar este nuevo cambio de estado, ha de tomar una cantidad de calor Q 2, con lo que se produce el enfriamiento del elemento.
Foco frío
El funcionamiento de una máquina frigorífica también se basa en un ciclo cerrado, pero que es inverso al de los motores térmicos: la máquina frigorífica toma una cantidad de calor Q 2 de un foco frío, denominado evaporador, y cede una cantidad de calor Q 1 a un foco caliente, llamado condensador. De acuerdo con el principio anterior, para que este proceso tenga lugar, es necesario suministrarle una cierta cantidad de energía W. Foco caliente (condensador)
— Tras la evaporación, el fluido recupera las condiciones iniciales, por lo que pasa de nuevo al compresor para iniciar un nuevo ciclo. En las bombas de calor, el sistema funciona de modo similar, aunque el efecto que se consigue es el contrario: — El fluido frigorígeno toma una cierta cantidad de calor Q 2 del foco frío o evaporador y se evapora. — Una vez evaporado, pasa al compresor, donde es comprimido gracias a la energía W aportada.
Q1
Máquina frigorifica
neamente, por lo que, para que transcurra, es necesario aportar una cierta cantidad de energía, W.
W
Q2 Foco frío (evaporador)
7. El fluido frigorígeno es una sustancia que cambia de estado por condensación o por evaporación a una presión y temperatura determinadas. En las máquinas frigoríficas, el fluido frigorígeno circula en circuito cerrado por el sistema y sufre una serie de transformaciones: — Primero es comprimido en el compresor. Este proceso no se lleva a cabo espontá-
— El gas comprimido pasa al condensador, donde se licua y cede una cierta cantidad de calor Q 1, que es aprovechada para calefacción. — Una vez licuado, pasa a través de la válvula de expansión hasta alcanzar de nuevo la presión del evaporador, donde comenzará de nuevo el ciclo. 8. Las condiciones básicas que han de cumplir los fluidos frigorígenos son las siguientes: — Deben ser no tóxicos. De este modo, si se producen fugas en la instalación, los usuarios no correrán riesgos innecesarios. — No pueden ser fácilmente inflamables o susceptibles de producir explosiones. Con ello se garantiza la seguridad de la instalación ya que algunos de sus elementos (como el compresor) funcionan con ener-
37
gía eléctrica y una chispa podría provocar un accidente. — Han de tener una viscosidad tal que impida que se produzcan fugas fáciles. Así, se asegura el buen funcionamiento de la instalación. — No han de ser corrosivos para los metales. Hay que tener en cuenta que las conducciones por las que circula el fluido son metálicas. Los fluidos frigorígenos más utilizados a lo largo de la historia tecnológica han sido: el agua; los dióxidos de azufre y de carbono (SO2 y CO2); los cloruros de metilo y etilo (CH3Cl y CH3—CH2Cl), más conocidos como freones; el amoníaco (NH3); algunos hidrocarburos de cadena corta, como el propano y el butano (C3H8 y C4H10); y más recientemente los hidrocarburos fluorados y clorados. Sin embargo, muchos de estos fluidos no cumplen las especificaciones necesarias para su utilización industrial. — El agua no es tóxica ni inflamable, pero sus características físicas la hacen poco rentable. — El dióxido de azufre es tóxico. — Algunos freones, como el R113, son tóxicos. — El amoníaco, aunque no es tóxico en pequeñas cantidades, tiene un olor desagradable y, además, es poco viscoso. — El propano y el butano son gases económicos y de empleo sencillo, pero resultan peligrosos por su alta inflamabilidad. — Los clorofluorocarbonados (CFC) inciden de forma negativa sobre la capa de ozono que protege la atmósfera terrestre, por lo que está en proceso su sustitución por otras sustancias menos agresivas. En la actualidad, se está procediendo a la sustitución de todos los fluidos frigorígenos por los HCFC o hidroclorofluorocarbonados, que resultan menos agresivos con la capa de ozono. 9. Una máquina frigorífica tipo está provista de compresor, condensador, acumulador con válvula de expansión y evaporador.
38
Q1 Acumulador
Condensador
W Compresor Válvula de expansión
W
Motor de arrastre
Evaporador
Q2
El cometido del compresor es doble: — Por una parte, comprime el fluido frigorígeno en estado de vapor, con lo que reduce su volumen y aumenta su presión y su temperatura. — Por otra, facilita la circulación del fluido a lo largo del ciclo. El compresor está movido por un motor de arrastre que consume la energía W que se aporta al sistema. El gas frigorígeno entra en el condensador donde se produce su licuefacción, ya sea por circulación de aire o de agua. En esta fase cede una cantidad de calor Q 1 y disminuye su volumen, a presión constante. En el acumulador o depósito se almacena el fluido frigorígeno procedente del condensador y, desde aquí, se alimenta el evaporador a través de la válvula de expansión. El líquido se expansiona disminuyendo su presión de P2 (alta presión) a P1 (baja presión) y aumentando su volumen. La válvula de expansión puede consistir en un orificio calibrado o en un tubo capilar donde se produce la expansión. En el evaporador se produce la transformación del líquido frigorígeno en vapor. Para ello, toma una cantidad de calor Q 2 de su entorno y produce el enfriamiento. A la salida del evaporador tenemos el fluido frigorígeno en las condiciones iniciales para comenzar un nuevo ciclo.
10. El elemento encargado de refrigerar un lugar o un ambiente determinado es el evaporador porque en él se produce la evaporación del fluido frigorígeno y, para que ésta se dé, es necesario que el fluido tome calor del entorno, provocando de este modo su enfriamiento. 11. Las máquinas frigoríficas funcionan según un ciclo presión-volumen denominado ciclo de Carnot, semejante al de los motores térmicos. La diferencia fundamental entre ambos ciclos es el sentido de recorrido del ciclo, ya que en un caso se recorre en sentido contrario al otro. P
B
P2
P1
12. El sentido del circulación del fluido frigorígeno es correcto. Sin embargo, las cantidades de calor que aparecen están mal simbolizadas: — El calor cedido al entorno por el condensador al foco caliente no es Q 2, sino Q 1. — Lógicamente entonces, el calor sustraído por el evaporador del foco frío no es Q 1, sino Q 2. 13. La máquina frigorífica y la bomba de calor funcionan siguiendo el mismo ciclo. La diferencia radica en el aprovechamiento: — En la máquina frigorífica se aprovecha el evaporador para sustraer calor de un lugar o un ambiente y provocar un descenso de la temperatura.
Q1 C
El fluido, una vez recuperadas sus condiciones iniciales (P1 y V1), puede volver a comenzar el ciclo.
— En la bomba de calor se aprovecha el condensador para aportar calor al entorno y provocar un aumento de la temperatura.
A
D Q2 V3 V4
V2
V1
V
— De A a B se produce la compresión del fluido: su volumen disminuye de V1 a V2 y su presión aumenta de P1 a P2. En esta fase, la máquina recibe la energía W necesaria para que actúe el compresor. — De B a C se produce la licuefacción o condensación del fluido a presión prácticamente constante, y el volumen disminuye de nuevo de V 2 a V 3. En esta fase, la máquina cede una cantidad de calor Q 1 al foco caliente. — De C a D se origina la expansión del fluido con un ligero aumento del volumen de V 3 a V 4 y una disminución de la presión de P2 a P1. — De D a A se produce la evaporación, a presión constante, con un aumento del volumen de V4 a V1. La máquina absorbe una cantidad de calor Q 2 del foco frío y produce el enfriamiento.
14. El circuito clásico de una bomba de calor contiene esencialmente los mismos elementos que una máquina frigorífica: compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador. La diferencia radica en el aprovechamiento del condensador, en lugar del evaporador, para provocar el aumento de la temperatura de un lugar o un ambiente. Q1 Condensador Sistema de expansió
Compresor
Evaporador
Q2
W
15. Datos: Q 1 10 500 kcal W 8 kWh Aplicamos el principio de conservación de la energía en una bomba de calor y despejamos Q 2: Q 1 Q 2 AW ⇒ Q 2 Q 1 AW
39
kcal Q 2 10 500 kcal 864 —— 8 kWh kWh 3 588 kcal El calor sustraído al foco frío es 3 588 kcal. 16. Datos: Q 1 10 500 kcal Q 2 3 588 kcal W 8 kWh Calculamos el rendimiento cuando la máquina actúa en modo bomba de calor: Q1 10 500 kcal —— ⇒ ————————— 1,52 AW kcal 864 —— 8 kWh kWh Calculamos el efecto frigorífico cuando la máquina actúa en modo acondicionador de aire: Q2 3 588 kcal ef —— ⇒ ef ————————— 0,52 AW kcal 864 —— 8 kWh kWh Cuando la máquina funciona como bomba de calor, su rendimiento es 1,52 y cuando lo hace como acondicionador de aire, el efecto frigorífico es 0,52.
Para averiguar la cantidad de calor sustraída del foco frío, aplicamos la expresión:
T2 Q 2 AW ———— T1 T2
18. En estas condiciones, la bomba de calor no puede funcionar. En efecto, el 0 K se considera el cero absoluto de temperatura, lo que significa que no puede absorberse calor del foco frío puesto que esto significaría hacer disminuir su temperatura por debajo del cero absoluto, hecho que, evidentemente, es imposible. 19. En estas condiciones, hay que distinguir entre el instante inicial y el resto del tiempo de funcionamiento de la máquina. — En el instante inicial, el rendimiento de la máquina sería teóricamente infinito, ya que la diferencia T1 T2 es cero. Esto produciría un inmediato incremento de la temperatura del foco caliente.
20. El rendimiento de una bomba de calor aumenta a medida que la diferencia de temperaturas entre los focos caliente y frío disminuye.
kcal 3 588 K Q 2 864 —— 2 kWh ——————— kWh (30º3 283) K
En efecto, el rendimiento puede calcularse mediante la expresión:
24 451,2 kcal
T1 ———— T1 T2
Para averiguar la cantidad de calor suministrada al foco caliente, aplicamos la expresión:
T1 Q 1 AW ———— T1 T2
kcal 303 K Q 1 864 —— 2 kWh ——————— kWh (303 283) K 26 179,2 kcal Para determinar el rendimiento, aplicamos la expresión:
40
El calor sustraído al foco frío es 24 451,2 kcal, el suministrado al foco caliente, 26 179,2 kcal, y el rendimiento, 15,15.
— A partir de este momento, el rendimiento iría decreciendo hasta que se alcanzara la temperatura de referencia.
17. Datos: t 1 30 °C ⇒ T1 303 K t 2 10 °C ⇒ T 2 283 K W 2 kWh
26 179,2 kcal Q1 —— ⇒ ————————— 15,5 AW kcal 864 —— 2 kWh kWh
donde T1 es la temperatura del foco caliente y T2, la del foco frío. Cuanto menor sea la diferencia entre T2 y T1, menor será el denominador y mayor resultará el valor de . Por lo tanto, el rendimiento de una bomba de calor será mayor cuanto menor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente y del foco frío.
21. En caso de que el sistema funcione como máquina frigorífica, el rendimiento o efecto frigorífico puede calcularse mediante la ecuación: T1 ef ———— T1 T2 donde T1 es la temperatura del foco caliente y T2, la del foco frío. La diferencia entre esta expresión y la de la actividad anterior radica en el numerador, mientras que el denominador permanece invariable. Por consiguiente, el razonamiento será idéntico: cuanto menor sea la diferencia entre T2 y T1, menor será el denominador y mayor resultará el valor de ef. Por lo tanto, el rendimiento o efecto frigorífico de una máquina frigorífica será mayor cuanto menor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente y del foco frío. 22. Datos: t 2 5 °C ⇒ T2 278 K 16,5 Para determinar la temperatura del foco caliente, partiremos de la expresión del rendimiento en función de las temperaturas y despejaremos T1: T1 ———— T1 T2 (T1 T2) T1 T1 T2 T1 T1 T1 T2 T1 ( 1) T2 T1 ———— T2 1 16,5 T1 ———— 278 K 296 K 23 °C 16,5 1 La temperatura máxima que puede alcanzarse en el foco caliente es 23 °C.
Sustituimos AW por su valor en la expresión del rendimiento. Q2 Q2 —— ———— AW Q1 Q 2 Como la temperatura es una medida del calor, sustituimos Q 1 y Q 2 por las temperaturas absolutas de los focos caliente y frío, respectivamente, y transformamos la expresión: Q2 1 Q2 ———— ———— ———— Q1 Q 2 T1 T2 T1 — 1 T2 24. Datos: t 1 22 °C ⇒ T1 295 K t 2 6 °C ⇒ T2 279 K W 5 kWh Para averiguar la cantidad de calor sustraída del foco frío, aplicamos la expresión:
T2 Q 2 AW ———— T1 T2
kcal 279 K Q 2 864 —— 5 kWh ——————— kWh (295 279) K 75 330 kcal Para averiguar la cantidad de calor suministrada al foco caliente, aplicamos la expresión:
T1 Q 1 AW ———— T1 T2
kcal 295 K Q 2 864 —— 5 kWh ——————— kWh (295 279) K 79 650 kcal Se han sustraído 75 330 kcal del foco frío y se han aportado 79 650 kcal al foco caliente. 25. Datos: t 1 22 °C ⇒ T1 295 K t 2 6 °C ⇒ T2 279 K
23. Partimos de la ecuación del principio de conservación de la energía y despejamos AW: Q 1 Q 2 AW ⇒ AW Q 1 Q 2
Confeccionamos una tabla para calcular el rendimiento de la bomba de calor en intervalos de 2 en 2 K:
41
T2 (K)
T1 (K)
T2 — T1
T2 1— T1
1 ——— T2 1— T1
6
279
295
0,946
0,054
18,52
8
281
295
0,953
0,047
21,28
10
283
295
0,959
0,01
24,93
12
285
295
0,966
0,034
29,41
14
287
295
0,973
0,027
37,04
16
289
295
0,980
0,020
50,00
Rendimiento Temperatura del foco caliente (°C)
t2 (°C)
60 50 40 30 20 10 0
Representamos gráficamente la variación del rendimiento con respecto a la temperatura del foco frío:
0
3
6
8 10 12 14 16 18
Temperatura del foco frío (°C)
6. Motores eléctricos Actividades de aplicación (pág. 151) 1. Datos: L 80 cm 0,8 m I4A B2T a) Si el conductor se sitúa perpendicularmente a las líneas de fuerza del campo magnético, 90° y sen 1. El módulo de la fuerza viene dado por la expresión F I L B sen . En este caso:
F 4 A 0,8 m 2 T1 6,4 N b) Si el conductor forma un ángulo de 60° con las líneas de fuerza del campo magnético, entonces 60° y sen 0,866. El módulo de la fuerza será:
F 4 A 0,8 m 2 T 0,866 5,54 N
F
F
B α
L
L α B
3. Datos: L 5 cm 0,05 m I3A n 100 B 2,5 T Cuando la espira se sitúa perpendicularmente a las líneas de fuerza del campo, 90° y sen 1. El módulo del momento del par que actúa sobre cada espira es: M I S B sen . Como la bobina dispone de n espiras, el módulo será: M n I S B sen .
En el primer caso, el campo ejerce una fuerza de módulo 6,4 N y en el segundo, de 5,54 N.
M 100 3 A 3,14 (0,025 m)2 2,5 T1
2. Si invertimos simultáneamente el sentido de circulación de la corriente en un conductor y la polaridad del campo magnético, cambiará también el sentido de los vectores L y B. En consecuencia, y en aplicación de la regla de la mano izquierda, el sentido de la fuerza permanecerá invariable, como puede apreciarse en la figura siguiente:
El módulo del par que actúa es de 1,47 Nm.
42
1,47 Nm
4. El motor de corriente continua consta de dos elementos fundamentales, denominados estátor y rotor. El estátor es la parte fija del motor, responsable del establecimiento del campo magnético.
Para ello dispone de una serie de bobinas, que reciben el nombre de bobinas inductoras, situadas alrededor de los polos del electroimán. Éstos van sujetos a la carcasa.
— Si, por el contrario, la corriente sólo circulara por las bobinas inducidas, pero no por las inductoras, no se generaría ningún campo magnético, es decir, B 0, y, en consecuencia no existiría ninguna fuerza que actuara sobre las bobinas inducidas. El motor tampoco funcionaría.
El rotor es la parte móvil del motor. Consta de otro conjunto de bobinas (bobinas inducidas) que van arrolladas sobre las ranuras de un núcleo de hierro denominado inducido. Los extremos de las bobinas se sueldan a una serie de láminas de cobre, llamadas delgas, que forman el colector. El conjunto se monta sobre un eje.
6. Los motores serie, shunt y compound son motores de corriente continua que difieren en la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas.
Además, el motor dispone de escobillas, montadas sobre los portaescobillas. Estos dispositivos están en contacto permanente con el colector y suministran la corriente eléctrica a las bobinas inducidas.
— En el motor serie, las bobinas inductoras e inducidas están conectadas en serie. En consecuencia, la intensidad I, absorbida por el motor al conectarlo a la red de corriente continua, es la misma en todo el motor.
5. El principio de funcionamiento de un motor de corriente continua se basa en las fuerzas electromagnéticas que un campo magnético ejerce sobre un conductor situado en su seno, por el que circula una corriente eléctrica. Si el conductor tiene forma de espira y ésta puede girar sobre un eje, el par de fuerzas que actúa sobre ambas partes de la espira provocará en ella un movimiento de rotación.
+ –
F I B
A
E I
Al conectar el motor a la fuente de alimentación, la corriente eléctrica circula por las bobinas inductoras generando un electroimán y creando el campo magnético que necesitamos.
El motor serie puede desarrollar un elevado par motor en el instante de arrancar. Si disminuye la intensidad absorbida por disminución de la carga en el motor, éste corre el peligro de aumentar excesivamente de velocidad (embalamiento).
Esta corriente continua también circula por las bobinas inducidas a través de las escobillas y del colector.
Los motores serie se utilizan en vehículos de tracción eléctrica, como tranvías, locomotoras, trolebuses, etc.
Una vez establecido el campo magnético, los pares de fuerzas que actúan sobre las bobinas inducidas, las obligarán a girar y, con ellas, lo hará todo el rotor.
— En el motor shunt, las bobinas inductoras van conectadas en paralelo o derivación con las bobinas inducidas. En consecuencia, de toda la corriente I absorbida por el motor, una parte (Ii ) circula por las inducidas y la otra parte (Iex ), por las inductoras.
De este modo, la energía eléctrica suministrada al motor se transforma en energía mecánica de rotación. — Si la corriente sólo circulara por las bobinas inductoras, pero no por las inducidas, se generaría un campo magnético por efecto del electroimán. Pero, al no circular corriente por las bobinas inducidas, I 0 y entonces no existiría ninguna fuerza que actuara sobre estas bobinas. El motor no funcionaría.
+ – I
A
B I
Ii C
D
Iex
43
En el arranque, el par motor es menor que el del motor serie. Pero si la intensidad se reduce, el régimen de giro apenas varía (no se produce embalamiento). Estos motores se utilizan preferentemente en las máquinas herramientas. — El motor compound es una combinación de motor serie y motor shunt. Las bobinas inductoras quedan divididas en dos partes iguales. Una parte de ellas se conecta en serie con las inducidas y la otra parte, en paralelo. Así, una parte de la intensidad I absorbida por el motor se divide en dos: una parte, Ii , circula por las bobinas inducidas y la mitad de las inductoras y la otra, Iex , por el resto de bobinas inductoras. + – I A
B
E
F
I
Ii Iex
C
D
Este motor se comporta con un par motor algo mayor que el shunt, pero menor que el serie. Al disminuir la intensidad absorbida, el régimen de giro apenas varía y no hay peligro de que se embale al trabajar en vacío. Su uso está especialmente indicado en máquinas herramientas y en vehículos de tracción eléctrica. 7. Para averiguar los parámetros del motor en el régimen de funcionamiento dado, procederemos del modo siguiente: — Trazamos una línea vertical sobre el valor 60 A, de modo que corte las curvas del motor serie.
• Potencia absorbida: 31 kW 8. (Se trata de una experiencia de taller. No tiene, por tanto, respuesta escrita.) 9. En los motores de corriente alterna, el campo magnético que se genera en las bobinas inductoras provoca la aparición de una corriente eléctrica inducida en los conductores del inducido (por eso se llama así). En consecuencia, como ya disponemos de un campo magnético y de un conductor por el que circula una corriente eléctrica, se producirán las fuerzas electromagnéticas capaces de hacer girar el motor. Por esta razón, no es necesario suministrar energía eléctrica procedente de la fuente de alimentación a los conductores del inducido. 10. Datos: f 50 Hz p 4 (8 polos 4 pares) Aplicamos directamente la expresión que da la velocidad de giro del campo magnético: 60 f 6 050 n1 —— ⇒ n1 ——— 750 rpm p 4 El rotor gira a 750 rpm. 11. Datos: f 50 Hz n 2 950 rpm p 3 (6 polos 3 pares) Calcularemos primero la velocidad de giro del campo magnético, n 1: 60 f 6 050 n 1 —— ⇒ n 1 ——— 1 000 rpm p 3 A partir de este dato, y conocido n 2, podemos calcular el deslizamiento absoluto D y el relativo d. D n1 n 2 ⇒ ⇒ D 1 000 rpm 950 rpm 50 rpm n1 n 2 d ———— 100 ⇒ n1
— A partir de los puntos de corte con las respectivas curvas, trazamos líneas horizontales que nos permitan leer los valores correspondientes en los ejes verticales.
50 rpm ⇒ d ————— 100 5 % 1 000 rpm
Siguiendo este procedimiento, se obtienen los resultados siguientes:
El deslizamiento absoluto es de 50 rpm y el relativo, del 5 %.
• Rendimiento: 85 % • Régimen de giro: 600 rpm
44
• Par motor: 40 kgm
12. Los motores asíncronos monofásicos no se ponen en funcionamiento por sí solos, sino
que necesitan un elemento auxiliar para que comiencen a girar. Este elemento auxiliar puede ser una bobina auxiliar o una espira en cortocircuito. — Los motores que incorporan una bobina auxiliar disponen en el estátor de una bobina inductora principal o de trabajo, conectado a la red y otra bobina auxiliar que va a permitir que el motor se ponga en funcionamiento al conectarlo. Una vez que el motor ha arrancado y el rotor alcanza su velocidad nominal, el bobinado auxiliar se desconecta y el motor funciona normalmente. — Los motores que incorporan espiras en cortocircuito disponen de un rotor en jau-
la de ardilla y un estátor con polos salientes, similar al que emplean los motores de corriente continua. Cada uno de los polos lleva la bobina inductora correspondiente, más una espira en cortocircuito. Las corrientes inducidas que se generan en ella permiten la puesta en marcha del motor. 13. (Se trata de una experiencia de taller. No tiene, por tanto, respuesta escrita.) 14. (Se trata de una experiencia de taller. La respuesta dependerá del aparato electrodoméstico seleccionado.) 15. (Se trata de una experiencia de taller. La respuesta dependerá del juguete seleccionado y del tipo de motor de éste.)
7. Transductores de posición y de proximidad Actividades de aplicación (pág. 177)
tiempos de control y permite obtener datos en tiempo real.
1. La instrumentación es la técnica que se ocupa de medir, transmitir y regular las magnitudes físicas y químicas de las que depende el rendimiento, la calidad y la seguridad de una instalación.
• Su coste reducido, gracias a la utilización de componentes electrónicos, permite su adquisición y su incorporación a multitud de procesos.
Las magnitudes se clasifican por grupos en función de su importancia y de su abundancia.
• La posibilidad de ser utilizados en combinación con los ordenadores permite su aplicación en sistemas informáticos de control.
— En el grupo I se encuadran las más importantes y abundantes: la temperatura, la presión, el nivel o el caudal. — En el grupo II aparecen otras magnitudes básicas, aunque menos frecuentes: la densidad, el peso o el pH. — En el grupo III se integran las magnitudes de menor importancia: la humedad, la velocidad y otras. 2. Los instrumentos miniatura presentan ventajas frente a los convencionales. Entre otras, cabe destacar: • Su menor tamaño permite ubicarlos en espacios reducidos. • Su mayor flexibilidad posibilita su intercambio en procesos diferentes. • Su mayor velocidad de respuesta reduce los
3. Un sistema de control está formado por diferentes elementos componentes: sensores, transmisores, comparadores, reguladores, actuadores y visualizadores. Transmisores Sensores
Comparadores
Visualizadores
Reguladores Actuadores
— Los sensores son los elementos del sistema de control encargados de medir el valor de una magnitud. — Los transmisores son los elementos que se encargan de transformar una señal en otra.
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Con frecuencia, se suelen integrar estos dos elementos (sensores y transmisores) en el grupo de los transductores o captadores.
Los pulsadores son dispositivos de accionamiento manual capaces de emitir una señal eléctrica.
— Los comparadores son los elementos encargados de proporcionar una señal en función de la diferencia existente entre el valor de salida y el valor esperado.
Los finales de carrera son mecanismos que emiten las señales mecánicas que capta el microrruptor.
— Los reguladores son los dispositivos encargados de mejorar las respuestas del sistema. — Los actuadores son los dispositivos encargados de actuar sobre el proceso una vez recibida la orden del regulador.
(Los ejemplos del entorno pueden variar de unos alumnos a otros. No obstante, ofrecemos un modelo de respuesta.) Uno de los sistemas de control que con más frecuencia utilizamos es el ascensor. En él podemos encontrar pulsadores, finales de carrera y microrruptores.
— Los visualizadores son los dispositivos encargados de dar la expresión final de la medida con la función deseada.
Cuando nos introducimos en un ascensor convencional, encontramos un panel con pulsadores, cada uno de los cuales permite que el ascensor vaya a un nivel o piso diferente.
4. Un transductor es un elemento que transmite la señal de un sistema situado a su entrada a otro ubicado a su salida.
Cuando accionamos manualmente uno de los pulsadores, éste emite una señal eléctrica que es transmitida hasta el circuito de control, el cual activa el motor y el ascensor se pone en marcha.
También puede definirse como un elemento que transforma una determinada magnitud de entrada (física, química, etc.) en otra de salida que sea más fácilmente procesable. Un captador es un transductor encargado de adaptar la señal de salida del sistema para volver a utilizarla de nuevo. En consecuencia, la única diferencia entre ellos es su situación en el sistema.
Cuando el ascensor llega hasta el nivel o piso seleccionado, una pieza mecánica que se encuentra en el exterior de la caja actúa sobre el final de carrera que se encuentra en dicho nivel. La señal mecánica es captada por un microrruptor que desconecta el motor y el ascensor se detiene. 6. Cuando se oprime el pulsador, se cierra también el circuito que alimenta el diodo LED y éste se ilumina. Al dejar de oprimir, se abre el circuito y el LED se apaga.
Señal de mando
Transductor Señal de referencia
Comparador Captador
El LED necesita resistencia de protección porque la tensión de la señal que transmite el pulsador suele ser muy superior que la que es capaz de soportar el LED. En consecuencia, hay que instalar la resistencia en serie con el LED de forma que absorba la mayor parte de la tensión que pasa por la línea.
Proceso Señal de salida
7. La resistencia de protección y el LED están conectados según el siguiente esquema: I = 20 mA
2V
5. Los microrruptores son interruptores que obedecen a una señal mecánica externa.
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24 V
Si el LED sólo puede soportar 2 V, la diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia será de 24 2 22 V.
ciente como para provocar una disminución de la señal de salida del rectificador, por lo que el disparador sigue inactivo.
Por otra parte, la intensidad que circula por ambos componentes ha de ser la misma: 20 mA.
Si el objeto se sigue acercando, llega un momento en que la señal del oscilador es lo suficientemente pequeña como para provocar una disminución de la señal del rectificador, que se produce aproximadamente de forma lineal.
En estas condiciones, aplicamos la ley de Ohm y resulta: V VIR ⇒ R— I 22 V ————— 1100 2 102 A
Distancia de detección
La resistencia tiene un valor de 1 100 . 8. Permeabilidad magnética es la facilidad que poseen ciertos cuerpos para dejarse atravesar por los campos magnéticos. Como los detectores de proximidad inductivos usan el principio de la inducción electromagnética, los materiales más fácilmente detectables serán aquellos que resulten permeables al flujo magnético. Éstos son precisamente los ferromagnéticos. 9. Un sistema de control provisto de detector de proximidad inductivo está formado por varios elementos básicos: la fuente de alimentación, la bobina detectora, el oscilador, el rectificador y el conmutador-disparador. Placa
Oscilador
Bobina
Salida
Señal de salida
Señal de entrada
Rectificador
Fuente de alimentación
Conmutador disparador
Tensión de alimentación
— Si el objeto se encuentra muy alejado de la placa detectora, el oscilador da una señal alterna de salida muy alta y, en consecuencia, la salida continua del rectificador es la máxima posible. En estas condiciones, un conmutador invierte la señal de modo que el disparador no se activa. — A medida que el objeto se va acercando al detector, la señal de salida del oscilador va disminuyendo en amplitud pero no lo sufi-
Nivel de operación
Nivel de reposición
Cuando la señal del rectificador disminuye hasta el 50 % de la tensión de salida, se alcanza el nivel de operación: el conmutador varía la señal y el disparador se activa. La señal de salida del disparador se mantiene mientras el objeto se encuentra dentro de la zona de detección. — A medida que el objeto se aleja de la placa, se produce el efecto contrario: la señal de salida del oscilador comienza a aumentar y, con ella, se incrementa también linealmente la señal del rectificador. — En el momento que esta señal alcanza de nuevo el 50 % de su valor nominal, el conmutador invierte otra vez la señal y desactiva el disparador. Esto se produce cuando el objeto sale de la zona de detección. 10. Un sistema de control provisto de detector de proximidad capacitivo está constituido por varios elementos básicos: la fuente de alimentación, la placa sensora, el oscilador, el rectificador y el disparador. Como puede apreciarse, la estructura del detector capacitivo es idéntica a la del inductivo. El único elemento diferente es la placa sensora, que es metálica.
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Objeto Placa
Salida Oscilador
C1
C0
Rectificador
Fuente de alimentación
Disparador
Tensión de alimentación
Una vez construido el transductor, entre la placa sensora y tierra existe una capacidad parásita muy pequeña, a la que denominaremos C0. Al aproximarse un objeto a la placa, la capacidad parásita total aumenta, con lo que la reactancia disminuye y la intensidad de la señal suministrada por el oscilador se incrementa progresivamente hasta que activa la respuesta del disparador. — Cuando no hay objeto detectable o está lejano, el dieléctrico del condensador formado por la placa y tierra es el aire. En estas condiciones, la capacidad parásita C0 es muy baja, la reactancia es alta y el oscilador no produce señal. El disparador está desactivado. — Cuando el objeto se aproxima, el dieléctrico estará formado por el aire y el objeto. La capacidad aumenta progresivamente, la reactancia disminuye y el oscilador empieza a producir señal alterna. La señal del rectificador comienza a aumentar de forma lineal.
Distancia de detección
Nivel de operación
Nivel de reposición
— En el momento que la señal del rectificador alcance el nivel de operación, el disparador se activa. — A medida que el objeto se aleja se produce el fenómeno contrario: la señal del oscilador disminuye de intensidad y, con ella, la del rectificador. — Cuando se alcanza el nivel de reposición, el conmutador invierte de nuevo la señal y el disparador se desactiva.
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11. Si comparamos los ciclos de funcionamiento de un detector de proximidad inductivo y de otro capacitivo, podemos confeccionar un cuadro que recoja las analogías y las diferencias. Detector inductivo
Detector capacitivo
En ausencia de objeto detectable, el oscilador emite la señal máxima y el rectificador también.
En ausencia de objeto detectable, ni el oscilador ni el rectificador emiten señal alguna.
Cuando un objeto se aproxima, aumenta la resistencia equivalente de la bobina y, en consecuencia, disminuye la señal del oscilador.
Cuando un objeto se aproxima, aumenta la capacidad parásita lo que hace disminuir la resistencia de la placa y aumenta la señal del oscilador.
La disminución de la señal del oscilador provoca una disminución aproximadamente lineal de la señal del rectificador.
El aumento de la señal del oscilador provoca un aumento aproximadamente lineal de la señal del rectificador.
Cuando el objeto entra en la zona de detección, se activa el disparador.
Cuando el objeto entra en la zona de detección, se activa el disparador.
La señal del rectificador disminuye hasta anularse.
La señal del rectificador aumenta hasta su valor máximo.
Cuando el objeto sale de la zona de detección, se desactiva el disparador.
Cuando el objeto sale de la zona de detección, se desactiva el disparador.
La señal del rectificador vuelve a aumentar de forma lineal a medida que lo hace la señal del oscilador.
La señal del rectificador vuelve a disminuir de forma lineal a medida que lo hace la señal del oscilador.
Cuando el objeto se encuentra fuera de la zona de detección, la disminución de la resistencia equivalente de la bobina hace que la señal del oscilador vuelva a ser máxima y, con ella, también es máxima la señal del rectificador.
Cuando el objeto se encuentra fuera de la zona de detección, la disminución de la capacidad parásita aumenta la resistencia de la placa y hace que la señal del oscilador desaparezca y, con ella, la señal del rectificador.
El disparador no actúa.
El disparador no actúa.
12. Nivel de llenado de una botella: detector capacitivo, porque los líquidos son, en general, dieléctricos y no modificarían el flujo magnético de la bobina de un detector inductivo.
oscilar entre el 90 % y el 110 % de dicha medida: 90 % (150 mm) 135 mm 110 % (150 mm) 165 mm
Tapón de corcho de una botella: si se tratara de un tapón metálico, podría utilizarse un detector inductivo. En cambio, como es de corcho (material dieléctrico), será necesario utilizar un detector capacitivo. Goma de borrar: detector capacitivo, ya que se trata de un material dieléctrico. Tijeras: detector inductivo ya que se trata de un objeto de hierro o acero (material ferromagnético) fácilmente detectable con este tipo de transductores.
El umbral de detección deberá situarse entre 135 mm y 165 mm. 14. Aunque el disparador del sistema de control esté desactivado, la pequeña señal de corriente que suministra el circuito de detección fluye a través de la carga. Esta corriente puede llegar a ser de varios mA y se detecta fácilmente mediante un electropolímetro.
Ir
13. Distancia de detección nominal es la distancia de detección previsible de un detector determinado, teniendo en cuenta las tolerancias en el proceso de fabricación y para unas condiciones dadas de temperatura ambiente y tensión de alimentación. Distancia de detección real es la distancia de detección, medida con el objeto patrón (pieza de hierro de forma cuadrada de 1 mm de espesor y de lado igual al diámetro mínimo de la placa detectora), en la cual el detector actúa en condiciones nominales de temperatura y de tensión. Esta medida debe mantenerse entre el 90 % y el 110 % de la distancia nominal. Distancia de detección útil es la distancia desde la superficie sensora del detector de proximidad hasta el objeto patrón que permite la detección en cualquier circunstancia, independientemente de las variaciones en la temperatura o las fluctuaciones en la tensión de alimentación. Debe mantenerse entre el 90 % y el 110 % de la distancia real. Distancia de detección diferencial es la distancia entre la posición del objeto cuando se aproxima perpendicularmente al actuador y éste comienza a detectarlo, y la posición del objeto cuando se aleja perpendicularmente al detector y éste deja de detectarlo. Si la distancia de detección nominal de un dispositivo es de 150 mm, la distancia real debe
Circuito de detección
Carga
+
Interruptor electrónico
–
15. La impedancia interna de un circuito es la resistencia equivalente global que presenta al paso de una corriente eléctrica, como consecuencia de su propia estructura (resistencias, bobinas y condensadores). El valor de la impedancia Z depende de la resistencia óhmica equivalente de todos los componentes del circuito, R; del coeficiente de autoinducción de las bobinas, L; y de la capacidad equivalente de los condensadores que pueda contener, C. La impedancia se mide en ohmios. 16. El problema fundamental radica en la excesiva longitud del cable de transmisión, que puede provocar pérdidas en la señal. — Si el detector dispone de amplificador interno, puede ajustarse éste para compensar las pérdidas, aunque no se recomienda sobrepasar los 200 m de longitud máxima. — Si el detector no dispone de amplificador y éste va separado, la distancia ha de ser aún menor.
49
17.
V
Diodo semiconductor
19.
Carga S1
Circuito principal
Carga Puente de diodos Circuito principal SCR
Transistor NPN Diodo Zener
Fuente de alimentación (c. a.)
S2 O
— El transistor actúa como un interruptor electrónico que cierra el circuito cuando la señal del detector es suficientemente alta como para polarizarlo. — El diodo Zener impide el paso de corriente en sentido inverso. — La carga absorbe parte de la tensión y evita que el sistema se cortocircuite cuando se conecta con la fuente de alimentación (configuración normalmente cerrada), o cuando se actúe el sistema (configuración normalmente abierta). 18. Las diferencias fundamentales son dos: — De una parte, la disposición de la carga y de los diodos de protección, que es diferente en uno y en otro. — De otra parte, el funcionamiento: el transistor NPN cierra el circuito cuando la señal de detección es capaz de polarizarlo, mientras que el PNP lo abre en las mismas circunstancias.
En los detectores de dos hilos alimentados con corriente alterna, la carga deberá conectarse en serie con la alimentación ya que, en caso contrario, si el detector no dispone de protección contra cortocircuitos, podemos inutilizarlo de forma irreversible. Interiormente el detector funciona con corriente continua, por lo que es necesario rectificar la alimentación de corriente alterna mediante el puente de diodos conectados a la entrada del detector. En este caso, el SCR (rectificador controlado de silicio) es el encargado de actuar como conmutador, en sustitución de los transistores que aparecían en los circuitos anteriores. El SCR o rectificador controlado de silicio es un diodo en el que puede elegirse el momento de la conducción mediante el terminal de puerta G. A
K G
8. Otros transductores. Actuadores Actividades de aplicación (pág. 205) 1. a) La medida de una distancia en m. Transductor ultrasónico o potenciómetro. b) El desplazamiento del plato de una balanza electrónica. Transformador diferencial. c) El espesor de un libro. Medidor láser. d) Las dimensiones de un campo de fútbol. Radar o medidor láser. 2. Para medir la profundidad del agujero pueden utilizarse dos medidores láser como detectores de diferencia de nivel.
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Para ello, hay que situar los dos láser en paralelo: uno emite un haz de luz que incide sobre la superficie exterior de la tapa y el otro lo emite sobre el fondo del agujero. Las salidas de ambos medidores se conectan a un circuito de control y se ajusta la tensión interna de éste (VOFFSET) de modo que sea igual a cero. De este modo, la tensión de la señal de salida, V0, es proporcional a la profundidad del agujero, p. V0 k p
• Los encoders incrementales determinan la posición del eje por el número de impulsos recibidos durante el movimiento de giro.
Para determinar el valor de la constante de proporcionalidad, K, hay que efectuar una medida previa con un agujero patrón de profundidad conocida, p. De este modo:
Los encoders absolutos determinan la posición del eje por la combinación de bits que corresponde al sector en el que se refleja la luz.
V0 K —— p Sustituyendo el valor de K en la expresión anterior y despejando el valor de p, resulta:
• Los encoders incrementales no pueden determinar la posición del eje cuando está parado, sino sólo el giro efectuado.
p V 0 K —— p ⇒ p V0 —— p V 0 3. La salida 0 de un encoder es un dispositivo que emite una señal de paso por origen cada vez que el eje en el que está situado el encoder da una vuelta completa. Contando el número de impulsos emitidos por esta salida 0 puede conocerse el número de vueltas que da el eje.
Los encoders absolutos pueden determinar la posición del eje cuando está parado. 5. Los dos canales de salida de un encoder incremental sólo se utilizan cuando se trata de encoders bidireccionales. La diferencia de fase existente entre ellos permite determinar el sentido de giro: — Si la señal del canal A llega antes que la del B, el encoder gira en un sentido.
Para facilitar el cómputo, es conveniente resetear el contador del encoder, es decir, poner el contador a 0 cada vez que queramos medir el número de impulsos emitidos.
— Si la señal del canal B llega antes que la del A, el encoder gira en sentido contrario. En el caso de encoders unidireccionales, sólo se utiliza uno de los canales, el A, ya que sólo necesitamos contar el número de impulsos.
4. Diferencias anatómicas • El disco de los encoders incrementales dispone de dos series de ranuras denominadas canales. El disco de los encoders absolutos no está ranurado, sino dividido en sectores pintados de blanco o negro, respectivamente. • En los encoders incrementales, los emisores y los receptores se sitúan a ambos lados del disco. En los encoders absolutos, los emisores y los receptores se sitúan en el mismo lado del disco. • Los encoders incrementales disponen de dos emisores y dos receptores. Los encoders absolutos tienen cuatro emisores y cuatro receptores.
6.
Ubicación de dos medidores láser en oposición
Interposición de un objeto patrón de espesor conocido
Activación del dispositivo
Cálculo de la constante de proporcionalidad K
Interposición del paquete de hojas de espesor calculable
Activación del dispositivo
Diferencias funcionales • En los encoders incrementales, los haces de luz atraviesan el disco por los canales practicados en él. En los encoders absolutos, los haces de luz se reflejan en el disco.
Cálculo del espesor del paquete de hojas
7. Un termopar está constituido por dos metales o aleaciones de diferente naturaleza, uni-
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dos mediante soldadura en uno de sus extremos.
Cuando la distancia entre la termorresistencia y el circuito de control es inferior a 5 m, las resistencias de los cables pueden considerarse despreciables frente a R T, por lo cual:
Cada metal posee diferente potencial de oxidación, por lo que en la soldadura se genera una diferencia de potencial (d.d.p.) del orden de unos pocos mV que varía con la temperatura. Esta variación pueden ser detectada y permite controlar los cambios térmicos que se producen en el objeto.
R total RT Sin embargo, cuando la distancia es superior a 5 m, es conveniente incorporar un tercer terminal D, ya que, en este caso, el valor óhmico de la resistencia de los cables puede inducir un error de medida. Para corregirlo, basta restar la resistencia medida entre D y D de la resistencia total, ya que RAB RCD .
8. Cuando se conecta directamente un termopar a un dispositivo controlador de temperatura, siempre se induce un error de medida producido por la temperatura a la que se encuentra el propio controlador, que suele ser la temperatura ambiente.
A t°
Sin embargo, no es frecuente que el controlador se encuentre tan cerca del objeto cuya temperatura se desea medir. Los más normal es que el termopar se conecte al controlador por medio de cables. Si se emplean cables de cobre ordinarios, el error de medida inducido es todavía mayor, ya que hay que descontar la temperatura que toman los cables de cobre al estar en contacto con el termopar. Por esta razón, se utilizan cables compensados, es decir, cables fabricados con un material de las mismas características que el termopar. Así, el único error inducido es el de la temperatura ambiente y el controlador puede situarse a cierta distancia del objeto que se mide. Este tipo de cables se utiliza siempre que el controlador de temperatura de un proceso se encuentra situado en un panel de control centralizado, alejado del lugar donde se desarrolla el proceso, por ejemplo, el control de la temperatura de la cuba de galvanizado en caliente de una planta de cincado. 9. Si la termorresistencia está conectada al circuito de control por medio de un cable de dos hilos, la resistencia total es igual a la suma del valor óhmico de la termorresistencia, RT, más el de los cables de conexión, RAB y RCD. A
B
C
D
t°
R total R T R AB R CD
52
B D’
C
D
En este caso: R total RT RAB RCD (RCD RCD ) R total RT 10.
Vehículo
Sensor
Visualizador
Comparador
Actuador
Regulador
El sensor puede ser una fotocélula que emite un haz de luz que se refleja sobre la superficie del coche. La señal recibida es enviada al comparador, que se encarga de compararla con un valor de referencia estándar previamente determinado (el color del coche que se desea obtener). Si la señal recibida está dentro de los límites de tolerancia, el comparador no interviene. Si la señal recibida no corresponde con el color predeterminado, el comparador envía una señal de alarma al regulador, que la amplifica y la ajusta a las necesidades del sistema. La señal amplificada por el regulador es enviada al actuador, que se encarga de intervenir en el proceso. En este caso puede ser desde la simple detención de la cadena de montaje has-
ta la activación de un dispositivo complejo que separe el coche incorrecto de la línea y lo reenvíe a la sección de pintura. Si interesa visualizar el resultado, puede incorporarse un visualizador que traduzca la señal del sensor y la interprete en términos de color o en cualquier otro código predeterminado.
11. El actuador más adecuado para abrir una puerta un ángulo de 75° es un motor paso a paso conectado con un encoder provisto de contador. El encoder cuenta el número de impulsos necesarios para girar la puerta y envía estos impulsos al motor paso a paso para que la abra.
9. Estructura de un sistema automático Actividades de aplicación (pág. 231) 1. Distinguiremos entre variables internas del sistema y variables de entrada a éste. Las variables internas pueden ser, a su vez, variables de estado y variables de salida. • Las variables de estado son la carga Q de la bobina y el valor óhmico R de la resistencia, ya que se trata de valores anteriores al inicio del funcionamiento del sistema. • Las variables de salida son la tensión aplicada a la bobina, VL, la tensión aplicada a la resistencia, VR, y la intensidad I de la corriente que circula por el circuito, ya que se trata de variables que pueden ser medidas. Las variables de entrada pueden ser, a su vez, variables de control y perturbaciones. • La variable de control, en este caso, es la tensión V aplicada, que no depende de las variables internas del sistema y que puede ser modificada a voluntad. • Las perturbaciones serán cualquier variación imprevista de la tensión o modificaciones en la temperatura, que pueden provocar cambios de comportamiento del sistema. 2. Como puede apreciarse, se trata de un sistema de control con realimentación positiva, ya que la señal realimentada, u 1, se suma a la señal de entrada, u, para dar la señal . En este sistema, G es la función de transferencia sin realimentación y H es la función de transferencia de lazo de realimentación positivo. La señal inicial de salida no realimentada, y, depende de la de entrada, u, según la función de transferencia G: y Gu
Si muestreamos la salida del sistema, la señal de salida del bloque muestra, u1, dependerá de y, según la función de transferencia H: u1 H y Al sumar la señal realimentada, u1, a la señal inicial, u, se obtendrá una nueva señal, : u u1 u H y En consecuencia, la señal de salida del sistema dependerá ahora de la nueva señal, , según la función de transferencia G: y G G (u H y) G u G H y A partir de la expresión anterior, podemos oby tener el cociente — en función de G y H, tal y u como habíamos previsto en un principio: y G Hy Gu y (1 G H) G u G y — ———— u 1 GH 3. El regulador es el elemento que nos permite modificar o ajustar los parámetros del sistema de control, una vez conocidos el proceso y los demás elementos. Mediante este dispositivo puede obtenerse la función de transferencia adecuada a cada necesidad. Los reguladores permiten mejorar las respuestas del sistema, tanto en el régimen transitorio (período que abarca desde el momento en que se da la orden de referencia hasta que el sistema responde y alcanza la respuesta deseada) como en el permanente (período en el que el sistema debe mantener la respuesta alcanzada y solucionar los problemas de perturbaciones o de otro tipo que puedan presentarse).
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4. El regulador proporcional permite una acción de control de modo que la variable de salida es proporcional a la desviación del sistema con respecto al punto de referencia, dentro de la banda proporcional, que viene determinada por dos valores, por encima y por debajo del punto de referencia, entre los cuales puede moverse la variable que estamos controlando. Magnitud Punto de referencia
Banda proporcional
t Salida % 100
50
0
t
Tan pronto como el valor de la magnitud se encuentra dentro de la banda proporcional, la salida disminuye de forma progresiva y proporcional a la desviación: cuando se alcanza el punto de referencia, la salida se reduce al 50 % y sigue disminuyendo hasta que se alcance el límite superior de la banda proporcional. En ese momento, la potencia debe ser 0. Las ventajas de esta reducción de la señal de salida son dos: — Por una parte, se disminuye progresivamente la oscilación de la variable en torno al valor de referencia y se consigue minimizar el OFFSET. — Por otra, la reducción progresiva de potencia aportada a medida que el valor de la variable se aproxima al de referencia supone un importante ahorro energético. 5. En un regulador proporcional P, la disminución de la ganancia supone que el sistema reacciona más lentamente y la variable tarda más tiempo en alcanzar el valor de referencia. En este sentido decimos que empeora el régimen transitorio. Pero, por otra parte, la propia lentitud de respuesta del sistema determina que su inercia
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sea menor y, en consecuencia, la señal oscila menos en torno al valor de referencia y se estabiliza antes. En este sentido decimos que se mejora el régimen permanente. 6. La banda proporcional es el rango de valores que puede adoptar la variable, y cuyos límites se encuentran por encima y por debajo del valor de referencia. Sus límites determinan el aporte de potencia. La banda proporcional de un regulador P debe ser relativamente estrecha, aunque no demasiado. — Si la banda es muy ancha, el aporte de potencia comenzará a disminuir mucho antes de que la variable se aproxime al valor de referencia. En consecuencia, se corre el riesgo de que no llegue a alcanzarlo nunca y el OFFSET sea mayor del previsto. — Si la banda es demasiado estrecha, la señal oscilará mucho en torno al valor de referencia y el sistema puede llegar a no estabilizarse nunca. 7. Se denomina OFFSET a la diferencia entre el valor de referencia marcado por el sistema de control y el valor real que alcanza la variable una vez estabilizado el sistema. 8. Los reguladores derivativos PD ajustan la señal de salida de forma proporcional a la velocidad de los cambios de la magnitud que se controla. Por este motivo, actúa en el régimen transitorio y sólo lo hace en el régimen permanente cuando se produce una oscilación brusca de la señal. En efecto, en el régimen transitorio, el valor de la magnitud controlada varía de forma constante y progresiva. Puesto que la velocidad se define como la derivada del valor en función del tiempo, el regulador PD interviene y mejora la respuesta del sistema. En cambio, en el régimen permanente, una vez el sistema se ha estabilizado, la velocidad de cambio es prácticamente nula y el regulador PD no actúa. Pero si se produce una perturbación y el valor de la magnitud cambia bruscamente (velocidad de cambio no nula), el regulador responderá y tratará de estabilizar de nuevo el sistema.
9. Los reguladores PD pueden eliminar el OFFSET cuando la perturbación que se produce en el sistema es puntual. Sin embargo, no consiguen eliminarlo si se trata de una perturbación permanente.
La utilización de reguladores PID supone algunas ventajas sobre los P, PD o PI.
La razón es simple: como el regulador derivativo sólo actúa en caso de cambios en el valor de la magnitud, un cambio puntual se interpreta como una variación de velocidad y permite actuar al regulador, pero un cambio permanente puede llegar a interpretarse en términos de valor estabilizado y el regulador no actúa.
— Los reguladores PD mejoran aún más el régimen transitorio y corrigen algunas perturbaciones puntuales en el régimen permanente, pero no pueden ajustar el valor de la variable al de referencia.
10. Como consecuencia de lo indicado en la actividad anterior, la única forma de conseguir que la magnitud se sitúe de nuevo en el valor de referencia, en caso de OFFSET no corregido, es la función manual de reinicio (reset) que poseen algunos reguladores PD. Al activarla, el regulador interpreta que ha de comenzar de nuevo el proceso de aproximación del valor de la magnitud al de referencia, independientemente de su situación concreta. De este modo, se corrige manualmente tanto el OFFSET, que se produce como consecuencia del funcionamiento normal, como el provocado por una perturbación. 11. Los reguladores PI incorporan una acción integral que permite mejorar exclusivamente el régimen permanente. De este modo, se corrige automáticamente el OFFSET y se ajusta el valor de la variable al punto de referencia. 12. El regulador PID combina simultáneamente la acción proporcional, la derivativa y la integral. Por este motivo, puede efectuar un control óptimo de cualquier proceso.
— Los reguladores P son capaces de mejorar el régimen transitorio, pero a costa de empeorar el régimen permanente.
— Los reguladores PI mejoran el régimen permanente, pero, no actúan sobre el transitorio. — Sólo los reguladores PID, al incorporar todas las funciones de los anteriores, son capaces de garantizar la regulación del sistema de control tanto en el régimen transitorio como en el permanente y corregir automáticamente las desviaciones provocadas por perturbaciones, tanto puntuales como permanentes. 13. El control todo/nada activa y desactiva rápidamente el sistema controlado cuando éste se aleja o alcanza, respectivamente, el punto de referencia. En consecuencia, la señal oscilará de forma permanente: cuando se activa el sistema, la señal aumenta de valor, y cuando se desactiva, la señal disminuye. Magnitud
t Potencia
— La acción proporcional (P) permite realizar el control reduciendo las oscilaciones del régimen transitorio. — La acción derivativa (D) actúa rápidamente para corregir los cambios que se producen en la magnitud controlada durante el régimen permanente como consecuencia de una perturbación externa. — La acción integral (I) corrige automáticamente el OFFSET y ajusta el valor de la variable al punto de referencia.
t
14. Si utilizamos un control todo/nada, la variable oscilará en torno al punto de referencia. Por lo tanto, para garantizar que el material se mantenga en un valor determinado, el punto de referencia deberá situarse por encima de este valor, lo que supone un mayor consumo energético.
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Por el contrario, el uso de un regulador PID permitirá situar el punto de referencia en el valor que se desea alcanzar, ya que este dispositivo es capaz de ajustar automáticamente el OFFSET y situar la señal prácticamente sobre el valor de referencia. Temperatura
16. Cuando se controlan cargas inductivas, tales como motores, los contactos de relé internos están sometidos a picos de corriente relativamente de larga duración que provocan deposición de metal en los contactos. Control todo/nada Control proporcional t
Potencia
100 %
15. Muchos de los controladores comerciales incorporan un relé a su salida para que éste actúe directamente sobre el proceso. La acción del relé puede ser directa o a través de algún elemento interpuesto. En este caso, lo más habitual es que el relé abra o cierre un circuito eléctrico.
Por ello, es recomendable la utilización de un circuito de protección de relé interno que permita suprimir el ruido eléctrico y evitar la deposición de carbonilla en sus contactos. Los circuitos de protección más comunes son por resistencia/condensador, por diodo y por varistor. El funcionamiento de un circuito que dispone de un relé protegido por resistencia/condensador se muestra en la figura siguiente:
Control todo/nada
50 %
Control proporcional
C Alimentación
0
t
Si utilizamos un control todo/nada, durante la fase de arranque, y hasta que el material alcance el valor de referencia, el aporte de potencia será del cien por cien. En cambio, la utilización de un regulador proporcional reduce progresivamente el aporte de potencia una vez que la señal ha alcanzado el nivel inferior de la banda proporcional. Temperatura
Carga
R
— Cuando el contacto del relé interno está cerrado, la carga inductiva de la bobina almacena una cierta cantidad de energía eléctrica. — Cuando el contacto se abre, la energía almacenada en la bobina se descarga por el condensador C, con lo que se evita que afecte al contacto del relé. — La resistencia R limita la corriente aplicada cuando se cierra nuevamente el contacto.
Control todo/nada
Este circuito es efectivo si se conecta a través de la carga cuando la alimentación es de 24 a 48 V. Cuando la alimentación es de 100 a 240 V, es conveniente conectar el circuito a través de los contactos.
>200°C
200°C
Control proporcional C Alimentación t
56
R Carga
El circuito de protección por diodo consiste en conectar un diodo en paralelo con la bobina, tal y como se indica en la figura siguiente:
D
Alimentación
Carga
Su funcionamiento es el siguiente: — Cuando el contacto del relé interno está cerrado, la carga inductiva de la bobina almacena una cierta cantidad de energía eléctrica. — Cuando el contacto se abre, la energía almacenada en la bobina se descarga por el diodo conectado en derivación, y es disipada por efecto Joule en la resistencia de la carga inductiva.
17. Se trata de un circuito de protección de un relé por resistencia/condensador. Para que funcione correctamente es necesario incorporar una resistencia óhmica R conectada en serie con el condensador, que absorba parte de la tensión y proteja el condensador de sobrecargas. Sin resistencia de protección, el condensador puede perforarse y dejar de funcionar. 18. De acuerdo con lo descrito en el ejemplo 4, el sistema de control consiste en disponer dos detectores de nivel por encima y por debajo del nivel de referencia, h 0: q4 q1
x4 q2 h0 x3 q2
Los varistores son resistencias dependientes de la tensión (VDR), es decir, elementos cuyo valor óhmico aumenta conforme se incrementa la tensión que se les aplica. De este modo, la señal de salida puede ser constante aunque varíe la tensión. Este circuito previene la aplicación de picos de tensión a los contactos, utilizando la característica de tensión constante de un varistor. Este sistema de protección aumenta también el tiempo de reposición y es efectivo si se conecta a través de la carga cuando la alimentación es de 24 a 48 V. Cuando la alimentación es de 100 a 240 V, es conveniente conectar la VDR a través de los contactos.
VDR
Alimentación
Alimentación
Carga
Si utilizamos un control todo/nada, el sistema funcionará del modo siguiente: — La válvula de entrada X 4 aporta agua con un caudal fijo. El nivel del depósito comienza a ascender. — Cuando el nivel alcanza la cota del detector superior, éste envía una señal al sistema de control, el cual cierra la válvula de entrada X 4 y abre la de salida, X 3, que provoca el vaciado del depósito con un caudal también constante. El nivel del depósito comienza a descender. — Cuando, en su descenso, el nivel alcanza la cota del detector inferior, la señal que emite éste es captada por el sistema de control, el cual invierte el proceso: cierra la válvula de salida, X 3, y abre de nuevo la de entrada, X 4. El nivel del depósito vuelve a ascender de nuevo. Este proceso se repetirá indefinidamente, de modo que el nivel de agua nunca llegará a estabilizarse y oscilará constantemente entre las cotas del detector superior y del detector inferior.
VDR
Carga
Si se produce una perturbación, el sistema no modificará su comportamiento y la variable seguirá oscilando indefinidamente.
57
Si incorporamos un regulador PID al circuito de control, hará falta incorporar un tercer detector de nivel, que se situará justo en la altura de referencia h 0. En este caso, el sistema funcionará del modo siguiente: — Durante el régimen transitorio (es decir, mientras se produce el llenado inicial del depósito), el regulador activará al máximo el funcionamiento de la válvula de entrada, X 4. — Cuando el nivel alcance la cota del detector inferior (margen inferior de la banda proporcional), el regulador reducirá progresivamente el aporte de agua de la válvula de entrada, X 4. — Cuando se alcanza el nivel de referencia, el regulador reduce aún más el aporte de la válvula X 4 y abre un poco la válvula X 3,
de modo que la salida contrarreste el aporte de agua. — Si se llega a alcanzar la cota del detector superior, el regulador cierra totalmente la válvula X 4 y abre más la válvula X 3, para que se provoque el descenso del nivel del depósito. En estas condiciones, el nivel oscilará hasta que se equilibre el aporte de la válvula X 4 y la extracción de la válvula X 3, momento en el que se alcanzará el régimen permanente. Si se produce una perturbación, el regulador reaccionará abriendo o cerrando las válvulas de modo que se corrija automáticamente la causa que produce el desequilibrio y se restablezca el régimen permanente.
10. Circuitos neumáticos Mando básico de cilindros (pág. 253) 1. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto y una válvula 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte.
2. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto y una válvula 5/2 con mando por pulsador y retorno por resorte.
4 4
5 3
58
2
2
1
1
3
— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso.
— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso.
— Cuando se oprime el pulsador, la válvula 4/2 cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance.
— Cuando se oprime el pulsador, la válvula 5/2 cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance.
— Al dejar de oprimir el pulsador, el muelle de retorno hace que la válvula 4/2 vuelva a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso.
— Al dejar de oprimir el pulsador, el muelle de retorno hace que la válvula 5/2 vuelva a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso.
3. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto y una electroválvula con retorno por resorte y mando conectado a red.
4
5
El aire que llega a ésta, la obliga a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. — Cuando dejamos de oprimir el pulsador de la microválvula 3/2, su muelle de retorno hace que vuelva a cambiar su posición de trabajo: el aire ya no llega al órgano de mando de la válvula 5/2.
2
1
bajo y permite el paso de aire hasta el órgano de mando de la válvula 5/2.
3
— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso. — Cuando se oprime el pulsador eléctrico, la electroválvula cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. — Al dejar de oprimir el pulsador eléctrico, el muelle de retorno hace que la electroválvula vuelva a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso.
Como consecuencia, el muelle de retorno de la válvula 5/2 hace que ésta vuelva a variar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso. 5. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 5/2 con mando y retorno neumáticos, y dos microválvulas 3/2 con mando por pulsador y retorno por resorte.
4
4. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 5/2 con mando neumático y retorno por resorte, y una microválvula 3/2 con mando por pulsador y retorno por resorte.
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3
5
2
3
1
1
— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso. 4
2
2 5 3
3
1
1
— En posición de reposo, la microválvula 3/2 impide el paso de aire al órgano de mando neumático de la válvula 5/2. La posición de trabajo de ésta permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2, ésta cambia su posición de tra-
— Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2 de mando, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aire hasta el órgano de mando de la válvula 5/2. El aire que llega a ésta, la obliga a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. Cuando dejamos de oprimir el pulsador de la microválvula 3/2 de mando, su muelle de retorno hace que vuelva a cambiar su posición de trabajo, de modo que el aire ya no llega al órgano de mando de la válvula 5/2. Sin embargo, no hay cambio en la posición de trabajo de la válvula 5/2.
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— Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2 de retorno, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aire hasta el órgano de retorno de la válvula 5/2. El aire que llega a ésta, la obliga a cambiar de nuevo su posición de trabajo: el aire penetra ahora en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso. Cuando dejamos de oprimir el pulsador de la microválvula 3/2 de retorno, el muelle de retorno de ésta hace que vuelva a cambiar su posición de trabajo. El aire no llega al órgano de retorno, pero no se produce la carrera de avance sino que se vuelve a la situación inicial.
Cuando dejamos de oprimir este pulsador, no se aprecia cambio en la posición de trabajo de la válvula y regresa a la situación inicial. 7. El circuito neumático está formado por un cilindro de simple efecto, cuatro válvulas 3/2 NC con mando mecánico y retorno por resorte, y tres válvulas selectoras de circuito.
1
2
3
4
Mando desde diferentes puntos (pág. 254) 6. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto y una electroválvula 4/2 con mando y retorno eléctricos.
1
2
— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso. — Cuando se oprime el pulsador eléctrico 1, que activa el mando de la electroválvula, ésta cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. Al dejar de oprimir este pulsador, no se aprecia cambio en la posición de trabajo de la válvula. — Cuando se oprime el pulsador eléctrico 2, que activa el retorno de la electroválvula, ésta cambia de nuevo su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara anterior del cilindro y se produce la carrera de retroceso.
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— En posición de reposo, la entrada de aire al cilindro está bloqueada por las cuatro válvulas, por lo que el muelle de retorno del cilindro mantiene el émbolo en la posición máxima de retroceso. — Cuando se oprime el pulsador de la válvula 1, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso del aire. Al llegar éste a la primera válvula selectora, desplaza el pistón para que bloquee el circuito de la válvula 2 y prosigue su camino. En la siguiente válvula selectora, desplaza el pistón de ésta para bloquear los circuitos de las válvulas 3 y 4 y llega al cilindro. El aire penetra en la cámara posterior y se produce la carrera de avance. Al dejar de oprimir el pulsador de la válvula 1, su muelle de retorno hace que ésta vuelva a cambiar su posición de trabajo y permita la salida del aire. El muelle de retorno del cilindro obliga al aire a salir por el mismo camino por el que entró (las válvulas selectoras permanecen en la misma posición en que se quedaron cuando entró el aire) y se produce la carrera de retroceso. — Si oprimimos el pulsador de la válvula 2, se repite el proceso anterior, sólo que esta vez, el pistón de la primera válvula selectora cambiará su posición para bloquear el circuito de la válvula 1. Se produce la carrera de avance. Al dejar de oprimir el pulsador de la válvula 2, se repite también el proceso anterior,
sólo que esta vez el aire saldrá por la válvula 2. Se produce la carrera de retroceso. — Si accionamos el pedal de la válvula 3, se produce un proceso similar: el aire que entra desplaza primero el pistón de la primera válvula selectora para que bloquee el circuito de la válvula 4, y después, el de la siguiente, de modo que bloquee los circuitos de las válvulas 1 y 2. De nuevo se produce la carrera de avance. En el momento en que dejamos de actuar sobre el pedal, se produce la carrera de retroceso siguiendo un proceso similar a los descritos. — Si actuamos sobre la roldana de la válvula 4, el avance y el retroceso seguirán el mismo procedimiento descrito. El aire desplazará los pistones de las válvulas selectoras para bloquear los restantes circuitos.
La velocidad de esta carrera se limita por medio de una válvula reguladora de caudal, ya que el antirretorno obliga al aire de entrada a circular por la vía en la que se encuentra el tornillo de regulación. El aire contenido en la cámara anterior sale libremente a través del antirretorno de la otra válvula selectora. — Cuando dejamos de oprimir el pulsador, el muelle de retorno cambia de nuevo la posición de trabajo de la válvula y el aire penetra otra vez en la cámara anterior provocando la carrera de retroceso. La velocidad de esta carrera también se limita por medio de otra válvula reguladora de caudal, que funciona de modo idéntico a la anterior. El aire contenido en la cámara anterior sale ahora libremente a través del antirretorno de la primera válvula selectora.
Regulación de la velocidad (pág. 255) 8. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte, y dos válvulas reguladoras de caudal.
9. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una electroválvula 5/2 con mando conectado a red y retorno por resorte, y una válvula reguladora de caudal.
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2
5 1 3
4
3
2
1
— En posición de reposo, la válvula 4/2 permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se mantiene en la posición máxima de retroceso. — Al oprimir el pulsador, la válvula 4/2 cambia su posición de trabajo y permite el paso del aire, que circula libremente hacia la cámara posterior provocando la carrera de avance.
— En posición de reposo, la válvula 4/2 permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se mantiene en la posición máxima de retroceso. — Al oprimir el pulsador eléctrico, la electroválvula cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. Aunque la entrada de aire se lleva a cabo libremente, la velocidad de la carrera de avance viene limitada por la válvula reguladora de caudal, ya que el antirretorno obliga al aire que sale a circular por la vía en la que se encuentra el tornillo de regulación.
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— Cuando dejamos de oprimir el pulsador eléctrico, el muelle de retorno de la electroválvula cambia de nuevo la posición de trabajo de ésta y el aire penetra en la cámara anterior provocando la carrera de retroceso. La velocidad de esta carrera no está limitada, pues el aire de entrada puede fluir libremente a través del antirretorno de la válvula reguladora de caudal y el de salida no encuentra ningún obstáculo. 10. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 5/2 con mando por pulsador y retorno por resorte, y una válvula de escape rápido.
4
5
11. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando y retorno neumáticos, una microválvula 3/2 con mando por pulsador y retorno por resorte, otra microválvula 3/2 con mando neumático y retorno por resorte, y una válvula reguladora de presión.
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3
— En posición de reposo, la válvula 5/2 permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se mantiene en la posición máxima de retroceso. — Al oprimir el pulsador, la válvula 5/2 cambia su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se origina la carrera de avance. El aire procedente de la cámara anterior desplaza la membrana de la válvula de escape rápido y sale directamente a la atmósfera sin pasar por la válvula 5/2. De este modo se consigue aumentar la velocidad de desplazamiento del vástago en la carrera de avance. — Cuando dejamos de oprimir el pulsador, el muelle de retorno de la válvula 5/2 cambia de nuevo la posición de trabajo de ésta y el aire penetra en la cámara anterior a través de la válvula de escape rápido, provocando la carrera de retroceso. El aire procedente de la cámara posterior escapa hacia el circuito a través de la válvula 5/2.
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Control de la fuerza del vástago (pág. 256)
— En posición de reposo, la válvula 4/2 permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se mantiene en la posición máxima de retroceso. — Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2 de mando, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aire hasta el órgano de mando de la válvula 4/2. El aire que llega a ésta, la obliga a cambiar su posición de trabajo: el aire penetra en la cámara posterior del cilindro y se produce la carrera de avance. Sin embargo, la presión que ejercerá el aire sobre el émbolo dependerá de la presión a la que se haya calibrado la válvula reguladora: cuanto mayor sea la presión umbral, menor será la fuerza ejercida por el vástago. Al dejar de oprimir el pulsador de la microválvula 3/2 de mando, su muelle de retorno hace que vuelva a cambiar su posición de trabajo, de modo que el aire ya no llega al órgano de mando de la válvula 4/2. Sin embargo, no hay cambio en la posición de trabajo de esta válvula. — Cuando el émbolo llega al extremo de su carrera, la válvula reguladora de presión envía una señal neumática al órgano de mando de la otra microválvula 3/2, obligán-
dola a cambiar su posición de trabajo y permitiendo el paso de aire hasta el órgano de retorno de la válvula 4/2. Ésta vuelve a cambiar su posición de trabajo y permite que el aire penetre en la cámara anterior del cilindro, provocando la carrera de retroceso. Una vez cesa la señal neumática, el muelle de retorno obliga a esta segunda microválvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo y el sistema retorna a la posición inicial.
— El retroceso continúa hasta que se activa el microrruptor de final de carrera de retroceso, momento en el cual la señal eléctrica invierte de nuevo el proceso y se vuelve a producir la carrera de avance. — Los sucesivos avances y retrocesos del vástago continúan ininterrumpidamente mientras se mantenga cerrado el circuito. — Cuando se abre, el muelle de retorno de la electroválvula 2/2 cambia la posición de trabajo de ésta, de modo que se impida la fluencia del aire hasta el circuito. En ese momento, el cilindro detiene su movimiento.
Control de la carrera (pág. 257) 12. El circuito neumático está formado por un cilindro de doble efecto, una electroválvula 4/2, dos microrruptores eléctricos que actúan de finales de carrera y una electroválvula 2/2 con retorno por resorte.
Actividades de aplicación (pág. 261) 13. Los parámetros que caracterizan un cilindro neumático son: la fuerza ejercida por el vástago, la carrera o recorrido, el consumo de aire, la velocidad de accionamiento y la amortiguación. La fuerza ejercida por el vástago depende de que el cilindro sea de simple efecto o de doble efecto. — En los cilindros de simple efecto sólo se efectúa trabajo útil durante la carrera de avance. La fuerza efectiva, Fe , viene dada por la expresión:
D2 Fe P ——— E 4 — En posición de reposo, la electroválvula 4/2 permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro y el émbolo se mantiene en la posición máxima de retroceso. — Cuando se cierra el circuito, la microválvula 2/2 de mando cambia su posición de trabajo y permite el paso de aire. Al mismo tiempo, la electroválvula 4/2 también cambia su posición de trabajo y envía el aire hasta la cámara posterior del cilindro, provocando la carrera de avance. — El avance continúa hasta que se activa el microrruptor de final de carrera de avance. La señal eléctrica activa el retorno de la electroválvula 4/2, que cambia su posición de trabajo y envía el aire hasta la cámara posterior del cilindro, provocando la carrera de retroceso.
donde es el rendimiento del cilindro; P, la presión del aire (en Pa); D, el diámetro del émbolo (en m); y E, la resistencia que opone el resorte al desplazamiento del émbolo (en N). — En los cilindros de doble efecto se lleva a cabo trabajo útil tanto en la carrera de avance como en la de retroceso. La fuerza efectiva de avance, Fea, viene dada por la expresión: D2 Fea P ——— 4 donde es el rendimiento del cilindro; P, la presión del aire (en Pa); y D, el diámetro del émbolo (en m). Para calcular la fuerza efectiva de retroceso, Fer , hay que deducir la superficie que
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ocupa el vástago de la superficie total del émbolo. Por tanto: (D 2 d 2) Fer P —————— 4 donde es el rendimiento del cilindro; P, la presión del aire (en Pa); D, el diámetro del émbolo (en m); y d, el del vástago (también en m). La carrera o recorrido del émbolo es la distancia que se desplaza éste por el interior del cilindro por la acción del aire comprimido. Generalmente coincide con el desplazamiento del vástago. El consumo de aire es el volumen de aire comprimido que absorbe el cilindro en su movimiento. Como en el caso de la fuerza ejercida por el vástago, este consumo depende de que el cilindro sea de simple efecto o de doble efecto. — En el caso de un cilindro de simple efecto, el movimiento se limita a la carrera de avance. El volumen V de aire viene dado por la expresión: D2 V S e ——— e 4 donde D es el diámetro del émbolo (en m) y e, su recorrido (también en m). — En el caso de un cilindro de doble efecto, hemos de considerar la carrera de avance y la de retroceso. Por tanto, el volumen total será la suma de los volúmenes empleados en cada uno de los movimientos. En el avance:
D2 Va ——— e 4
En el retroceso:
(D 2 d 2) Va —————— e 4
El volumen total de aire empleado será: D2 (D 2 d 2) VT Va Vr ——— e —————— e 4 4 (2 D 2 d 2) VT —————— e 4 donde D es el diámetro del émbolo (en m); d, el del vástago (en m) y e, el recorrido (también en m).
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La velocidad de accionamiento es la velocidad de desplazamiento del émbolo en el interior del cilindro. Esta velocidad depende de muchos factores, entre los que podemos citar la presión P del aire, el diámetro D del émbolo, la sección de los orificios o aberturas de entrada y salida del aire, el caudal de aire C y las fuerzas de rozamiento. La amortiguación consiste en reducir la velocidad del émbolo cuando efectúa la parte final de las carreras de avance o de retroceso. Esta reducción de velocidad se lleva a cabo normalmente de dos formas: mediante amortiguación elástica o mecánica y por medio de amortiguación neumática. — La amortiguación elástica o mecánica consiste en colocar anillos de material elástico en el interior de los fondos del cilindro y que actúan como topes. De este modo, se evita el choque brusco y se absorbe la pequeña energía cinética del conjunto móvil. Esta forma de amortiguación se utiliza en pequeños cilindros que soportan golpeteos o choques relativamente ligeros. — La amortiguación neumática consiste en aprovechar el aire residual que permanece en la cámara opuesta al desplazamiento para que actúe de cojín amortiguador. Mientras el cilindro se desplaza en las carreras de avance o de retroceso, el aire de la cámara opuesta escapa por el orificio de salida. Momentos antes de alcanzar el final de la carrera, se disminuye la sección del orificio que permite el escape del aire, con lo cual queda una pequeña cantidad confinada que frena el avance del émbolo. Este tipo de amortiguación es la más utilizada para cilindros que ponen en juego energías cinéticas elevadas. 14. Datos: D 50 mm 0,05 m d 20 mm 0,02 m P 8 bar 8 10 5 Pa 90 % 0,9 Aplicamos directamente las fórmulas que permiten calcular la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso: D2 Fea P ——— 4
3,14 (0,05 m)2 Fea 0,9 (8 10 5 Pa) ———————— 4 1 413 N
D
√
48 N 4 —— 7,8 N 0,8 —————————— 0,012 m 3,14 (6 10 5 Pa) 12 mm
(D 2 d 2) Fer P —————— 4
El diámetro del émbolo ha de ser de 12 mm.
Fer 0,9 (8 10 5 Pa) 3,14 (0,05 m)2 (0,02 m)2 ——————————————— 1187 N 4
17. a) Electroválvula 3/2 NC con retorno por resorte. b) Válvula 3/2 NA con mando manual y retorno por resorte.
La fuerza efectiva de avance es de 1 413 N y la de retroceso, de 1187 N.
c) Válvula 4/2 con mando por palanca y retorno neumático.
15. Datos: D 50 mm 0,05 m d 20 mm 0,02 m e 80 mm 0,08 m
d) Válvula 5/2 con mando por pedal y retorno por resorte.
El volumen de aire que consume el cilindro en cada ciclo se obtiene aplicando la expresión:
18. a)
b )
c)
d )
(D 2 d 2) VT —————— e 4 3,14 (0,05 m)2 (0,02 m)2 VT ——————————————— 0,08 4 m3 2,89 104 ——— ciclo Si el cilindro efectúa 20 ciclos por minuto, el caudal de aire utilizado será:
19. La electroválvula es una válvula neumática que puede ser pilotada eléctricamente, tanto en el mando como en el retorno.
ciclos L m3 C 2,89 104 ——— 20 ——— 10 3 —— ciclo min m3
Estas válvulas disponen de electroimanes capaces de modificar la posición de la corredera y abrir o cerrar alternativamente los orificios o vías por las que circula el aire.
L 5,78 —— min
Cuando el circuito del electroimán se cierra, la corriente eléctrica genera la aparición de un campo magnético que atrae la corredera modificando su posición y cambiando la posición de trabajo de la válvula.
El cilindro consume 5,78 L/min de aire. 16. Datos: Fe 48 N E 7,8 N P 6 bar 6 10 5 Pa 80 % 0,8
20.
A partir de la expresión de la fuerza efectiva de un cilindro de simple efecto, despejamos D: D2 Fe P ——— E ⇒ 4
⇒ D
√
F3 4 —— E ——————— P
sentido permitido
Una válvula antirretorno es un elemento neumático que permite la circulación del aire en un determinado sentido, pero bloquea su circulación en el contrario.
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Cuando la válvula se inserta en el circuito en una determinada posición, la circulación del aire es perfectamente posible en un solo sentido, siempre que la presión venza la acción del muelle y obligue a desplazarse al asiento cónico que posee en su interior. Sin embargo, en sentido contrario, la circulación es imposible porque el asiento cónico bloquea la vía de salida. 21.
T
Antirretorno
A B
Una válvula reguladora de caudal unidireccional se encarga de controlar el caudal de aire que pasa por una conducción en un solo sentido de circulación. Cuando el aire penetra por el orificio de entrada, A, su caudal puede ser regulado mediante el tornillo, T, que permite aumentar o disminuir la sección del orificio de salida. El antirretorno que existe en su interior obliga al aire a circular por la vía que permite su regulación. Cuando el aire penetra por el orificio, B, puede salir perfectamente por A a través del antirretorno, con lo que su caudal no podrá ser regulado por medio del tornillo T. 22.
T
La única diferencia entre ésta y la anterior radica en que no posee antirretorno, de modo que el aire siempre circula por el mismo conducto. 23. Los detectores neumáticos que detectan la presencia de un objeto se denominan captadores de posición. En este grupo podemos distinguir dos tipos: los que funcionan por contacto y los que lo hacen por proximidad. — Entre los que funcionan por contacto, los más conocidos son las microválvulas neumáticas y los microrruptores eléctricos. — Entre los que funcionan por proximidad se encuentran los detectores de paso y los detectores de proximidad. Detector
Símbolo
Microválvula neumática Principio de funcionamiento
Captador de posición por contacto, porque para su accionamiento necesita del contacto físico del objeto que, en este caso, es el vástago del cilindro. Aplicaciones
Como finales de carrera, permiten gobernar las válvulas distribuidoras.
Detector
Símbolo
Microrruptor eléctrico
B
A
Una válvula reguladora de caudal bidireccional se encarga de controlar el caudal de aire que pasa por una conducción en los dos sentidos de circulación. Como el aire pasa obligatoriamente por la vía en la que se encuentra el tornillo T, tanto si cir-
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cula de A hacia B como si lo hace de B hacia A, su caudal puede ser regulado mediante el citado tornillo.
Principio de funcionamiento
Captador de posición por contacto, porque para emitir la señal eléctrica necesita del contacto físico del objeto que, en este caso, es el vástago del cilindro. Aplicaciones
Como finales de carrera, permiten gobernar las electroválvulas distribuidoras.
Detector
Símbolo
25.
Detector de paso
Principio de funcionamiento
Captador de posición sin contacto físico. Consta de un emisor, que emite aire a baja presión, y un receptor. Cuando un objeto se interpone, el receptor deja de recibir aire y emite una señal neumática. Aplicaciones
Se utilizan para detectar la presencia o la ausencia de una determinada pieza u objeto en la zona de influencia del detector.
Detector
Símbolo
26. El esquema representa el pilotaje de un cilindro de doble efecto por medio de una válvula distribuidora 4/2 con mando y retorno neumáticos. La maniobra se inicia desde una microválvula 3/2 con mando por pulsador y retorno por resorte. El movimiento de avance y retroceso del vástago está regulado por medio de dos microválvulas que actúan como finales de carrera. La velocidad de avance se regula por medio de una válvula reguladora de caudal unidireccional.
Detector de proximidad
Principio de funcionamiento
Captador de posición sin contacto físico. El emisor y el receptor se integran en un mismo cuerpo. Cuando un objeto se interpone, la reflexión del aire que proyecta el emisor sobre él es captada por el receptor, que emite una señal neumática.
Al oprimir el pulsador de la microválvula, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la válvula que actúa de final de carrera de retroceso. Ésta, a su vez, actúa sobre la válvula distribuidora, que cambia su posición de trabajo y se provoca la carrera de avance, cuya velocidad viene regulada por la válvula reguladora de caudal.
Aplicaciones
Se utilizan para detectar la presencia o la ausencia de una determinada pieza u objeto en la zona de influencia del detector.
24. Las microválvulas y las válvulas distribuidoras funcionan esencialmente del mismo modo. La diferencia radica en que las primeras se utilizan como órgano de gobierno de las segundas, cuando éstas tienen el mando o el retorno neumáticos.
Cuando el vástago llega al extremo, se activa la válvula de final de carrera, la cual invierte la posición de trabajo de la válvula distribuidora y se produce la carrera de retroceso, cuya velocidad no está regulada. 27.
Los presostatos y las electroválvulas funcionan de modo inverso: — El presostato recibe una señal neumática y la transforma en una señal eléctrica. — La electroválvula recibe una señal eléctrica en su bobina y la transforma en una señal neumática.
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11. Oleohidráulica Maniobras propuestas (pág. 279) 1. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto y una electroválvula 5/2 con retorno por resorte. — En la posición de reposo están comunicados los orificios P y B, por lo que habrá entrado aceite a la cámara anterior del cilindro. Los orificios A y R también están comunicados y el T permanece bloqueado. — Al accionar el pulsador, la electroválvula cambia su posición de trabajo: quedan comunicados P y A, con lo que se produce la entrada de aceite a la cámara posterior del cilindro y éste efectúa el movimiento de avance. A la vez, se comunican B y T, de modo que el aceite residual fluirá hacia el depósito. El orificio R queda bloqueado. — Al dejar de accionar el pulsador, la electroválvula recupera su posición de reposo gracias al muelle. De nuevo quedan comunicados P con B y se producirá una nueva entrada de aceite a la cámara anterior que provocará el movimiento de retroceso. El aceite residual escapará al depósito a través de A y R. 2. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de simple efecto, dos válvulas 4/2 NC con mando por pulsador y retorno por resorte, y una válvula selectora de circuito. — En posición de reposo, ninguna de las válvulas permite el paso de aceite al cilindro. Éste se mantiene en posición de retroceso debido al muelle de retorno. — Si accionamos el pulsador de una de las válvulas, ésta cambiará su posición de trabajo y permitirá el paso del aceite hacia el cilindro. Cuando el fluido llega a la válvula selectora, desplaza el pistón interior de ésta de modo que bloquea el circuito de la otra válvula y llega hasta la cámara del cilindro, provocando la carrera de avance de éste. — Cuando dejamos de pulsar, el muelle de retorno obliga a la válvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo. El pistón del cilindro, empujado por el muelle, evacua el aceite de
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la cámara, que regresa al depósito a través de la misma válvula por la que entró en el cilindro (el circuito de la otra está bloqueado por la válvula selectora). — Si accionamos el pulsador de la otra válvula, se repite el mismo proceso anterior, sólo que esta vez el aceite fluye por el otro circuito y la válvula selectora invierte su posición para bloquear el otro circuito. Se trata, como puede comprobarse, de un circuito que permite el pilotaje de un cilindro desde dos lugares diferentes. 3. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto cuyo recorrido está limitado por dos microválvulas 3/2 con mando por roldana y retorno por resorte, que actúan como finales de carrera. El mando del cilindro se efectúa por medio de una válvula 5/2 con mando y retorno neumáticos, y el circuito dispone de dos válvulas reguladoras de caudal. El inicio de la maniobra se gobierna por medio de una microválvula 3/2 con mando por pulsador y retorno por resorte. — En posición de reposo, el aceite ocupa la cámara anterior del cilindro por lo que el vástago se encuentra en el punto máximo de retroceso. — Cuando accionamos el pulsador de la microválvula 3/2, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta el mando de la válvula 5/2. Inmediatamente, la válvula 5/2 permite el paso de aceite hasta la cámara posterior del cilindro, provocando la carrera de avance. El flujo de aceite hacia el cilindro se produce libremente a través del antirretorno de la válvula reguladora de caudal, pero la velocidad de salida del que permanecía en la cámara anterior puede ser regulada por medio de la otra válvula reguladora. De este modo se regula la velocidad de desplazamiento del vástago. — Cuando el extremo de éste activa la roldana del final de carrera, la válvula correspondiente invierte su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta el retorno de la válvula 5/2.
En consecuencia, ésta invierte de nuevo su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. Las válvulas reguladoras de caudal invierten su trabajo de modo que también se regula la velocidad de retroceso del vástago. — Cuando el extremo activa el otro final de carrera, la válvula correspondiente permite el paso de aceite de nuevo hasta el mando de la válvula 5/2, con lo que se reproduce el movimiento de avance. El cilindro llevará a cabo movimientos alternativos de avance y retroceso de forma continuada mientras se esté oprimiendo el pulsador de la válvula de inicio. En cuanto deje de pulsarse, la válvula impedirá el paso de aceite desde el final de carrera hasta la válvula de gobierno 5/2 y el cilindro se detendrá en la misma posición de reposo de la que partió.
Por otra parte, el coeficiente de viscosidad cinemática, C , se define como el cociente entre el coeficiente de viscosidad y la densidad d del líquido: C — d Unidades en el SI: Ns que En el SI, la viscosidad se expresa en ——, m2 se deducen de la fórmula de la viscosidad: N Ns Fr —————— ——— ————— m/s m2 v S —— m2 —— m d En el SI, la viscosidad cinemática se exprem2 sa en ——, ya que: s Ns kg Ns —— ———— 2 m m2 m2 ———— ————— —— C —— kg kg s d —— —— 3 3 m m
Actividades de aplicación (pág. 283) Otras unidades: 4. Conceptos de viscosidad y de viscosidad cinemática: La viscosidad es la resistencia que presentan los líquidos a fluir. Se justifica por el rozamiento que se produce entre las sucesivas capas de un líquido. La fuerza de rozamiento Fr entre dos capas de líquido depende de tres factores: — Del área (S) de las superficies en contacto. — Del cociente entre la variación de velocidad (v) de una capa a otra y la distancia (d ) que las separa. — Del coeficiente de viscosidad . A partir de la expresión de la fuerza de rozamiento Fr , podemos deducir el valor del coeficiente de viscosidad, , que se define como la fuerza de rozamiento, Fr , por unidad de superficie, S, necesaria para provocar un aumento de velocidad, v, en capas de líquido separadas una distancia d: v Fr Fr S —— ⇒ ———— d v S —— d
En los cálculos técnicos, la viscosidad suele expresarse también en poises. En ese caso, la fuerza de rozamiento se expresa en dinas, (1 dina 105 N); la superficie, en cm2; la velocidad, en cm/s y la distancia, en cm. Su equivalencia con la unidad del SI es la siguiente: Fr 1 dina ————— ⇒ 1 poise —————— v 1 cm/s S —— 1 cm2 ——— d 1 cm Ns 105 N ————————— 0,1 ——— 2 10 m/s m2 104 m 2 ———— 102 m Cuando la viscosidad se expresa en poises y la densidad, en g/cm3, la viscosidad cinemática viene dada en stokes. La equivalencia entre 1 stoke y la unidad del SI es la siguiente: 1 cm2 m2 1 St ——— 104 —— 1s s 5. La resistencia oleodinámica R es una magnitud que mide la oposición que presentan los tubos o los conductos de una instalación al paso a través de ellos del aceite o el fluido
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oleohidráulico. Es directamente proporcional a la densidad d, a la viscosidad cinemática C del fluido y a la longitud l del tubo, e inversamente proporcional al diámetro d de éste, según la expresión: d C l R 0,062 ———— d — Cuando mayor sea la densidad d del fluido, mayor dificultad tendrá para fluir por el interior de los conductos. — Cuanto mayor sea la viscosidad cinemática C , mayor será el rozamiento entre la capas del fluido y, en consecuencia, mayor será también la resistencia oleodinámica.
7.
Circuito oleohidráulico Elementos básicos
Depósito Unidad hidráulica o unidad de presión
Filtros Bomba Motor eléctrico Válvula limitadora de presión Manómetro Válvula 2/2 Válvula 3/2
Válvulas distribuidoras
Válvula 4/2 Válvula 5/2 Válvula 4/3
— Cuanto mayor sea la longitud l del tubo, mayor dificultad tendrá el fluido para atravesarlo. — Cuanto menor sea el diámetro d del tubo, mayor será la resistencia que opondrá éste al paso del fluido.
Componentes
Electroválvula Cilindros de simple efecto Elementos de trabajo
Cilindros de doble efecto Motores de engranajes Motores de paletas
6. Las funciones básicas de cualquier fluido oleohidráulico son las siguientes: — Actuar como agente de transporte. — Lubricar los diversos elementos y partes del circuito.
Válvula antirretorno Válvula reguladora de caudal Elementos auxiliares
Válvula reguladora de presión Válvula selectora de circuito Filtros
— Actuar como anticorrosivo. — Arrastrar impurezas en las canalizaciones. Dicha impurezas serán sometidas a un posterior filtrado. — Evacuar el calor que pueda generarse por rozamiento. El aceite mineral está desaconsejado como fluido oleohidráulico en las instalaciones con peligro de incendio. En estos casos se emplean fluidos resistentes al fuego, como los ésteres fosfatados y las emulsiones de agua en aceite. — Los ésteres fosfatados pueden alcanzar temperaturas de hasta 1 500 °C sin peligro de inflamación. — Las emulsiones de agua en aceite mineral (60 % en volumen de aceite y 40 % de agua) pueden utilizarse sin peligro con temperaturas de hasta 800 °C.
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8. La respuesta dependerá del tipo de bomba elegido por los alumnos. Se ofrecen aquí las dos posibilidades. Bomba de engranajes Consta de una carcasa de fundición que dispone de dos aberturas o conductos, denominados A y B. En su interior van montadas dos ruedas dentadas que engranan perfectamente. Una de ellas recibe el movimiento de giro del motor eléctrico (rueda conductora) y la otra es arrastrada (rueda conducida). Al girar ambas ruedas, se origina un vacío que ocasiona la aspiración del aceite por el conducto A y su expulsión por el conducto B. Bomba de paletas Dispone de un rotor ranurado y movido por un motor eléctrico. Este rotor puede girar excéntricamente, con una excentricidad e, en el inte-
rior de un anillo ovalado. Dentro de las ranuras del rotor están colocadas las paletas, que están en contacto permanente con la superficie interna del anillo.
11. Esta válvula dispone de cinco orificios, P, T, B, A y R, y dos posiciones de trabajo. Su representación simbólica es la siguiente:
Durante el giro, se crea un vacío en la entrada A de la bomba, que origina la aspiración del aceite. Éste queda encerrado en la cámara de bombeo y posteriormente expulsado por la salida B.
A
B
R P
9.
Válvulas neumáticas
T
Válvulas oleohidráulicas
Analogías
Se simbolizan mediante dos cifras: la primera corresponde al número de orificios o vías y la segunda, al número de posiciones de trabajo. Para representarlas simbólicamente se emplean tantos cuadros como posiciones de trabajo posee la válvula. El sentido de circulación del fluido (aire o fluido oleohidráulico) se indica mediante flechas. La simbología de los modos de mando y de retorno (manual, por palanca, por pedal, por pulsador, por roldana o eléctrico) es idéntica en ambos tipos de válvulas.
— En la posición de reposo, la entrada de aceite P está comunicada con B. Por lo tanto, el aceite fluye a través de estos orificios hacia su utilización en el circuito. También están comunicados el orificio A con el R, con lo que el aceite proveniente del circuito se escapa hacia el depósito. — Al accionar la válvula, la corredera se desplaza hacia la izquierda y quedan comunicados el orificio P con el A (utilización) y el B con el T (escape). — Al cesar la acción, el resorte vuelve a la corredera a su posición inicial y el flujo del aceite se produce como al principio.
Diferencias
A
12. a) En las válvulas de dos posiciones, la posición de reposo corresponde al cuadro de la derecha.
En las válvulas de dos posiciones, la posición de reposo corresponde al cuadro de la izquierda.
Las conexiones de los orificios se simbolizan teniendo en cuenta que se trata de aire a presión.
Las conexiones de los orificios se simbolizan teniendo en cuenta que se trata de fluido oleohidráulico.
Existe un modo de mando y retorno neumáticos.
Existe un modo de mando y retorno hidráulicos.
El órgano de mando se sitúa a la izquierda y el de retorno, a la derecha.
El órgano de mando se sitúa a la derecha y el de retorno, a la izquierda.
T
c)
P
A
A
b)
T
R P
P
T
A
d)
B
B
T
P
Semejanzas:
10. a) Válvula 3/2 NC con mando por pedal y retorno por resorte.
— Para representarlas simbólicamente se emplean tantos cuadros como posiciones de trabajo posee cada válvula. — El sentido de circulación del fluido (aire o fluido oleohidráulico) se indica mediante flechas. — Los mandos manuales y eléctricos y los retornos por resorte se simbolizan de forma idéntica.
b) Válvula 5/2 con mando y retorno hidráulicos.
Diferencias:
c) Válvula 4/2 con mando manual y retorno por resorte.
— La simbología de las conexiones de los orificios es distinta.
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— En las válvulas oleohidráulicas, la posición de reposo corresponde al cuadro de la izquierda, mientras que en las neumáticas corresponde al de la derecha. 13. Datos: D 50 mm 0,05 m P 225 bar 2,25 10 7 Pa
— En las válvulas oleohidráulicas, el órgano de mando se sitúa a la derecha y el de retorno, a la izquierda, mientras que en las neumáticas es exactamente al revés.
d 30 mm 0,03 m 85 % 0,85
Aplicamos directamente las fórmulas que permiten calcular la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso: 3,14 (0,05 m)2 D2 Fea P ——— Fea 0,85 (2,25 107 Pa) ——————— 37 533 N 4 4 (D 2 d 2) Fer P —————— 4
3,14 (0,05 m)2 (0,03 m)2 Fer 0,85 2,25 107 Pa —————————————— 24 021 N 4
La fuerza efectiva de avance es de 37 533 N y la de retroceso, de 24 021 N. 14. Datos: D 50 mm 0,05 m
d 30 mm 0,03 m
e 180 mm 0,18 m
El volumen de aceite que consume el cilindro en cada ciclo se obtiene aplicando la expresión: (2 D 2 d 2) VT ——————— e 4 3,14 2 (0,05 m)2 (0,03 m)2 m VT —————————————— 0,18 m 5,79 104 —— 4 ciclo Si el cilindro efectúa 4 ciclos por minuto, el caudal de aceite utilizado será: ciclos L L m3 C 5,79 104 ——— 4 ——— 103 —— 2,31 —— ciclo min m3 min El cilindro consume 2,31 L/min de aceite. 15. Datos: 85 % 0,85 P 50 bar 5 106 Pa d 28 mm 0,028 m Fea 8 435 N
Fer 0,85 5 107 Pa 3,14 (0,05 m)2 (0,028 m)2 ——————————————— 5 725 N 4 El diámetro del cilindro es 50 mm y la fuerza efectiva de retroceso, 5 725 N.
A partir de la expresión de la fuerza efectiva de avance de un cilindro de doble efecto, despejamos D: D2 Fea P ——— ⇒ D 4
√
D
√
4 Fea ———— P
4 8 435 N ——————————— 0,050 m 3,14 (5 106 Pa) 0,85 50 mm
Con el dato anterior, aplicamos la fórmula que da la fuerza efectiva de retroceso: (D 2 d 2) Fer P —————— 4
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16.
Motor de engranajes
Bomba de engranajes
Analogías
Constan de una carcasa de fundición que dispone de dos aberturas o conductos, denominados A y B. En su interior van montadas dos ruedas dentadas que engranan perfectamente. Sólo una de las ruedas va ensamblada al eje de giro del motor.
Sólo la rueda conductora recibe el movimiento de giro del motor.
Diferencias
El flujo del aceite provoca el movimiento de giro de los engranajes.
El movimiento de giro de los engranajes provoca el flujo del aceite.
El motor puede funcionar en ambos sentidos. Para ello, basta invertir el sentido de flujo del aceite.
La bomba sólo funciona en uno de los sentidos: desde el orificio A al B.
La presión de funcionamiento suele ser de 140 bar.
La presión de funcionamiento oscila entre 160 y 260 bar.
La velocidad de giro suele ser de 2 400 rpm.
La velocidad de giro suele ser de 1 500 rpm.
19. La sección de una válvula reguladora de caudal bidireccional y su símbolo aparecen representados en la figura siguiente: T
B A
17. Las válvulas antirretorno posibilitan la circulación del aceite en un determinado sentido e impiden su paso en el contrario. Con ello se obliga al aceite a circular por determinadas conducciones en un sólo sentido. 18. La sección de una válvula reguladora de caudal unidireccional y su símbolo aparecen representados en la figura siguiente:
Como puede apreciarse, la estructura de estas válvulas es más simple que la de las unidireccionales, ya que carecen de antirretorno. Como el aceite pasa obligatoriamente por la vía en la que se encuentra el tornillo T, tanto si circula de A hacia B como si lo hace de B hacia A, su caudal puede ser regulado mediante el citado tornillo. 20. Para conseguir que la velocidad de salida del vástago de un cilindro sea prácticamente instantánea puede utilizarse una válvula de escape rápido o de purga rápida. La figura siguiente nos muestra el símbolo y la forma de actuación de una válvula de este tipo.
T
2 1
3
M
A
2
2
3 1
M
3
1
B
— Si el aceite penetra por A y sale por B, su caudal puede ser regulado mediante el tornillo T, ya que tiene un solo camino de circulación (el indicado en la figura) porque el antirretorno C impide su paso por esa vía.
— Cuando el aceite procedente de una válvula distribuidora penetra por el orificio 1, desplaza la membrana elástica M y queda bloqueada la salida 3. De esta forma, el aceite pasa por el orificio 2 hacia el cilindro correspondiente.
— En cambio, si penetra por B, puede salir perfectamente por A a través de antirretorno, con lo que su caudal no podrá ser regulado por medio del tornillo T.
— Cuando, en el retorno del cilindro, el aceite penetra por el orificio 2, desplaza la membrana hacia la izquierda y tapona el 1, con lo que tiene una salida directa al exterior a través del orificio 3.
Por lo tanto, el caudal de aire sólo podrá ser regulado cuando su sentido de circulación sea de A a B.
21. Para limitar la carrera de un cilindro pueden utilizarse válvulas oleohidráulicas con mando
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por roldana y retorno por resorte que actúen como finales de carrera. Estas válvulas se conectan a los órganos de mando y de retorno de la válvula distribuidora, que, en este caso, deberán ser neumáticos. De este modo, cuando el extremo del vástago del cilindro acciona la roldana, la válvula cambia su posición de trabajo y envía una señal neumática al retorno de la válvula distribuidora. Ésta, a su vez invierte su posición de trabajo e inicia la carrera de retroceso del cilindro. Cuando se activa el otro final de carrera, se reproduce el proceso a la inversa y se inicia la carrera de avance.
Maniobras (pág. 284) 22. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte, y una válvula reguladora de caudal. — En posición de reposo, la válvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Si accionamos el pulsador de la válvula, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. El antirretorno de la válvula reguladora de caudal obliga al aceite que sale del cilindro a circular por el conducto en el que se encuentra el tornillo T. Variando la posición de éste, podemos aumentar o disminuir la velocidad de avance del vástago. — Cuando dejamos de pulsar, el muelle de retorno obliga a la válvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo. El aceite circula ahora hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. Como ahora circula a través del antirretorno de la válvula reguladora, la velocidad de retroceso no puede ser controlada. 23. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una electroválvula 5/2 con mando eléctrico y retorno por resorte, y una válvula reguladora de caudal.
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— En posición de reposo, la electroválvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Si accionamos el pulsador eléctrico, se activa el mando de la electroválvula. Ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. El antirretorno de la válvula reguladora de caudal obliga al aceite que sale del cilindro a circular por el conducto en el que se encuentra el tornillo T. Si variamos la posición de éste, podemos aumentar o disminuir la velocidad de avance del vástago. — Cuando dejamos de pulsar, el muelle de retorno obliga a la electroválvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo. El aceite circula ahora hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. Como ahora circula a través del antirretorno de la válvula reguladora, la velocidad de retroceso no puede ser controlada. 24. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto y una electroválvula 4/2 con mando y retorno eléctricos. — En posición de reposo, la electroválvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Si accionamos el pulsador eléctrico A, se activa el mando de la electroválvula. Ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. — Cuando accionamos el pulsador eléctrico R, se activa el retorno de la electroválvula y ésta cambia de nuevo su posición de trabajo. El aceite circula ahora hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. Como no existe válvula reguladora, las velocidades de avance y de retroceso no están reguladas.
25. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando manual y retorno por resorte, una válvula reguladora de caudal y una microválvula 2/2 NC con mando por roldana que actúa como final de carrera.
— Si accionamos el pulsador de la válvula de inicio, se activa el mando de la válvula de distribución. Ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance.
— En posición de reposo, la válvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso.
— Cuando dejamos de pulsar, el retorno de la válvula de inicio obliga a ésta a cambiar de nuevo su posición con lo que el aceite deja de fluir hacia el mando de la válvula distribuidora. El retorno de ésta también provoca la inversión de su posición de trabajo, de modo que se permite la salida del aceite contenido en el cilindro. El muelle de retorno de éste obliga al aceite a fluir hacia el depósito, con lo que se provoca la carrera de retroceso.
— Si accionamos el pulsador de la válvula, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. El antirretorno de la válvula reguladora de caudal obliga al aceite que sale del cilindro a circular por el conducto en el que se encuentra el tornillo T. Si variamos la posición de éste, podemos aumentar o disminuir la velocidad de avance del vástago. Cuando el extremo de éste acciona la roldana de la microválvula, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta el depósito a través de la válvula 4/2. En consecuencia, a partir de ese instante, la velocidad de desplazamiento del vástago ya no queda regulada. — Cuando dejamos de pulsar, el muelle de retorno obliga a la válvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo. El aceite circula ahora hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. Como ahora circula a través del antirretorno de la válvula reguladora, la velocidad de retroceso no puede ser controlada. Por otra parte, durante el retroceso, el extremo del vástago vuelve a accionar la roldana de la microválvula, con lo que ésta invierte de nuevo su posición de trabajo y queda cerrada hasta el siguiente ciclo de trabajo. 26. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de simple efecto, una válvula 3/2 NC con mando hidráulico y retorno por resorte, y una válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retorno por resorte que se emplea para iniciar la maniobra. — En posición de reposo, las dos válvulas permanecen cerradas y el aceite no puede circular hasta el cilindro.
27. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando por pedal y retorno por resorte, y dos válvulas reguladoras de caudal. — En posición de reposo, la válvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Si accionamos el pedal de la válvula, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. El aceite fluye hacia el cilindro sin dificultad a través del antirretorno de la válvula reguladora, situada a la derecha del esquema. Sin embargo, el antirretorno de la situada a la izquierda obliga al aceite que sale del cilindro a circular por el conducto en el que se encuentra el tornillo T. Variando la posición de éste, podemos aumentar o disminuir la velocidad de avance del vástago. — Cuando dejamos de pulsar, el muelle de retorno obliga a la válvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo. El aceite circula ahora hasta la cámara anterior del cilindro provocando la carrera de retroceso. En este caso se produce el fenómeno inverso: el antirretorno de la válvula reguladora situada a la izquierda permite el flujo del aceite, mientras que mediante el tornillo de la válvula reguladora de la derecha podemos regular la velocidad de retroceso.
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28. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de simple efecto, una válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retorno por resorte, y dos válvulas reguladoras de caudal.
las dos válvulas de inicio ya que, si sólo se acciona uno de ellos, la otra válvula, que permanece cerrada, seguirá impidiendo el paso del aceite.
— En posición de reposo, la válvula no permite el paso del aceite hasta el cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso.
— Si accionamos ambos pulsadores, las válvulas se abren y permiten el paso del aceite hasta el mando de la válvula de distribución. Ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance.
— Si accionamos el pulsador de la válvula, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aceite a la cámara posterior del cilindro, con lo que se provoca la carrera de avance. El aceite fluye hacia el cilindro sin dificultad a través del antirretorno de la válvula reguladora situada en la parte inferior del esquema. Sin embargo, el antirretorno de la válvula reguladora ubicada en la parte superior obliga al aceite que entra en el ci-lindro a circular por el conducto en el que se encuentra el tornillo T. Si variamos la posición de éste, podemos aumentar o disminuir la velocidad de avance del vástago. — Cuando dejamos de pulsar, el retorno obliga a la válvula a cambiar de nuevo su posición de trabajo y el muelle de retorno del cilindro provoca la carrera de retroceso y, con ella, la salida del aceite. Éste tiene que circular de nuevo a través de las válvulas reguladoras, pero ahora actúan de modo inverso: el antirretorno de la válvula reguladora situada en la parte superior permite el flujo del aceite, mientras que mediante el tornillo de la válvula reguladora de la parte inferior podemos regular la velocidad de retroceso. 29. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando hidráulico y retorno por resorte, y dos válvulas 3/2 NC con mando por pulsador y retorno por resorte que se emplean para iniciar la maniobra. — En posición de reposo, las dos válvulas de inicio permanecen cerradas, el aceite no puede circular hasta la válvula distribuidora y, en consecuencia, tampoco llega hasta el cilindro. Para iniciar la maniobra es necesario accionar simultáneamente los pulsadores de
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— Cuando dejamos de accionar uno de los pulsadores, el retorno de la válvula de inicio obliga a ésta a cambiar de nuevo su posición con lo que el aceite deja de fluir hacia el mando de la válvula distribuidora. El retorno de ésta también provoca la inversión de su posición de trabajo, de modo que se permite la salida del aceite contenido en el cilindro. El muelle de retorno de éste obliga al aceite a fluir hacia el depósito, con lo que se provoca la carrera de retroceso. El mismo efecto se consigue si se dejan de accionar ambos pulsadores a la vez. 30. El circuito oleohidráulico está formado por un cilindro de doble efecto, una válvula 4/2 con mando manual y retorno por resorte, una válvula reguladora de caudal, una válvula limitadora de presión y un antirretorno. — En posición de reposo, la válvula permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que el vástago de éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. — Si accionamos manualmente el mando de la válvula distribuidora, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta la cámara posterior del cilindro. El aceite que entra al cilindro lo hace sin dificultad a través del antirretorno de la válvula reguladora. Sin embargo, el que sale no puede hacerlo directamente hasta la válvula distribuidora (porque se lo impide el antirretorno situado a la salida de la cámara anterior del cilindro) y es obligado a pasar a través de la válvula reguladora de presión, con lo que puede
regularse la fuerza ejercida por el vástago durante la carrera de avance. — Cuando dejamos de accionar el mando de la válvula distribuidora, el retorno obliga a ésta a cambiar de nuevo su posición con lo que el aceite fluye ahora hasta la cámara anterior provocando la carrera de retroceso.
El aceite que entra también lo hace sin dificultad a través del antirretorno pero el que sale ha de hacerlo obligatoriamente por el conducto en el que se encuentra el tornillo T de la válvula reguladora de caudal. De este modo puede regularse la velocidad de retroceso del vástago.
12. Adquisición y transmisión de datos Actividades de aplicación (pág. 307)
Magnitud
1. La respuesta dependerá de la señal analógica seleccionada por el alumno/a. No obstante, se ofrece un modelo. Tensión
T t
Señal ON digital OFF
Señal analogica
t
Una señal analógica es aquella que varía de forma continua con el tiempo. La señal de la tensión de la corriente alterna monofásica varía de forma continua y oscila en forma sinusoidal entre un valor máximo (V máx) y un valor mínimo (V mín). Algunos ejemplos de procesos reales en los que las magnitudes implicadas varían de forma continua son: — La velocidad de giro de un motor. — La temperatura corporal. — El grado de humedad ambiental. — La presión de funcionamiento de un circuito oleohidráulico. — El pH de una disolución en una valoración ácido-base. 2. La respuesta dependerá de la señal digital seleccionada por el alumno/a. No obstante, se ofrece un modelo.
t
Una señal digital es aquella que corresponde a una variable que toma sólo valores discretos, generalmente codificados, según un sistema de notación predeterminado. La señal del termostato de un calentador sólo puede tomar dos valores previamente determinados: paso de corriente (ON) o interrupción de la corriente (OFF). Algunos ejemplos de procesos reales en los que las magnitudes implicadas varían de forma continua son: — Los bits mediante los cuales se definen los caracteres informáticos: el bit 1 corresponde a ON y el bit 0 corresponde a OFF. — El funcionamiento de un interruptor eléctrico de cualquier instalación: ON significa paso de corriente y OFF, interrupción de la corriente. — El funcionamiento de una válvula neumática u oleohidráulica: ON significa válvula abierta y OFF, válvula cerrada. — Los impulsos de voz en telefonía digital: la señal analógica se descompone en una serie de impulsos codificados, se transmite y posteriormente se decodifica y se transforma de nuevo en señal analógica.
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3.
Control analógico Ventajas
Gran anchura de banda Alta resolución
Intervalo
Valor atribuido
Código BCD
Código Gray
[0-0,125 V]
0V
0000
0000
Inconvenientes
Componentes anticuados Deriva de la temperatura Diseños complejos
Fácil diseño sSoluciones programables Control digital
Comportamiento preciso Ventajas
Inconvenientes
Capacidad de realizar funciones adicionalesDificultad de diseño Soluciones Dificultad de diseño programables Problemas numéricos Comportamiento preciso
Problemas numéricos
Capacidad de realizar funciones adicionales
4. Las señales que proceden de un sensor pueden tener características que resulten inadecuadas al sistema de control utilizado (rango de frecuencia, intensidad, existencia de señales parásitas, etc.). Por este motivo, resulta imprescindible el acondicionamiento de la señal antes de procesarla. Este acondicionamiento supone la amplificación, el filtrado y el desplazamiento a una banda de frecuencias adecuada.
[0,125-0,25 V]
0,125 V
0001
0001
[0,25 -0,375 V]
0,25 V
0010
0011
[0,375-0,5 V]
0,375 V
0011
0010
[0,5-0,625 V]
0,5 V
0100
0110
[0,625-0,75 V]
0,625 V
0101
0111
[0,75-0,875]
0,75 V
0110
0101
[0,875 - 1 V]
0,875 V
0111
0100
[1-1,125 V]
1V
1000
1100
[1,125-1,25 V]
1,125 V
1001
1101
[1,25-1,375 V]
1,25 V
1010
1111
[1,375-1,5 V]
1,375 V
1011
1110
[1,5-1,625 V]
1,5 V
1100
1010
[1,625-1,75 V]
1,625 V
1101
1011
[1,75-1,875]
1,75 V
1110
1011
[1,875-2 V]
1,875 V
1111
1000
6. El poder de resolución de un convertidor indica el número de pasos que tiene y viene dado por la expresión: R 2n 1 donde n es el número de salidas del convertidor. En el caso del convertidor del ejercicio anterior: R 2n 1 24 1 15
5. Datos: N.° de salidas: 4 Rango de tensiones: 0-2 V El número de intervalos en que puede dividirse la señal es igual al número de combinaciones de bits que pueden llevarse a cabo con el convertidor, que a su vez depende del número de salidas de éste, según la expresión: N.° de combinaciones 2N.° de salidas En este caso: N.° de combinaciones 24 16 Por tanto, la señal analógica puede ser dividida en 16 intervalos. A cada uno de ellos le atribuiremos el valor del extremo inferior del intervalo y le asignaremos un código binario (en código BCD y en código Gray), según se muestra en la tabla siguiente:
78
El poder de resolución del convertidor es 15. 7. Datos: f mín 20 Hz f máx 20 kHz Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo ha de ser el doble de la frecuencia máxima de la señal de entrada. En este caso: f muestreo 2 f máx 2 20 kHz 40 kHz La frecuencia de muestreo deberá ser 40 kHz. 8. El elemento nuclear del proceso de adquisición y transmisión de datos es el procesador digital. Este dispositivo recoge la señal digital que viene del convertidor analógico/digital y la procesa con el fin de dar la respuesta conveniente. La señal de salida será posteriormente transformada en analógica mediante el convertidor digital/analógico.
9. El número de entradas de un convertidor digital/analógico depende del número de combinaciones de bits que sea capaz de procesar, según la expresión: N.° de combinaciones 2 N.° de entradas Como el convertidor del ejercicio 5 podía realizar hasta 16 combinaciones de salida, el número de entradas del convertidor digital/analógico será:
V máx Amplitud ——————— ⇒ N.° intervalos V máx 10 V ⇒ N.° intervalos ———— ——— 1 000 Amplitud 0,01 V Como el número de intervalos es igual al número de combinaciones de bits que es capaz de procesar el convertidor, podemos determinar el número de entradas de que dispone: N.° de combinaciones 2 N.° de entradas
16 2 N.° de entradas ⇒
1 000 2 N.° de entradas ⇒
⇒ N.° de entradas log2 16 4 El convertidor dispondrá de 4 entradas. La distribución de la señal de salida en intervalos, el valor asignado a cada uno de ellos y su correspondencia con las combinaciones de bits vienen dados en la tabla siguiente: Combinación de bits
Valor decimal
Intervalo
Valor asignado
0000
0
[1-1,25 V]
1V
0001
1
[1,25 -1,5 V]
1,25 V
0010
2
[1,5 -1,75 V]
1,5 V
0011
3
[1,75 -2 V]
1,75 V
0100
4
[2-2,25 V]
2V
0101
5
[2,25 -2,5 V]
2,25 V
0110
6
[2,5 -2,75 V]
2,5 V
0111
7
[2,75 -3 V]
2,75 V
1000
8
[3-3,25 V]
3V
1001
9
[3,25 -3,5 V]
3,25 V
1010
10
[3,5 -3,75 V]
3,5 V
1011
11
[3,75 -4 V]
3,75 V
1100
12
[4-4,25 V]
4V
1101
13
[4,25 -4,5 V]
4,25 V
1110
14
[4,5 -4,75 V]
4,5 V
1111
15
[4,75 -5 V]
4,75 V
10. Datos: aproximación 0,01 V Vmáx 10 V La aproximación corresponde a la amplitud de cada intervalo de señal. A partir de este dato, determinamos el número de intervalos necesarios:
⇒ N.° de entradas log2 1 000 9,966 Como el número de entradas ha de ser entero y mayor o igual al resultado anterior, el convertidor ha de disponer de 10 entradas. 11. La señal de salida de un convertidor DAC ha de ser de nuevo acondicionada para adecuarla a las necesidades concretas del actuador a la que haya de ser transmitida. Como en el caso de la señal de entrada, deberá someterse a un proceso de amplificación, filtrado y desplazamiento a la banda de frecuencias con la que trabaje el actuador. 12. La transmisión de datos se hace necesaria por los siguientes motivos o razones: • Los datos se originan en diferentes puntos del sistema y deben ser transportados hasta el panel de control. • La existencia de procesos relacionados entre sí aconseja disponer de los datos en un solo panel para poder comprobarlos. • En ocasiones, los aparatos de medida se encuentran en lugares inaccesibles y es necesario trasladar los datos a otro lugar. 13. Según el tipo de energía que emplean los transmisores, podemos clasificar la transmisión, con carácter aproximado, en cuatro grandes tipos: mecánica, neumática, eléctrica y electrónica. • La transmisión mecánica es un sistema de transmisión directa en el que ésta se lleva a cabo por medio de dispositivos mecánicos, tales como engranajes, varillas, etc. Un ejemplo de transmisión mecánica es la medida de la presión mediante un manóme-
79
tro. La energía necesaria la proporcionan las variaciones de la magnitud que se mide. • La transmisión neumática utiliza aire modulado como elemento de transmisión. Los sistemas que emplean este tipo de transmisión son de mayor alcance que los que emplean transmisión mecánica, ya que pueden alcanzar los 300 m. La energía necesaria es proporcionada por compresores. Como ejemplo de transmisión neumática puede citarse la medida de una presión por medio de un transmisor de presión diferencial. • La transmisión eléctrica está basada en las variaciones de magnitudes eléctricas, tales como tensiones, intensidades, resistencias, etc. Su alcance depende de la variable utilizada en la transmisión y del diseño de los aparatos. Un ejemplo de transmisión eléctrica es la medida de la temperatura mediante un puente de Wheatstone. La energía utilizada es, naturalmente, energía eléctrica. • La transmisión electrónica se basa en las variaciones de las mismas magnitudes empleadas en los sistemas eléctricos, pero incluye elementos electrónicos, como amplificadores, osciladores, etc., entre sus componentes. Un ejemplo de transmisión electrónica es el mismo puente de Wheatstone anterior, al que se le añade un amplificador de señal a la salida. 14.
Fuerza originada por la magnitud que se mide
Salida
• Los resortes de ajuste fino y grueso, también denominados resortes de cero, tienen por objeto equilibrar el sistema y desplazar el equilibrio hasta un valor prefijado. Los esfuerzos originados por estos resortes pueden considerarse aproximadamente lineales.
80
• La fuerza de realimentación está originada por la parte de la señal de salida que es devuelta a la entrada. En el caso de los transmisores, esta realimentación es siempre negativa. La realimentación tiene por objeto aumentar las fuerzas que intervienen en el equilibrio, aumentar la linealidad del elemento detector y aumentar la ganancia. Los esfuerzos originados por la realimentación son proporcionales a la señal de salida del aparato. 15. El transmisor o detector a dos hilos se denomina así porque solamente se necesitan dos hilos provenientes del aparato para efectuar la transmisión desde éste hasta el lugar donde se lleva a cabo el control.
Transmisor de dos hilos
Líneas de transmisión
Rx
Receptor
16. El oscilador es un circuito capaz de generar una señal eléctrica periódica de frecuencia variable. El amplificador convertidor transforma la pequeña señal de corriente alterna que procede del oscilador en otra pequeña señal de corriente continua y, de este modo, puede regular una corriente continua mayor.
Resortes de ajuste
Fuerza originada por la realimentación
• La fuerza originada por la magnitud que se mide actúa sobre la barra rígida y provoca un desplazamiento de ésta hasta que se consigue de nuevo el equilibrio. La señal de salida que se obtiene es proporcional a la magnitud medida.
La conversión se lleva a cabo por medio de componentes electrónicos: transistores, circuitos integrados... El detector se encarga de variar la amplitud de la señal del oscilador en función de la señal proveniente del proceso. 17. Un circuito resonante LC es un dispositivo electromagnético provisto de una bobina in-
ductiva, de coeficiente de autoinducción L, y un condensador, de capacidad C. L
— La fuerza ejercida por el diafragma de medida es aplicada en la parte inferior del brazo de fuerza, con lo que se crea un par de fuerzas de entrada en aquél.
C
La impedancia total del circuito, Z, depende tanto de los valores L y C, como de la frecuencia del circuito. Cuando el módulo de la reactancia inductiva,
XL, es igual al módulo de la capacitiva, XC,
se obtiene la frecuencia de resonancia del circuito. Su valor puede deducirse a partir de los valores de L y C:
XL L 1 XC —— C
XL XC
— Las presiones aplicadas actúan sobre los diafragmas de alta y baja presión, y son transmitidas al diafragma de medida. Éste detecta la diferencia de las dos presiones y la convierte en una fuerza.
1 1 ⇒ L —— ⇒ ——— C √ LC 1 f ————— 2 √ LC
Cuando se alcanza la frecuencia de resonancia, la impedancia del circuito es máxima y, en consecuencia, la atenuación de la señal también lo será. Si variamos la frecuencia, disminuirá la impedancia del circuito y, con ella, la atenuación. Por lo tanto, este tipo de circuitos puede utilizarse para variar la amplitud de la señal del oscilador.
— El brazo de fuerza transmite el par al brazo de rango y el movimiento de éste desplaza la ferrita situada junto a la bobina del circuito resonante LC, ubicado en la salida del oscilador. — La señal alterna de salida del detector es transformada en una señal continua en el amplificador convertidor y posteriormente transmitida hasta el receptor. En estas condiciones, si se produce un aumento de la resistencia de carga R X, la intensidad que pasa a través de ella disminuirá y, en consecuencia, la tensión también. Para resolver este problema se utiliza un sistema de realimentación negativa que consta de una bobina provista de núcleo por la que circula la intensidad de salida. El paso de la intensidad por la bobina desplaza el núcleo convirtiendo, de esta forma, la intensidad en una fuerza de realimentación que se aplica al brazo de rango. Ajuste fino Brazo de rango
Ajuste grueso
Brazo de fuerza Sistema de realimentación Detector Amplificador convertidor c.a./c.c.
18. Ajuste fino Brazo de rango Punto de apoyo fijo
Detector
Oscilador
Oscilador
Baja presión Ajuste grueso Brazo de fuerza
Alta presión
Rx
Carga
c.c. c.a.
Receptor Rx
Carga c.c. c.a. Regulador de tensión
Alimentación c.a.
El transmisor realimentado funciona del modo siguiente:
Punto de apoyo fijo
Amplificador convertidor c.a./c.c.
Baja presión Alta presión
Receptor
Alimentación c.a.
El funcionamiento de un transmisor electrónico de presión diferencial es el siguiente:
— El sistema de realimentación produce un par sobre el brazo de fuerza que se opone al par generado por la presión diferencial. Cuando ambos pares tienen igual valor, el sistema está en equilibrio. — Ambos pares provocan también variaciones en la separación entre la bobina detec-
81
tora y la ferrita y, por lo tanto, también variará la intensidad de la señal de salida, que es la que pasa a través del sistema de realimentación, con lo que se restablece nuevamente el equilibrio del sistema. Bajo estas condiciones, la intensidad de salida es directamente proporcional a la presión diferencial aplicada. El factor de proporcionalidad viene fijado por la posición del brazo de rango. La distancia desde el punto de apoyo del brazo de fuerza al punto donde la fuerza de realimentación es aplicada puede ser ajustada moviendo el brazo de rango a lo largo del brazo de fuerza. La posición del brazo de rango determina la presión diferencial necesaria para producir la intensidad máxima de salida. 19. Datos: distancia: 20 m velocidad: 20 Mbps
Para transmitir datos informáticos podemos utilizar diferentes sistemas, dependiendo de la distancia de transmisión y de la velocidad a la que queramos transmitir. Estos sistemas son: EIA - 232
RS - 485
SCSI
Distancia de transmisión
Hasta 15 m
Hasta 1,2 km
Hasta 25 m
Velocidad de transmisión
20 kbps
10 Mbps
10 Mbps
Dadas las características de la transmisión que queremos efectuar, podrían utilizarse el RS-485 o el SCSI, ya que ambos permiten transmitir a la distancia y a la velocidad dadas. Sin embargo, como se trata de transmisión entre ordenadores, hay que utilizar el SCSI (Small Computer System Interface), que es el estándar definido por la ANSI para el intercambio de datos entre un ordenador central y otros ordenadores periféricos.
13. Control mediante circuitos lógicos I Actividades de aplicación (pág. 329)
a
1. Suma lógica • Propiedad idempotente: aaa a
a
aa
1
1
1
0
0
0
La columna a a coincide con la columna a. Por tanto, se cumple la propiedad idempotente de la suma lógica. • Propiedad asociativa: a (b c) (a b) c
82
b
c
b c a b a (b c) (a b) c
1 1 1
1
1
1
1
1 1 0
1
1
1
1
1 0 1
1
1
1
1
1 0 0
0
1
1
1
0 1 1
1
1
1
1
0 1 0
1
1
1
1
0 0 1
1
0
1
1
0 0 0
0
0
0
0
Las columnas a (b c) y (a b) c coinciden. Por tanto, se cumple la propiedad asociativa de la suma lógica.
• Propiedad conmutativa: abba a
b
ab
ba
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
Las columnas a b y b a coinciden. Por tanto, se cumple la propiedad conmutativa de la suma lógica.
— Comprobación de la propiedad asociativa: el comportamiento del circuito es el mismo independientemente de la secuencia de accionamiento de los interruptores. — Comprobación de la propiedad conmutativa: si consideramos dos interruptores cualesquiera, el comportamiento del circuito es el mismo independientemente del orden de accionamiento de los interruptores. — Comprobación de la propiedad elemento neutro: el comportamiento del circuito cuando se abre o se cierra cualquier interruptor es independiente de que la solución de continuidad permanezca abierta o se cierre mediante un conector.
• Propiedad elemento neutro: Producto lógico
a0a a
0
a0
1
0
1
0
0
0
• Propiedad idempotente: a✱aa
La columna a 0 coincide con la columna a. Por tanto, se cumple la propiedad elemento neutro de la suma lógica. Para reproducir las propiedades de la suma lógica por medio de un circuito eléctrico, puede efectuarse el montaje siguiente:
a
a
a✱a
1
1
1
0
0
0
La columna a ✱ a coincide con la columna a. Por tanto, se cumple la propiedad idempotente del producto lógico. • Propiedad asociativa: a ✱ (b ✱ c) (a ✱ b) ✱ c
a
a
b
c
b✱c
a✱b
a ✱ (b ✱ c)
(a ✱ b) ✱ c
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
b
c
— Comprobación de la propiedad idempotente: si sustituimos cualquiera de los interruptores por otros dos montados en paralelo y los accionamos simultáneamente, el circuito se comportará del mismo modo que si accionamos sólo el interruptor que hemos sustituido.
Las columnas a ✱ (b ✱ c) y (a ✱ b) ✱ c coinciden. Por tanto, se cumple la propiedad asociativa del producto lógico.
83
• Propiedad conmutativa:
— Comprobación de la propiedad elemento neutro: el comportamiento del circuito cuando se abre o se cierra cualquier interruptor no varía mientras la solución de continuidad permanezca cerrada.
a✱bb✱a a
b
a✱b
b✱a
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
Las columnas a ✱ b y b ✱ a coinciden. Por tanto, se cumple la propiedad conmutativa del producto lógico. • Propiedad elemento neutro: a✱1a a
1
a✱1
1
1
1
0
1
0
2.
Funció
Ecuación lógica
AND
F A ✱ B AB
A B
F
OR
FAB
A B
F
NOT
F A
A
F
NAND
F A ✱ B AB
A B
F
NOR
F AB
A B
F
ORex
F AB A B A B
A B
F
Puerta lógica
3. Función:
F ABC A BC AB C La columna a ✱ 1 coincide con la columna a. Por tanto, se cumple la propiedad elemento neutro del producto lógico.
A B C
Para reproducir las propiedades del producto lógico por medio de un circuito eléctrico, puede efectuarse el montaje siguiente: a
b
c
— Comprobación de la propiedad idempotente: si sustituimos cualquiera de los interruptores por otros dos montados en serie y los accionamos simultáneamente, el circuito se comportará del mismo modo que si accionamos sólo el interruptor que hemos sustituido. — Comprobación de la propiedad asociativa: el comportamiento del circuito es el mismo independientemente de la secuencia de accionamiento de los interruptores. — Comprobación de la propiedad conmutativa: si consideramos dos interruptores cualesquiera, el comportamiento del circuito es el mismo independientemente del orden de accionamiento de los interruptores.
84
F
4. Para confeccionar la tabla de verdad, la descompondremos en tres subtablas, correspondientes a cada uno de los sumandos componentes:
A
A
B
C
ABC
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
A
B
1
B
C
A BC
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
A
B
C
C
AB C
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
5. Escribimos inicialmente la función como suma de los términos canónicos para los cuales la función adopta valor 1:
a) Si utilizamos un diagrama de Karnaugh, resulta:
00
01
11
10
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
C
Como puede apreciarse, no existen células adyacentes ni en el interior de la tabla ni entre los extremos, tanto superior como inferior, por lo que no es posible simplificar la función. b) Si utilizamos las propiedades de la suma y el producto lógicos, tenemos:
F A BC ABC A B C ABC Entre el primero y el segundosumandos, podemos sacar factor común A, y entre el tercero y el cuarto, A, con lo que resulta:
F A (BC B C) A (B C BC)
Combinamos los resultados de las tablas anteriores y obtenemos la tabla de verdad de la función:
Para simplificar la función podemos recurrir a los diagramas de Karnaugh o emplear las propiedades de la suma y el producto lógicos.
AB
F A BC AB C A B C ABC
A
B
C
ABC
A BC
AB C
F
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Pero no es posible efectuar ninguna simplificación en los paréntesis ni volver a sacar factor común, por lo que no es posible simplificar la función. 6. El circuito muestra un interruptor cerrado (que representa la variable A) y otros tres abiertos (que representan las variables B, C y D, respectivamente). — B y C están montados en paralelo, por tanto representan la suma lógica B C. — El conjunto B-C está montado en serie A, luego representa el producto lógico con A (BC). — El grupo A-B-C está montado en paralelo con D, luego la función representada es:
F A (B C) D
85
La tabla de verdad es la siguiente:
Las celdas se distribuyen en una cuadrícula de 4 4.
A
B
C
D
A
BC
A (B C)
F
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
— En la cabecera horizontal superior se representan todos los posibles valores del producto AB, de modo que los cuadros sean adyacentes. Así pues, escribiremos 00, 01, 11 y 10, que representan los térmi nos A B, AB, AB y A B, respectivamente. — En la cabecera vertical izquierda se representan todos los posibles valores del producto CD, de modo que los cuadros también sean adyacentes. Así pues, escribiremos 00, 01, 11 y 10, que representan los términos C D, CD, CD y C D, respectivamente. De este modo, obtenemos un diagrama en el que quedan representados todos los términos canónicos de una función de cuatro variables: AB CD
0 0
1 1
0 0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
7. F ABCD AB CD A B C D A B CD Entre el primero y el segundo sumandos, podemos sacar factor común ABD, y entre el ter cero y el cuarto, A B C. Así:
F ABD (C C) A B C (D D) Teniendo en cuenta que la suma lógica de un elemento con su complementario es igual al elemento neutro, resulta:
01
00
A BC D
01
A BCD
11
AB C D
10
AB CD
1
0
00
11
A BC D
A B CD
A BC D
A B CD
10
A B CD
A B CD
ABCD
AB C D
A BCD
A BCD
A BCD
ABCD
Como puede apreciarse, todas las celdas son adyacentes, es decir, sólo varía el valor de una variable al pasar de una a otra, tanto en horizontal como en vertical, y tanto en el interior de la tabla como en sus extremos. 9. El diagrama anterior, aplicado a la función
F ABCD AB CD A B CD A B CD daría el resultado siguiente: AB CD
00
01
11
10
F ABD ✱ 1 A B C ✱ 1
00
1
0
0
0
Y considerando la propiedad elemento neutro del producto lógico, la expresión queda así:
01
1
0
1
0
11
0
0
1
0
10
0
0
0
0
F ABD A B C
8. Un diagrama de Karnaugh para una función de cuatro variables, A, B, C y D, deberá disponer de 24 16 celdas.
86
Se observa que pueden formarse dos agrupamientos de dos celdas: uno en la primera columna y otro en la tercera.
— El grupo de la primera columna representa los términos A B C D y A B C D. Se observa que la variable que cambia es la D, por lo que puede suprimirse, y queda A B C.
• El sumador total permite la suma de varias etapas, es decir, de varios órdenes de unidades, ya que permite acumular el acarreo de una etapa en la siguiente.
— El grupo de la tercera columna representa los términos AB CD y ABCD. En este caso, la variable que cambia es la C, por lo que también pueden suprimirse y queda ABD.
12. Para sumar las informaciones binarias 1001 y 1100 necesitaremos cuatro sumadores totales, uno para cada etapa.
La función simplificada resulta, pues, igual a la obtenida en el ejercicio 7:
F A B C ABD En el caso de una función de cuatro variables, el proceso de simplificación es más corto utilizando las propiedades de las operaciones lógicas. Sin embargo, el diagrama de Karnaugh permite efectuar la simplificación de una manera mecánica, sin tener que recordar las propiedades. 10.
A B C F
B
C
A
B
D
— Por las entradas A 2 y B 2 del segundo se introducen los bits de segundo orden (0 y 0) y por la entrada C 1, el acarreo de la etapa anterior (0). Por la salida S 2 aparecerá la cifra 0 (dígito de la suma) y por la C 2, la cifra 0 (acarreo de la etapa). — Por las entradas A 3 y B 3 del tercero se introducen los bits de tercer orden (0 y 1) y por la entrada C 2, el acarreo de la etapa anterior (0). Por la salida S 3 aparecerá la cifra 1 (dígito de la suma) y por la C 3, la cifra 0 (acarreo de la etapa). — Por las entradas A 4 y B 4 del cuarto se introducen los bits de cuarto orden (1 y 1) y por la entrada C 3, el acarreo de la etapa anterior (0). Por la salida S 4 aparecerá la cifra 0 (dígito de la suma) y por la C 4, la cifra 1 (acarreo de la etapa).
D A
— Por las entradas A 1 y B 1 del primero se introducen los bits de primer orden (1 y 0). Por la salida S 1 aparecerá la cifra 1 (dígito de la suma) y por la C 1, la cifra 0 (acarreo de la etapa).
V
O
M
11. Diferencia estructural: • El semisumador dispone sólo de dos entradas por las que se introducen los bits que se han de sumar. • El sumador total dispone de tres entradas: por las dos primeras se introducen los bits que se suman y, por la tercera, el acarreo procedente de la etapa anterior. Diferencia de funcionamiento: • El semisumador sólo permite la suma de una etapa, es decir, de un orden de unidades.
El resultado final de la suma estará formado por el acarreo de la última etapa seguido de los dígitos correspondientes a las etapas cuarta, tercera, segunda y primera. La suma será: 1001 1100 10101 13. Un codificador decimal es un circuito combinacional capaz de convertir señales procedentes de un sistema decimal en su combinación binaria correspondiente. Los codificadores decimales disponen de 10 entradas (una para cada dígito decimal) y de 4 salidas, de modo que se cumple la ecuación 2 n N, donde N es el número de entradas y n, el de salidas, ya que: n.° combinaciones → 24 16 10 → → n.° entradas
87
Cada cifra decimal que se activa en la entrada tendrá su combinación binaria correspondiente a la salida del codificador, según la tabla de verdad siguiente:
C
D
Salidas excitadas
Dígito
0
0
0
0
a-b-c-d-e-f
0
0
0
0
1
b-c
1
0
0
1
0
a-b-d-e-g
2
0
0
1
1
a-b-c-d-g
3
0
1
0
0
b-c-f-g
4
0
1
0
1
a-c-d-f-g
5
0
1
1
0
a-c-d-e-f-g
6
0
1
1
1
a-b-c
7
1
0
0
0
a-b-c-d-e-f-g
8
1
0
0
1
a-b-c-d-f-g
9
Salidas
Denominación
Dígito
A
B
C
D
E0
0
0
0
0
0
E1
1
0
0
0
1
E2
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
E4
4
0
1
0
0
E5
5
0
1
0
1
E6
6
0
1
1
0
E7
7
0
1
1
1
E8
8
1
0
0
0
E9
9
1
0
0
1
Los decodificadores BCD/7 segmentos disponen de 4 entradas y de 7 salidas, de modo que en ellos también se cumple la ecuación 2 n N, sólo que ahora n es el número de entradas y N, el de salidas: n.° combinaciones → 24 16 7 → → n.° salidas El funcionamiento de este dispositivo es el siguiente: cuando se presenta una determinada combinación binaria a la entrada, el decodificador excita las salidas de los segmentos que configuran el dígito que representa el valor decimal correspondiente, según se indica en la tabla siguiente.
Como puede observarse, ambos circuitos combinacionales operan de forma inversa, de modo que las entradas de uno corresponden siempre a las salidas del otro, y viceversa. 14. Para poder sumar números enteros entre el 0 y el 9, hemos de expresarlos previamente en código binario, tal y como se indica a continuación: 0 0000(2
1 0001(2
2 0010(2
3 0011(2
4 0100(2
5 0101(2
6 0110(2
7 0111(2
8 1000(2
9 1001(2 En consecuencia, necesitaremos cuatro sumadores totales, cada uno de los cuales se encargará de sumar una de las etapas, es decir, uno de los órdenes de unidades. A B
Sumador 4
C3 A B
Sumador 3
C2 A B
Sumador 2
C1 A B
Sumador 1
C4
A
S4
B
C3
C
S3
D
C2
A
S2
B
C1
C
S1
D
Decod.
a b c d e f g
Decenas
E3
Por el contrario, un decodificador BCD/7 segmentos es un circuito combinacional cuya misión es convertir todas las combinaciones binarias pertenecientes a un código determinado en su correspondiente equivalencia en el sistema decimal. Además, disponen de un visualizador que permite representar cada valor decimal en una pantalla formada por siete segmentos por dígito.
88
B
Decod.
a b c d e f g
Unidades
Entradas
A
— El primer sumador se encarga de sumar las cifras de primer orden. Por la salida S 1 aparecerá el dígito de la suma y por la C 1, el acarreo de la etapa. — El segundo sumador se encarga de sumar las cifras de segundo orden más el acarreo de la primera etapa. Por la salida S 2 aparecerá el dígito de la suma y por la C 2, el acarreo de la etapa. — El tercer sumador se encarga de sumar las cifras de tercer orden más el acarreo de la segunda etapa. Por la salida S 3 aparecerá el dígito de la suma y por la C 3, el acarreo de la etapa. — Finalmente, el cuarto sumador se encarga de sumar las cifras de cuarto orden más el acarreo de la tercera etapa. Por la salida S 4 aparecerá el dígito de la suma y por la C 4, el acarreo de la etapa. El resultado final de la suma estará formado por el acarreo de la última etapa seguido de los dígitos correspondientes a las etapas cuarta, tercera, segunda y primera, lo que significa que puede llegar a tener hasta cinco dígitos, ya que:
— Cuando en la salida C 4 aparezca bit 1, éste se transmitirá a la entrada D. Como el resto de entradas siguen sin estar conectadas, todas ellas reflejarán bit 0. Según la tabla del ejercicio anterior, se excitarán las salidas b-c y en el display se podrá visualizar la cifra 1. De este modo, el conjunto formado por los dos displays reflejará fielmente el resultado de la suma.
15. Los multiplexores son circuitos combinacionales que se utilizan cuando es necesario seleccionar la información procedente de diferentes terminales de modo que, por la salida, se obtenga una única información. El dispositivo en cuestión consta de 4 terminales de entrada, por lo que será necesario que disponga de dos entradas de mando y una única salida de información, para que se cumpla la ecuación 2 n N, donde n es el número de entradas de mando y N, el número de entradas de información.
9 9 18 10010(2
Los terminales de entrada, a los que denominaremos A, B, C y D, proporcionan una señal en código binario, es decir, 0 ó 1.
Para visualizar el resultado necesitamos un decodificador BCD/7 segmentos, que irá conectado a las cuatro salidas de los sumadores, S 1, S 2, S 3 y S 4 del modo siguiente:
Las entradas de control, que reciben el nombre de n 1 y n 2, seleccionan el terminal de entrada por medio de una combinación de señales binarias y la transmiten a la salida, de acuerdo con el criterio siguiente:
S1 → D
S2 → C
S3 → B
S4 → A
De este modo, el display nos permitirá visualizar la cifra de las unidades de la suma, de acuerdo con la tabla que aparece en el ejercicio anterior. Para poder visualizar, además, la cifra de las decenas, necesitamos otro decodificador BCD/7 segmentos cuya entrada D irá conectada a la salida C 4, correspondiente al acarreo de la última etapa. — Cuando en la salida C 4 aparezca bit 0, éste se transmitirá a la entrada D. Como el resto de entradas no están conectadas, todas ellas reflejarán bit 0. Según la tabla del ejercicio anterior, se excitarán las salidas a-b-c-d-e-f y en el display se podrá visualizar la cifra 0.
— Cuando la combinación (n 1,n 2) es (0,0), se selecciona el terminal A. — Cuando la combinación (n 1,n 2) es (0,1), se selecciona el terminal B. — Cuando la combinación (n 1,n 2) es (1,0), se selecciona el terminal C. — Cuando la combinación (n 1,n 2) es (1,1), se selecciona el terminal D. La salida, a la que denominaremos S, transmite la señal seleccionada. Para confeccionar la tabla de verdad de este multiplexor hay que tener en cuenta las 16 combinaciones que se producen en los terminales de entrada y las cuatro de los órganos de mando:
89
90
A
B
C
D
n1
n2
S
A
B
C
D
n1
n2
S
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Como puede apreciarse en la tabla, el bit que aparece en la salida S coincide con el que entra por la señal seleccionada por los órganos de mando.
16. La respuesta dependerá del multiplexor seleccionado por los alumnos. En todo caso, se ofrece un modelo de respuesta. Selector de canal de un televisor A través de la entrada de antena, el televisor recibe multitud de señales, A, B, C, D... procedentes de cada uno de los canales que emiten. El selector de canales dispone de un número determinado de preselecciones de canal, cada una de las cuales corresponde a una determinada combinación de bits del órgano de mando.
plexor envía a la salida la frecuencia de otra emisora, con lo cual cambiamos de programa.
17. Para determinar la tabla de verdad, partiremos del supuesto que la bombilla permanece apagada para una determinada combinación de las variables A y B. Por simplicidad, supondremos que esta combinación es 00. Si la bombilla puede encenderse desde cualquier posición y apagarse desde ésta o la otra, esto significa que un cambio de cualquiera de las dos variables determina un cambio del valor de la función y el cambio simultáneo de ambas no comporta ningún cambio de la función. En consecuencia, la tabla de verdad es:
En función del número de preselecciones, el órgano de mando dispondrá de un determinado número de entradas, ya que debe cumplirse la ecuación: 2n N En este caso, n es el número de entradas de mando y N, el número de preselecciones de frecuencia.
A
B
F
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
Así, el órgano de mando de un televisor que disponga de 30 presintonías ha de tener cinco entradas de mando, o lo que es lo mismo, la señal de preselección deberá tener cinco dígitos, ya que:
Escribimos la función como suma de los términos canónicos para los cuales la función adopta valor 1.
n.° combinaciones → 25 32 30 →
Pero, de acuerdo con la definición de las funciones lógicas elementales, esta expresión corresponde a la función ORex. Por tanto:
→ n.° presintonías Cuando se oprime el botón de una de las presintonías, las entradas de control introducen en el multiplexor la combinación correspondiente a la emisora seleccionada. Éste envía la frecuencia correspondiente a la salida y podemos ver el programa a través de la pantalla del televisor. Cuando oprimimos otro botón distinto, cambiamos la combinación de control y el multi-
F AB A B
FAB El logigrama de la función es, pues:
A F B
91
14. Control mediante circuitos lógicos II Actividades de aplicación (pág. 351) 1. En los circuitos combinacionales, las salidas dependen del estado de las entradas en cada instante. En consecuencia, las salidas son independientes del tiempo. En cambio, en los circuitos secuenciales, las salidas dependen del estado anterior en que se encontraban y del estado actual de las entradas. Estos sistemas tienen la propiedad de poder almacenar una información de forma indefinida, ya que son capaces de almacenar los estados de las salidas y convertirlos en variables internas del sistema. 2. La tabla de verdad del biestable JK será:
— El grupo de la primera fila representa los términos JK Q t y J K Q t . Se observa que la variable que cambia es la K, por lo que puede suprimirse, y queda J Qt . — El grupo de la segunda fila representa los términos J KQt y J KQ t . En este caso, la variable que cambia es la J, por lo que tam bién pueden suprimirse y queda KQ t . La función simplificada resulta ser:
Qt 1 J Qt K Qt
3. El número de impulsos N que es posible contar con un contador determinado dependerá del número de salidas n de que disponga éste, es decir, del número de biestables conectados al contador. En todo caso, deberá cumplirse la ecuación: 2n N
J (puesta a 1)
K (puesta a 0)
Q t (estado anterior)
Qt 1 (salida)
0
0
0
0
0
0
1
1
Por tanto, para que un contador sea capaz de contar hasta 20, se ha de cumplir:
0
1
0
0
2 n 20 ⇒ n log2 20 ⇒ n 4,32
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
Escribimos la ecuación lógica de la función como suma de los términos canónicos para los cuales la función adopta valor 1. Así pues:
Q t 1 J KQt J K Qt J KQt JK Q t
Para simplificar la función obtenida, utilizamos un diagrama de Karnaugh:
Como n ha de ser un número entero, el número mínimo de biestables que hay que conectar al contador es 5. 4. Para que un contador sea capaz de contar 5 000 impulsos, se ha de cumplir: 2 n 5 000 ⇒ n log2 5 000 ⇒ n 12,29 Como n ha de ser un número entero, el número mínimo de salidas del contador es 13. Para conocer el número máximo de impulsos que será capaz de contar este contador, basta aplicar de nuevo la fórmula: 2 n N ⇒ N 213 ⇒ n 8 192
JK
00
01
11
10
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
Qt
Se observa que pueden formarse dos agrupamientos de dos celdas: uno en la primera fila y otro entre el origen y el extremo de la segunda.
92
El número máximo de impulsos que será capaz de contar un contador con 13 salidas es 8 192. 5. Si consideramos que el LED encendido significa bit 1 y que el LED apagado significa bit 0, el estado de los LED representa el número binario: 100101
Pasamos este valor a sistema decimal y obtenemos el número que ha contado el contador: 100101(2 1 25 0 24 0 23 1 22 0 2 1 32 0 0 4 0 1 37 El número que ha contado el contador es el 37. 6. Si un contador dispone de 9 salidas, podrá contar un número de impulsos que viene dado por la expresión: 2 n N ⇒ N 29 ⇒ N 512 Para poder visualizar números en sistema decimal hasta el 512, el display del decodificador deberá disponer de una pantalla con tres dígitos. 7. Las memorias RAM o memorias de acceso aleatorio (Random Access Memory) son memorias de lectura-escritura, lo que significa que pueden facilitar información acerca de su contenido (lectura) o puede grabarse nueva información sobre ella (escritura). En cambio, las memorias ROM o memorias de sólo lectura (Read Only Memory), facilitan información acerca de su contenido que está pregrabado, pero no puede grabarse ninguna nueva información sobre ellas. 8. Por la tecnología empleada en su fabricación, las memorias se clasifican en tres grandes grupos: magnéticas, semiconductoras y ópticas. • Las memorias magnéticas se basan en la imantación de las partículas metálicas existentes en la superficie de un disco o una cinta. Los soportes habituales de este tipo de memorias son las cintas magnéticas, los discos duros, los disquetes y las unidades ZIP y JAZ. • Las memorias semiconductoras están formadas por una matriz de células de memoria que incorporan un semiconductor (diodo o transistor bipolar), fabricado a base de silicio y otros materiales semiconductores. La programación de las células se efectúa por medio de impulsos eléctricos o utilizando rayos ultravioleta. En este grupo se encuentran las memorias RAM y todas las varieda-
des de memorias ROM (PROM, EPROM, EEPROM y FLASH). • Las memorias ópticas llevan a cabo la lectura de la información por medio de un haz de láser. En este grupo se incluyen todas las variedades de discos ópticos, como los WORM, EDOD y los conocidos CD-ROM. 9. En principio se trata de memorias de sólo lectura. La diferencia fundamental radica en la posibilidad o no de modificar la información, utilizando la tecnología adecuada y en el tiempo de respuesta. • Las memorias ROM (Read Only Memory) vienen programadas por el fabricante. Una vez grabadas, la información ya no puede modificarse de ninguna manera. • Las memorias PROM (Programmable Read Only Memory) suponen un avance, ya que la información es introducida por el usuario, en lugar de por el fabricante. Pero, como las anteriores, una vez programadas, la información ya no puede modificarse de ningún modo. • Las memorias RPROM (Reprogrammable Read Only Memory) constituyen un importante avance respecto a las PROM. Como en éstas, la información es introducida en la memoria por el usuario pero, a diferencia de ellas, esta información puede borrarse utilizando rayos ultravioleta, de modo que la memoria resulta así reprogramable. • Las memorias FLASH son una variante de las RPROM, ya que emplean impulsos eléctricos en lugar de rayos ultravioleta para el proceso de reprogramación. Además, resultan mucho más rápidas de acceso y de respuesta. De ahí su nombre. 10. El proceso de programación de una memoria PROM es el siguiente: — El fabricante del soporte físico de la memoria suministra la matriz con los puntos acoplados por medio de semiconductores en serie con fusibles. — Para programar la información, se seleccionan, uno a uno, los puntos de la matriz en los que se desea introducir un bit 0, por medio de la fila y la columna correspondientes.
93
— Se introduce por la línea un impulso eléctrico de suficiente intensidad como para que funda el fusible. De este modo, el semiconductor (diodo o emisor del transistor bipolar) queda aislado y sin posibilidad de conducir. Por tanto, cuando se proceda a su lectura, como no permite el paso de corriente, nos dará bit 0. Como una vez fundido el fusible es imposible volver a reponerlo, la información quedará grabada de forma permanente en la memoria. La operación de grabado la efectúa el usuario por medio de un dispositivo denominado grabador de memoria. 11. Datos: Disco duro: 5 Gb Disquete: 1,44 Mb Unidad ZIP: 100 Mb Disco óptico: 230 Mb CD-ROM: 600 Mb — Para determinar la equivalencia entre el disco duro y los disquetes convencionales dividimos los respectivos valores de memoria: 1 disco duro 1 024 Mb 1 disquete 5 Gb ————— ————— 1 Gb 1,44 Mb 3 555,55 disquetes La memoria del disco duro equivale a 3 556 disquetes. — Para determinar la equivalencia entre la unidad ZIP o el disco óptico y los disquetes convencionales, procederemos del mismo modo: 1 disquete 1 Unidad ZIP 100 Mb ————— 1,44 Mb 69,44 disquetes 1 disco óptico 1 disquete 230 Mb ————— 1,44 Mb 159,72 disquetes Una unidad ZIP puede sustituir a 70 disquetes convencionales y un disco óptico, a 160.
94
— Para transportar un fichero de 800 kb basta utilizar un disquete convencional (1,44 Mb) aunque también puede utilizarse una unidad ZIP o un disco óptico. El CD-ROM queda descartado, ya que se trata de un soporte de memoria de sólo lectura y, en consecuencia, no se podría modificar posteriormente el fichero transportado. Para transportar un archivo de 56 Mb puede utilizarse una unidad ZIP (100 Mb) o bien un disco óptico (230 Mb). Los disquetes convencionales quedan descartados por el elevado número que sería nece56 Mb sario ———— 39 . El CD-ROM tam1,44 Mb bién se descarta por la misma razón expresada en el apartado anterior.
Para transportar un programa informático de 600 Mb se necesita un CD-ROM (600 Mb). También podrían utilizarse unidades ZIP (seis como mínimo) o discos ópticos (tres como mínimo), siempre que el programa admitiera su fragmentación en diferentes archivos. Los disquetes quedan descartados por el elevado número que 600 Mb sería necesario ———— 417 y por1,44 Mb que probablemente el programa no admitiría tan gran fragmentación.
— Para importar un programa de 160 Mb puede utilizarse un disco óptico (230 Mb) o un CD-ROM (600 Mb). También podrían utilizarse unidades ZIP (dos como mínimo), siempre que el programa admitiera su fragmentación en diferentes archivos. Los disquetes quedan descartados por el eleva160 Mb do número que sería necesario ———— 1,44 Mb 112) y porque probablemente el programa no admitiría una fragmentación tan grande.
— Para exportar un programa de 200 Mb puede utilizarse un disco óptico (230 Mb) o un CD-ROM (600 Mb). También podrían utilizarse unidades ZIP (tres como mínimo), siempre que el programa admitiera su fragmentación en diferentes archivos. Los disquetes quedan descartados por el elevado 200 Mb número que sería necesario ———— 1,44 Mb 139) y porque probablemente el pro-
grama no admitiría una fragmentación tan grande.
Escribimos la ecuación lógica de la función como suma de los términos canónicos para los cuales la función adopta valor 1. Así pues:
12. Definimos las variables del sistema:
Q t 1 A CF A C F A CF AC F
— A es la variable que permite la apertura de la puerta. — C es la variable que permite el cierre de la puerta. — F representa el estado anterior de la puerta: 0 significa cerrada y 1, abierta. — F es la función que queremos definir. De acuerdo con el enunciado del problema, en el punto de partida la puerta puede estar abierta o cerrada. Por tanto, la tabla de verdad será: A (apertura)
C (cierre)
F (estado anterior)
F (resultado)
0
0
0
0
0
0
1
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0
Para simplificar la función obtenida, utilizamos un diagrama de Karnaugh: AC
00
01
11
10
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
F
Se observa que pueden formarse dos agrupamientos de dos celdas: uno en la primera fila y otro entre el origen y el extremo de la segunda. — El grupo de la primera fila representa los términos AC F y A C F Se observa que la variable que cambia es la C, por lo que puede suprimirse, y queda A F. — El grupo de la segunda fila representa los términos A CF y A CF En este caso, la variable que cambia es la A, por lo que tam bién pueden suprimirse y queda CF. La función simplificada resulta ser:
F AF CF
15. Control programado Actividades de aplicación (pág. 377) 1. En un sistema de control en lazo cerrado existe una relación entre la respuesta del sistema y las variables de entrada, de modo que el sistema tiende a mantener una relación establecida inicialmente entre dos variables: la variable de referencia y la respuesta del sistema. — La variable de referencia se fija externamente y nos indica cuál ha de ser la respuesta teórica que ha de alcanzar el proceso. — La respuesta del sistema es la que realmente se produce.
Un sistema de control en lazo cerrado consta de varios elementos: los detectores, los comparadores, los accionadores y el proceso propiamente dicho.
Comparador
Accionador
Proceso
Detectores
— La información que utiliza el sistema de control es recogida por un conjunto de ele-
95
mentos denominados detectores, que la preparan o la transforman adecuadamente y la remiten al comparador. Esta información que se recoge es el resultado de una serie de cambios físicos que tienen lugar como consecuencia de la función para la que se diseñó la máquina o el proceso. — El comparador se encarga de procesar la información recibida y de generar unas órdenes que se transmiten a la máquina o al proceso a través de accionadores o actuadores. — Los accionadores transforman las órdenes recibidas en magnitudes o cambios físicos en el sistema mediante una aportación de potencia. — Por otra parte, el comparador es capaz de proporcionar información ya elaborada sobre el estado y evolución del sistema, intervenir en el desarrollo del control mediante la modificación de los parámetros de control o tomar el mando total pasando el sistema a control manual. 2. Las tecnologías cableadas se denominan así porque los elementos que constituyen el sistema de control están relacionados entre sí por medio de uniones físicas.
3. Las principales ventajas de los circuitos integrados son: — La sencillez de diseño, ya que no se precisa ninguna herramienta específica para éste. — Su velocidad elevada. — El bajo coste de fabricación. Sus inconvenientes son: — Se trata de una opción rígida, lo que significa que cualquier modificación en los planteamientos del problema comportará la necesidad de un nuevo diseño de circuito. — El tamaño del circuito, que aumenta conforme lo hace la complejidad del proceso de control, lo que incrementa la posibilidad de error. 4. Para comprender las analogías y las diferencias entre los dos dispositivos, describiremos primero la memoria PROM y, a partir de ella, analizaremos los cambios que se introducen en una FPLA.
La tecnología cableada ha sido y sigue siendo extensamente empleada en la industria, pero presenta ciertos inconvenientes:
Las memorias PROM (Programmable Read Only Memory o memoria programable de sólo lectura) se designan con algoritmos tales como 4 3 1 K, 16 3 4 K, etc. La primera cifra designa el número de palabras (unidades de memoria formadas por un conjunto determinado de bits) que puede albergar la memoria, y la segunda, el número de bits de cada palabra. El producto de ambas cifras indica el número de bits de memoria disponibles en la PROM.
— En general, ocupa mucho espacio, sobre todo las aplicaciones hidráulicas y neumáticas.
Están constituidas por un amplificador de entrada, un decodificador, una matriz de memoria y un amplificador de salida.
La forma en que se establecen dichas uniones se determina a través de la experiencia o por un planteamiento teórico en el que se emplean las ecuaciones lógicas. Los circuitos o esquemas son aplicables a dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos.
— Se trata de tecnología de programación rígida, es decir, resulta poco flexible a la hora de efectuar modificaciones o ampliaciones. — La identificación y la resolución de averías pueden resultar difíciles. — No se adapta a funciones de control complejas.
96
Frente a ellas, las tecnologías programadas aprovechan las posibilidades de desarrollo que ofrecen los circuitos digitales, muy abundantes en la actualidad.
A0 A1 A2
101 110
O0 O1 O2
An
100
Om
Decodificador Amplificador
Matriz de memoria
Amplificador de salida
El decodificador de direcciones nos permite acceder a cualquier posición de memoria. Se comprende por qué se llaman de acceso aleatorio, ya que basta seleccionar una línea y una columna para acceder a una posición. Como en este dispositivo se cumple la ecuación 2n N, donde n es el número de entradas y N, el de salidas, el número de posiciones de memoria a las que podemos acceder dependerá de las características del decodificador. La matriz de memoria es propiamente la memoria, donde se almacenan y se escriben los datos que nos interesan. Cada célula de memoria está formada por un diodo semiconductor (o el emisor de un transistor bipolar) en serie con un fusible. — Si el fusible no está fundido, permite el paso de la corriente (no ofrece resistencia) y la célula registra un bit 1. — Por el contrario, cuando está fundido, impide el paso de la corriente (ofrece resistencia) y la célula registra un bit 0. El amplificador de salida nos permite, por una parte, preparar la memoria para leer o para escribir y, por otra, adaptar los niveles de funcionamiento de la memoria al exterior. Las FPLA (Field Programmable Logic Array o matriz lógica programable por el usuario) se designan con un algoritmo similar al empleado para las PROM (por ejemplo, 48 3 8 K). Así, en una primera aproximación podemos decir que una FPLA es una PROM de pequeña capacidad, pero con una diferencia fundamental en la estructura de entrada: el decodificador viene sustituido por una matriz programable, ya que no se necesita un decodificador capaz de seleccionar todas las posiciones de memoria. El amplificador de entrada, la matriz de memoria y el amplificador de salida son semejantes a los empleados en las memorias PROM.
Matriz de memoria A0 A1 A2 An
101 110
Amplificador de entrada
El amplificador de entrada dispone de dos salidas para cada una de las variables: una negada y otra sin negar. Cada una de estas salidas corresponde con una entrada del decodificador.
100
Matriz programable Amplificador de salida O0 O1 O2
Om
La matriz programable dispone de entradas y salidas para cada fila y cada columna. — Las filas corresponden a las salidas del amplificador de entrada, como ya hemos indicado. — Las columnas están conectadas, a través de una resistencia, a una tensión en corriente continua, que es la que se va a utilizar para efectuar la programación. Cada punto que se representa en la matriz programable corresponde a la unión de una fila con una columna. En realidad, no se trata de dos conductores que se tocan, sino de una propuesta semejante a la utilizada en las memorias PROM (semiconductor unido en serie con un fusible). En este caso, el semiconductor es un transistor multiemisor. 5. El mecanismo de programación de una FPLA es muy semejante al que se emplea en las memorias PROM, en lo que se refiere a la selección de la posición objeto de grabación. — Se selecciona el punto que se desea programar, mediante la línea y la columna correspondientes. — Se introduce por la línea un impulso eléctrico de intensidad lo suficientemente alta como para que funda el fusible. De esta forma, el emisor del semiconductor queda aislado y sin posibilidad de conducir. Por tanto, cuando la entrada correspondiente tenga el fusible fundido, no existirá en la salida de la puerta AND. Como ocurre en las memorias PROM, una vez fundido el fusible es imposible volver a reponerlo. Por tanto, la información quedará grabada para siempre en la FPLA. 6. La estructura básica de un ordenador propuesta por Von Neumann incorpora varios ele-
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mentos: la CPU, la unidad de control, la unidad de memoria y la unidad E/S.
E/S
Memoria
• Unidad aritmético-lógica. Denominada abreviadamente ALU, desarrolla las operaciones aritméticas y lógicas.
CPU
• Registro de direcciones de memoria. Conocido como buffer, guarda los registros generales de direcciones y es el encargado de comunicarse con la memoria.
Control Microcomputador
Microprocesador
• La CPU o unidad central de procesamiento constituye el corazón del ordenador. • La unidad de control es la encargada de regular el funcionamiento del sistema. • La unidad de memoria que alberga el programa que se ha de ejecutar y los datos que se almacenan. • La unidad E/S permite la entrada y la salida de información. Los microprocesadores y los microcomputadores integran algunos de estos elementos:
• Registro de instrucciones. En él se guarda el código de operación de la instrucción, que sirve para gobernar el sistema de temporización y control a través del decodificador de instrucciones. • Registro temporal. Está asociado a la unidad aritmético-lógica y sirve para guardar temporalmente uno de los operandos en las instrucciones de procesamiento que emplean dos de ellos. • Temporización y control. Es el encargado de establecer la frecuencia de trabajo y controlar todo el sistema.
• Los microprocesadores, que aparecieron a comienzos de la década de los setenta, incorporaban, en un sólo circuito integrado, la CPU y la unidad de control.
Todos estos bloques están unidos mediante los buses, que son los encargados de llevar las señales a cada uno de los bloques.
• Los microcomputadores, desarrollados en la década de los ochenta, integran la totalidad de los componentes del sistema.
Estos buses son de tres tipos: bus de direcciones, bus de datos y bus de control.
7. Diagrama lógico de un microprocesador:
Unidad aritmético-lógica Bus de direcciones Contador
Registro acumulador
Registro de direcciones
Decodificador registro de instrucciones Bus de control
Reloj
• Bus de direcciones. Designado como AB (Adress Bus), es el encargado de direccionar la posición de memoria a la que se quiere acceder. • Bus de datos. Designado como DB (Data Bus), lleva los datos a los distintos bloques del microprocesador y a la memoria externa. • Bus de control. Designado como CB (Control Bus), se encarga de controlar la información que pasa en cada momento por los buses AB y DB.
Bus de datos
Control
RD
98
• Registro acumulador. En él se llevan a cabo todas las operaciones del microprocesador que emplean dos operandos.
WR
El punto central de la estructura es el bus externo, por el que circulan datos, direcciones y señales de control.
Bus de datos
8. Diagrama lógico de un microcontrolador:
Memoria programa
Memoria datos
Contador programa
Registro direcc. RAM
Unidad aritmético-lógica
Registro acumulador
Registro
Decodificador. registro instrucc.
Latch
Reloj
Buffer
Control
Puerto
RD
WR
Comparándolo con el de un microprocesador, se observa que se han añadido la memoria de programa, la memoria de datos y los puertos de entrada/salida. • La memoria de programa es una memoria EPROM y alberga el programa que se ha de ejecutar. • La memoria de datos es una memoria RAM y recoge los datos y las informaciones necesarias para el desarrollo del programa. • Los puertos de entrada/salida permiten el intercambio de información con el resto del sistema y con los periféricos. 9. Para llevar a cabo su función, los microprocesadores necesitan dos memorias: una para albergar el programa y la otra para almacenar datos. — La memoria de programa es una memoria ROM (memoria de sólo lectura) ya que la información relativa al programa, una vez introducida, no debe poder modificarse. — En cambio, la memoria de datos es una memoria RAM (memoria de lectura y escritura) porque el intercambio de datos e informaciones es constante y se requiere una memoria cuyo contenido pueda ser modificado a lo largo del tiempo. 10. Un programa es una secuencia de instrucciones que se incorporan a la memoria del microprocesador o el microcontrolador. Éstos van leyendo las instrucciones y las van ejecutando de forma secuencial. Los lenguajes de programación permiten introducir en el micro las instrucciones de forma
más o menos sencilla. Existen lenguajes de bajo nivel y lenguajes de alto nivel. — Los lenguajes de bajo nivel son parecidos al lenguaje máquina y resultan muy difíciles de confeccionar. Un ejemplo es el lenguaje ensamblador, habitualmente utilizado en la programación de los microprocesadores. Su principal inconveniente es que cada fabricante tiene su propio lenguaje, lo que dificulta su manejo. — Los lenguajes de alto nivel intentan aproximarse más al lenguaje hablado y son más sencillos de confeccionar, ya que las órdenes están normalizadas y utilizan palabras y abreviaturas inglesas. Ejemplo de estos lenguajes son el Cobol, el Basic, el Logo y el Pascal, usados en la programación de microcontroladores. La ventaja de estos lenguajes radica en que la forma de programar siempre es la misma, independientemente de quién sea el fabricante del micro. El principal inconveniente es la necesidad de convertirlo en un lenguaje código que pueda entender el microcontrolador, o lo que es lo mismo, se ha de realizar una compilación. En consecuencia, si el programa es muy complejo, el código que se genera puede llegar a exceder la memoria del micro. 11. La evolución de los microcontroladores, en el sentido de aumentar la capacidad de lectura a 32 ó 64 bits, supone un incremento de la complejidad de éstos y, en consecuencia, un aumento de volumen y coste. En cambio, los microcontroladores de 8 bits pueden ser aplicados a la mayoría de procesos de control y su volumen y su coste se han ido reduciendo progresivamente. De este modo, el control informatizado puede extenderse a gran cantidad de procesos sin que ello suponga un incremento significativo del coste. 12. Los sistemas informáticos se aplicaban en los procesos industriales donde la cantidad de información hacía extremadamente complicado el empleo de equipos cableados. Sin embargo, estos equipos informáticos, si bien paliaban los inconvenientes de las técnicas cableadas, presentaban algunos inconvenientes para su empleo generalizado en el control industrial:
99
— Estaban poco adaptados a las condiciones del medio industrial. — Requerían especialistas en informática para la programación. — El mantenimiento y el coste del equipo eran muy elevados.
que, aunque no forman parte del núcleo del equipo, son necesarios para su aplicación. Nos referimos a los denominados periféricos, entre los que cabe destacar los equipos de programación, los visualizadores, las impresoras...
En estas condiciones, el autómata programable aparece como una alternativa a la aplicación de los equipos informáticos. Para comprender mejor las ventajas de estos nuevos dispositivos, basta observar su evolución:
14. Los autómatas programables disponen de un procesador binario que es capaz de interpretar una serie de códigos o instrucciones —que especifican las acciones que se han de desarrollar en el sistema—, en función de las variables de éste.
• Los primeros equipos aparecen en 1968 y están pensados para sustituir conjuntos de relés que controlan máquinas o procesos secuenciales: cadenas de transporte, líneas de montaje...
El procesador trabaja de forma secuencial, es decir, interpreta una única instrucción cada vez, pero a una gran velocidad (unos pocos microsegundos).
• A principios de la década de los setenta, los autómatas incorporan microprocesadores, lo que permite aumentar sus prestaciones: manejo de datos, operaciones aritméticas, comunicación con el ordenador... • A finales de la década de los setenta, aparece una mejora de prestaciones: aumento de la memoria, entradas/salidas analógicas y numéricas... • En la década de los ochenta se mejoran todavía más algunas prestaciones: velocidad de respuesta, reducción de dimensiones, posibilidad de almacenar grandes cantidades de datos, posibilidad de utilizar en la programación lenguajes alternativos, importante disminución de precios... 13. Diagrama de bloques de un autómata programable: Actuadores CPU Memoria
Unidades de E/S
Adaptadores para periféricos
Equipo de programación
Visualizadores
Proceso Detectores
• La memoria de programa almacena las instrucciones que nos interesa que ejecute el autómata. • La memoria de E/S almacena las instrucciones procedentes de los estados de entrada. Una vez que todas las instrucciones se encuentran en la memoria de programa, el procesador inicia un acceso secuencial a cada una de ellas. En el curso de este acceso, se obtienen los resultados del programa y van siendo almacenados en la memoria de E/S. Una vez finalizada la lectura de la memoria del programa, el procesador transfiere a la salida los resultados obtenidos y almacena los estados de las entradas. Este proceso se repite de forma indefinida mientras el autómata programable esté en funcionamiento. Se comprende la necesidad de que todo el programa se encuentre en la memoria ya que, de no ser así, el procesador no podría acceder a él en su totalidad y no se podría ejecutar de forma correcta.
Impresoras
La diferencia entre un microcontrolador y un autómata programable radica en que este último incorpora una serie de componentes
100
Para ello, el autómata dispone de dos partes de memoria: la memoria de programa y la memoria de E/S.
15. La diferencia fundamental entre un controlador industrial y los microprocesadores, los microcontroladores y los autómatas programables radica en que éstos se pueden adaptar a cualquier tipo de proceso, mientras que los
controladores industriales tienen ámbitos de actuación específicos, que se definen en cada caso. 16. Controlador industrial de temperatura:
Indicadores de alarma: se activan cuando la temperatura alcanza unos valores de alarma previamente establecidos. Display del valor de referencia: señala el valor de la temperatura de referencia establecida. Display del valor actual: muestra la temperatura del proceso que se está controlando y los mensajes de error.
PV
17. El proceso de programación de un controlador industrial es el siguiente:
SV MANU OUT
SHIFT
AT
ALM1
ALM2
A/M
AT OUTPUT AL - 1 Ala rm 1 En - 5 Input Shift P P Send (P4 ) L I Time (s) dP D Time (s)
INPUT C Scoling low SP - 5SP ; D Time (s) Shift Cn - t D Tim CP Count pu e (s) t in (s) HY5 Hysteres is (1/2) HY5A Alarm Hysteresis (1/2)
Sus elementos fundamentales son: indicador de ajuste automático, indicador de salida, tecla de función, tecla de desplazamiento, tecla A/M, indicadores de alarma, display del valor de referencia y display del valor actual. Indicador de ajuste automático: permanece intermitente con una frecuencia de 1 s mientras se ejecuta el cálculo automático de las constantes. Indicador de salida: se enciende cuando la salida de control está activada. Si el controlador dispone de salida analógica y se está utilizando, se apaga. Tecla de función: se utiliza para cambiar el parámetro seleccionado, fijar el valor de referencia o modificar los valores de alarma.
— Se conecta el controlador de modo que se encuentre inicialmente en modo de salida automático. El controlador calcula automáticamente las constantes y, al finalizar, muestra en el display el valor estándar por defecto. — A continuación, se introduce el valor de referencia que nos interesa en el display de referencia por medio de las teclas de desplazamiento. Una vez visualizado, el valor se confirma mediante la tecla de función. — El visualizador muestra el símbolo AL y nos demanda los valores de alarma. Se procede del mismo modo que en el paso anterior: se introduce el valor por medio de las teclas de desplazamiento y, una vez visualizado, se confirma mediante la tecla de función. — Aparecen sucesivamente en el visualizador de proceso los símbolos P, I y D, correspondientes a los valores de las constantes proporcional, integral y derivativa, respectivamente.
Teclas de desplazamiento: permiten modificar la referencia, los valores de alarma o cualquier otro parámetro que previamente se haya seleccionado con la tecla de función.
Para modificar los valores que el controlador ha calculado automáticamente, se procede del mismo modo: introducción del valor mediante las teclas de desplazamiento, visualización en el display y confirmación, a través de la tecla de función.
Tecla A/M: permite cambiar el modo de salida manual a modo automático y viceversa. El modo manual permite activar manualmente las salidas.
Una vez finalizada la programación con los valores deseados, el controlador está en condiciones de conectarse al proceso.
101
18. Proceso
Sistema de control
Control del brillo y la luminosidad de la pantalla de un televisor. Circuito integrado.
Ventajas
Pequeño tamaño, sencillez de diseño, velocidad elevada, bajo coste.
Inconvenientes
Posibilidad de error.
Proceso
Control del llenado y cierre de las botellas de una planta embotelladora.
Sistema de control
Autómata programable.
Ventajas
Gran flexibilidad, lo que permite adaptarlo a diferentes tipos y tamaños de botellas.
Inconvenientes
Baja velocidad. Necesidad de herramientas informáticas para programarlo.
Proceso
Control de la temperatura de un proceso.
Sistema de control
Controlador industrial.
Ventajas
Control específico. Compacto y resistente.
Inconvenientes
En ocasiones, coste elevado.
19. Una red neuronal es un sistema de computación formado por un gran número de procesadores simples, con una gran interconexión, los cuales procesan la información por la respuesta en estado dinámico de entradas externas. Si la comparamos con el funcionamiento del sistema nervioso de los animales, observaremos lo siguiente: • El sistema nervioso de los animales está compuesto por una serie de neuronas de entrada (las que se encuentran en los órganos de los sentidos: retina del ojo, caracol del oído, pituitaria de la nariz, papilas gustativas, corpúsculos táctiles), que se conectan a las neuronas calculadoras (situadas en la
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corteza cerebral). Éstas procesan la información y envían la respuesta a las neuronas de salida (por ejemplo, las situadas en los músculos), que son las encargadas de ejecutar la orden dada por el cerebro. • De modo semejante actúa una red neuronal artificial: la información procedente de las neuronas de entrada (sensores) es transmitida a las neuronas calculadoras (control), que, a su vez, se conectan con las neuronas de salida (actuadores). Con todo, la diferencia entre uno y otro sistema es enorme ya que el sistema nervioso de los animales superiores tiene billones de neuronas y una red neuronal artificial puede llegar a tener sólo varios miles de unidades. 20. La lógica digital, que es la que se emplea en los ordenadores convencionales, trabaja en lenguaje binario, de modo que sólo admite informaciones de tipo bit 1 (por ejemplo, blanco) ó bit 0 (por ejemplo, negro). Por ello, tiene algunos problemas para manejar datos con matices, tales como poco oscuro o muy oscuro, ya que éstos son términos típicos del razonamiento humano. La lógica fuzzy fue diseñada para permitir a los ordenadores trabajar no sólo con variables cuantitativas, sino también con cualitativas. El campo de aplicación de la lógica fuzzy es bastante amplio y, sobre todo, es muy interesante en procesos que requieran conceptos típicos del razonamiento humano. Entre los campos de aplicación pueden citarse el industrial y el doméstico. • En el ámbito industrial la lógica fuzzy permite controlar, por ejemplo, la inyección electrónica de combustible al motor. • En el ámbito doméstico, la lógica fuzzy se aplica a la programación de una lavadora, al control del aire acondicionado... Veamos el caso de una secadora industrial. Las secadoras convencionales disponen de un programador, eléctrico o electrónico, mediante el cual se selecciona un programa de secado que lleva a cabo un control sobre determinadas variables, tales como carga (plena carga/media carga), tipo de ropa (normal/delicada), velocidad de giro, temperatura del aire
o número de ciclos de secado. Cada programa funciona con una serie de parámetros preestablecidos que actúan una vez seleccionado el programa, independientemente del contenido de la secadora. Una secadora provista de lógica fuzzy sería capaz, por ejemplo, de adecuar el régimen de secado a las características de la ropa, seleccionar la temperatura en función de los tejidos o calcular el tiempo de secado a partir del grado de humedad de la ropa introducida. 21. El control basado en modelos se lleva a cabo a través de tres grandes fases: la modelización del proceso, su expresión en forma matemática y la selección del controlador más adecuado. • La modelización del proceso supone analizar éste y encontrar un modelo matemático que se ajuste al comportamiento de las variables que lo determinan, en función del tiempo. • La expresión en forma matemática del proceso significa encontrar una serie de ecuaciones (estáticas o dinámicas), que permitan formular el proceso en términos de algoritmos matemáticos. • Finalmente, la selección del controlador más adecuado supone discriminar cuál es el tipo de controlador estándar que mejor se ajusta a las características del proceso. 22. La domótica es la disciplina que se ocupa del control inteligente de edificios destinados a oficinas y otros servicios, y a viviendas habituales. 23. (La respuesta es abierta y dependerá de las características de las viviendas de cada alumno/a. No obstante, se ofrece un modelo.) • Detección de fugas de gas: un sistema de sensores, instalado en la cocina y en las inmediaciones del contador del gas y del calentador, podría detectar la presencia de gas. La señal, una vez procesada, sería enviada a un actuador que cerraría inmediatamente la llave general del gas y cortaría el suministro de éste a la vivienda. Posteriormente, cuando los sensores detectaran ausencia de gas, la señal podría invertir el pro-
ceso y hace que el actuador volviera a abrir la llave general, restableciendo así el suministro. • Detección de incendios: otro sistema de sensores, distribuidos por toda la casa, podría detectar el aumento de temperatura provocado por el fuego. La señal de alarma, una vez procesada podría activar sprinklers situados en el techo de la vivienda o bien seleccionar el número de teléfono de los bomberos y emitir un mensaje de socorro pregrabado. • Detección de intrusos: otro sistema de sensores, instalado en puertas y ventanas, podría detectar la presencia de personas. La señal, como en el caso anterior, podría seleccionar el número de la policía, estar conectada a una central de alarmas, o bien activar una sirena y una luz en la fachada de la vivienda. Con el fin de evitar que los propios usuarios de la vivienda activaran el dispositivo, éste debería contar con un sistema de conexión y desconexión que pudiera ser activado manualmente y provisto de un código secreto, sólo conocido por los que viven en la casa. • Simulación de presencia: un programa conectado a la red eléctrica podría encender y apagar las luces de la casa, a partir de una determinada hora y siguiendo un ritmo aleatorio (para evitar ciclos repetitivos que pudieran ser observados desde el exterior) y, eventualmente, conectar y desconectar el televisor o la cadena musical. • Conexión/desconexión de aparatos: un sensor situado junto al televisor puede desconectar éste cuando, transcurrido un tiempo de demora, se aprecie la inexistencia de personas en la habitación. • Regulación de la temperatura: un controlador de temperatura puede activar o desactivar la bomba de calor cuando se detecte diferencia entre la temperatura preseleccionada y la temperatura ambiente. Paralelamente, el sistema podría seleccionar automáticamente el modo (calefacción o aire acondicionado), según la temperatura se situara por debajo o por encima de la temperatura preseleccionada. También podría distinguir entre el día y la noche.
103
• Conexión/desconexión de alumbrado: una serie de sensores instalados en las habitaciones podría enviar una señal que desconectara el alumbrado (en caso de estar activado) cuando, transcurrido un tiempo de demora, no se detectara presencia de personas en la habitación. El mismo sistema se encargaría de activar el alumbrado de forma inmediata, a partir de una determinada hora, al detectar la presencia de personas. • Accionamiento automático de persianas y toldos: un sistema de sensores, instalado junto a cada ventana, se encargaría de emitir una señal que activaría el motor de accionamiento de persianas y toldos cuando el nivel lumínico se situara dentro de unos parámetros preestablecidos. El sistema también podría desactivarse por la noche para
104
evitar movimientos inesperados por efecto de iluminaciones fortuitas de los sensores. • Conexiones telefónicas: el sistema de telefonía podría estar provisto de un programa capaz de seleccionar el operador telefónico que ofrezca la oferta más barata, en función de la hora del día y del tipo de llamada que se realiza. Todo el dispositivo debería estar gobernado por un ordenador, que estaría provisto de todos los programas y órdenes necesarios para activar los actuadores encargados de llevar a cabo cada una de las funciones. La comunicación entre el ordenador, los sensores y los actuadores podría efectuarse a través de la red eléctrica a una frecuencia que no pudiera ser interferida por la corriente eléctrica.
MODELOS DE PRUEBAS FINALES En las páginas siguientes se ofrecen ocho modelos de pruebas finales. Con ellos pretendemos dar al profesor/a un material útil para repasar la materia de Tecnología y preparar a los alumnos y alumnas para las pruebas de acceso a la universidad. Al final de estos ocho modelos ofrecemos la solución detallada de todos ellos. Para favorecer la autoevaluación, el profesor/a puede fotocopiar las páginas correspondientes del solucionario y proporcionarlas a los alumnos y alumnas.
105
107
8
7
6
5
4
3
2
1
Modelo de prueba final
Identificación de un sistema de control en lazo cerrado
Máquinas frigoríficas
Cuestión 2
Cuestión 1
Cálculo de parámetros de una fresadora Cuestión 2 Análisis de una cuba de fundición
Cuestión 2 Ciclo termodinámico de una máquina frigorífica
Cuestión 1
Ensayos de tracción y cálculo de parámetros
Cuestión 1
Combustibles tradicionales y sus efectos medioambientales
Cuestión 2
Cuestión 1
Corrosión de materiales y métodos de protección
Análisis de las curvas de un motor eléctrico de c.c.
Cuestión 2
Cuestión 1
Cálculo de parámetros de un ensayo de tracción
Cálculo de parámetros de un motor térmico
Cuestión 2
Cuestión 1
Tratamiento de los RSU y reciclaje de materiales
Estructura y funcionamiento de la fresadora
Comparación de circuitos neumáticos y oleohidráulicos
Identificación de un sistema de control en lazo cerrado
Función de transferencia de un sistema automático
Cálculo de parámetros de un circuito oleohidráulico
Cuestión 4
Cuestión 4
Cuestión 3
Cuestión 3
Diseño y descripción de un circuito neumático
Cuestión 4
Descripción de un circuito neumático
Cuestión 4
Diseño y descripción de un circuito neumático
Cuestión 4
Cálculo de parámetros de un cilindro neumático
Cuestión 4
Válvulas reguladoras de caudal
Cuestión 4
Descripción de un circuito neumático
Cuestión 4
Neumática y oleohidráulica
Detectores de proximidad inductivos
Cuestión 3
Diseño de un sistema automático de control
Cuestión 3
Reguladores y control todo/nada
Cuestión 3
Pulsador con lámpara LED
Cuestión 3
Cuestión 2
Cuestión 1
Procesos de fabricación y afino del acero
Estructura de un sistema automático
Cálculo de parámetros de un circuito eléctrico de c.c.
Centrales térmicas y sus efectos medioambientales
Cuestión 3
Cuestión 3
Cuestión 2
Sistemas automáticos
Ensayos de dureza y cálculo de parámetros
Elementos y principios de máquinas
Cuestión 1
Materiales y fuentes de energía
Modelos de pruebas finales e índice de contenidos
Diseño y funciones lógicas de un circuito de control
Cuestión 5
Función lógica de un circuito combinacional
Cuestión 5
Diseño y función lógica de un circuito de control
Cuestión 5
Función lógica de un circuito combinacional
Cuestión 5
Interpretación de logigramas
Cuestión 5
Funciones lógicas y tablas de verdad
Cuestión 5
Estructura y programación de una FPLA
Cuestión 5
Decodificador BCD/7 segmentos
Cuestión 5
Control y programación de sistemas automáticos
MODELO
1
Cuestión 1 a) Explique en qué consiste el método Vickers para la determinación de la dureza de un material (1 punto). b) Determine la longitud de las diagonales de la huella que dejará el penetrador sobre un material de dureza 630 HV 50 (0,5 puntos).
Cuestión 2 En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de un frigorífico convencional. A partir de este esquema, conteste las preguntas siguientes: Condensador
Expansor
Q1
Filtro
Compresor
W
Q2
Evaporador
a) Describa brevemente la estructura y el funcionamiento de este frigorífico (1 punto). b) Compare el principio de funcionamiento de una máquina frigorífica con el de un motor térmico e indique las analogías y las diferencias que existen entre ellos (1 punto). c) Indique algún tipo de sistema de control de la temperatura del interior del frigorífico y explique su funcionamiento (0,5 puntos).
Cuestión 3 En la sala de estar de una vivienda queremos conseguir y mantener una temperatura de 20 °C. Para ello disponemos de una estufa eléctrica de 2 000 W de potencia provista de termostato. a) Justifique si se trata de un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado. En caso de que sea cerrado, indique si la realimentación es positiva o negativa (0,5 puntos). b) Represente el sistema mediante un diagrama de bloques (0,5 puntos). c) Identifique cada uno de los elementos representados en el diagrama (0,5 puntos). d) Describa brevemente el funcionamiento del sistema (0,5 puntos).
109
Cuestión 4 La figura siguiente representa un circuito neumático.
C V6 V8 V4
D
V5
V3
V2 V1
a) Indique los elementos que lo componen y la función que desempeñan en el conjunto (1 punto). b) Señale alguna aplicación práctica de este automatismo (1 punto).
Cuestión 5 La figura siguiente representa el diagrama de bloques de un decodificador BCD/7 segmentos.
A
b B
a
a f
g
d C
e f
D
b
c
g
e
c d
a) Explique brevemente su funcionamiento (1 punto). b) Confeccione la tabla de verdad e indique los segmentos que se iluminarán en cada caso (1 punto).
110
MODELO
2
Cuestión 1 En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de una central térmica convencional. A partir de este esquema, conteste las preguntas siguientes: Aprovechamiento térmico del combustible
Ciclo del vapor
Recalentador secundario Recalentador primario
Generación de energía eléctrica
Turbina de media presión Condensador
Chimenea
Red de salida Tubo alternador
Turbina de alta presión
Conducto de humos
Excitatriz
Caldera
Red de alta tensión Transformador
Aire
Turbina de baja presión
Economizador
Bomba de circulación
Hogar Alimentador
Bomba de extracción
Precalentadores
Bomba de alimentación
Circuito de refrigeración
a) Describa brevemente el ciclo del vapor y la función de los dispositivos por los que pasa (1 punto). b) Indique, al menos, cuatro aplicaciones industriales o domésticas de los combustibles fósiles (0,5 puntos). c) Explique en qué consiste la lluvia ácida y el efecto invernadero, y qué relación tienen estos fenómenos con las emisiones de las centrales térmicas (1 punto).
Cuestión 2 A un circuito eléctrico alimentado por una batería de 25 V se conectan tres resistencias: la resistencia A, de 60 está conectada en paralelo con la resistencia B, de 40 , y el conjunto formado por las dos se conecta en serie con la resistencia C, de 26 . Represente el esquema del circuito y calcule: a) La resistencia equivalente del conjunto (0,5 puntos). b) La longitud de hilo de cobre de 0,2 mm2 de sección nominal necesario para obtener la resistencia mm2 equivalente del circuito cobre 0,017 ———— (0,5 puntos). m
c) La intensidad de corriente que circula por cada una de las resistencias (0,5 puntos). d) La densidad de corriente en cada caso (0,5 puntos). e) La cantidad de calor disipada en cada resistencia a lo largo de 1 hora (0,5 puntos).
Cuestión 3 a) Enumere los elementos componentes de un sistema de control y la función de cada uno (1 punto). b) Confeccione un diagrama de bloques en el que aparezcan todos ellos (0,5 puntos).
111
Cuestión 4 a) Explique la estructura y la función de las válvulas reguladoras de caudal (1 punto). b) Justifique si, para regular la velocidad de accionamiento de un cilindro neumático, conviene actuar sobre el aire de entrada o el de salida (0,5 puntos). c) Confeccione el esquema de un circuito formado por un cilindro de doble efecto y una válvula distribuidora de modo que puede regularse la velocidad de accionamiento en ambos sentidos (0,5 puntos).
Cuestión 5 La figura siguiente representa el diagrama de bloques de una FPLA (Field Programmable Logic Array). Vcc
Matriz de memoria A0
1
0
1
A0
1
1
0
1
0
A0 A1 A2
Amplificador de entrada
An An An
Matriz programable
0
Amplificador de salida
O0 O1 O2
a) Explique brevemente la función de cada uno de los elementos que aparecen en ella (1 punto). b) Describa el mecanismo de programación de la matriz (0,5 puntos).
112
Om
MODELO
3
Cuestión 1 En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de un horno Siemens–Martin. Teniéndolo en cuenta, conteste las preguntas siguientes: Gases de la combustión
Dispositivo de carga
Baño fundido Cargadoras
Quemador Aire caliente Cámara de ladrillos refractarios Recipiente de colada
Salida de gases
a) Describa brevemente la estructura y el funcionamiento de este horno (1 punto). b) Explique el ciclo térmico del combustible que tiene lugar en él (0,5 puntos). c) Indique otros procesos de fabricación y afino de aceros, e indique las ventajas y los inconvenientes de cada uno de ellos (1 punto).
Cuestión 2 a) Enumere los elementos más importantes de una fresadora y la función que desempeñan (1 punto). b) Describa la cadena cinemática de una fresadora (1 punto). c) Explique, a grandes rasgos, la historia de esta máquina herramienta (0,5 puntos).
113
Cuestión 3 El siguiente esquema representa la configuración de contactos de un pulsador provisto de lámpara LED.
LED
L+ NC NA
L–
a) Represente el circuito eléctrico equivalente (0,5 puntos). b) A partir del esquema anterior, describa brevemente el funcionamiento del dispositivo (0,5 puntos). c) Calcule el valor de la resistencia de protección si la tensión de alimentación del pulsador es 30 V y el LED funciona con un voltaje máximo de 1,5 V, y su intensidad de funcionamiento es de 25 mA (0,5 puntos).
Cuestión 4 a) Calcule la fuerza efectiva de avance y retroceso del vástago de un cilindro de doble efecto, sabiendo que el diámetro del émbolo es de 60 mm; el del vástago, 20 mm; la presión de trabajo, 10 bar; y el rendimiento, 85 % (1 punto). b) Calcule el consumo de aire del cilindro anterior, medido en L/min y en condiciones normales, suponiendo que la carrera del vástago es de 100 mm y que efectúa 25 ciclos/min (1 punto).
Cuestión 5 Un automatismo digital presenta la siguiente tabla de verdad: A
B
C
D
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
a) Escriba la expresión simbólica de la función y simplifíquela utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto). b) Dibuje el logigrama correspondiente (0,5 puntos).
114
MODELO
4
Cuestión 1 En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de una incineradora con dispositivo de recuperación térmica. A partir de este esquema, conteste las preguntas siguientes:
a) Describa su funcionamiento e indique qué características han de tener los residuos que se incineren para que la instalación sea aprovechable (1 punto). b) Indique otras formas de tratamiento de los residuos sólidos urbanos (1 punto). c) Enumere materiales que puedan ser reciclables. Elija uno y explique el proceso que se sigue para reciclarlo, así como las ventajas que supone la utilización de materiales reciclados frente a los productos procedentes de materias primas (1 punto).
Cuestión 2 Un automóvil dispone de un motor de cuatro cilindros de 85 mm de diámetro. La carrera del émbolo de cada cilindro es de 90 mm y el volumen de la cámara de combustión, de 51 cc. A partir de estos datos, calcule: a) La cilindrada unitaria (0,5 puntos). b) La cilindrada total (0,5 puntos). c) La relación carrera-diámetro (0,5 puntos). d) La relación de compresión (0,5 puntos). Justifique si se trata de un motor de gasolina o de un motor Diesel.
Cuestión 3 Un horno doméstico está provisto de una resistencia de 2 500 W de potencia y de un termostato. a) Represente gráficamente la evolución de la temperatura del sistema y la función del termostato (0,5 puntos). b) Explique cómo variará la respuesta del sistema si sustituimos el termostato por un controlador industrial de temperatura que dispone de un regulador PID (0,5 puntos). c) Justifique las ventajas y los inconvenientes de un sistema de control provisto de regulador PID frente a un control todo/nada (0,5 puntos).
115
Cuestión 4 Diseñe un circuito neumático para la siguiente aplicación (0,5 puntos): La puerta de un autobús se acciona mediante un cilindro de doble efecto cuyo gobierno se efectúa por medio de una válvula 5/2 con mando y retorno neumáticos. • La apertura de la puerta se inicia desde una válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retorno neumático, conectado a la válvula de cierre. • El cierre se inicia desde una válvula 3/2 NA con mando por pulsador y retorno neumático, conectada a la válvula de apertura.
a) Describa brevemente el funcionamiento del sistema (0,5 puntos). b) Justifique la importancia de utilizar válvulas de retorno neumático para pilotar la apertura y el cierre. Explique qué ocurriría si se emplearan válvulas con retorno por resorte (0,5 puntos).
Cuestión 5 a) Confeccione la tabla de verdad del automatismo digital siguiente (1 punto):
b) Simplifique la expresión de la función y compruebe que la nueva tabla de verdad coincide con la obtenida en el apartado anterior (1 punto).
116
MODELO
5
Cuestión 1 Una barra metálica de sección cuadrada, que tiene 10 mm de lado y 100 mm de longitud, se somete a un ensayo de tracción y se produce un incremento de longitud de 0,2 mm, cuando se aplica una fuerza de 200 000 N. Calcule: a) La tensión unitaria aplicada (0,5 puntos). b) La elongación unitaria (0,5 puntos). c) El módulo de Young (0,5 puntos).
Cuestión 2 En el siguiente gráfico se representan las curvas características de un motor eléctrico de tipo shunt. Analícelo y conteste las preguntas siguientes: Par (kgm) 80
Pot Rto (kW) (%)
Curvas características de un motor shunt
rpm 1.600
32
Potencia eléctrica 70
1.400
60
1.200
28
Rendimiento
rpm
24
50
1.000
20
100
40
800
16
80
30
600
12
60
20
400
8
40
10
200
4
20
Intensidad (A)
Par motor 10
20
30
40
50
60
70
a) Describa las características anatómicas de este tipo de motores y realice su representación esquemática (1 punto). b) Analice las curvas del motor e indique el valor de sus parámetros cuando funciona a plena carga y en vacío (0,5 puntos). c) Indique posibles aplicaciones de estos motores en función de sus características (0,5 puntos).
Cuestión 3 Un depósito de agua dispone de dos entradas, A y B, y dos salidas, C y D. La entrada A tiene una válvula que permite regular el caudal de acceso; la entrada B aporta agua de forma permanente y con un caudal variable; la salida C permite la extracción constante de agua mediante una bomba de caudal conocido; y la salida D posee otra válvula que permite regular el caudal de extracción. a) Diseñe un sistema de control que regule el aporte y la extracción de agua por medio de las válvulas situadas en A y D, de modo que el nivel del depósito se mantenga de forma permanente en torno a un valor dado. Indique cuántos sensores y de qué tipo deberían utilizarse (1 punto). b) Represente el sistema mediante un diagrama de bloques y explique su funcionamiento (0,5 puntos).
117
Cuestión 4 El siguiente esquema representa un circuito neumático. A a0
m1
m2
a0
m3
a1
a1
a) Identifique los elementos componentes (1 punto). b) Describa brevemente el funcionamiento del circuito (1 punto).
Cuestión 5 Un circuito combinacional tiene tres entradas (x 2, x 1 y x 0) por las que recibe el valor de una variable X, cuya señal binaria está formada por tres bits, y dos salidas (z 1 y z 0) por las que se genera la señal binaria que corresponde a la parte entera de la división X/3. a) Represente el diagrama de bloques del circuito combinacional (0,5 puntos). b) Confeccione la tabla de verdad del circuito (1 punto). c) Determine las funciones lógicas de cada una de las salidas y simplifíquelas utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto). d) Diseñe el logigrama del circuito utilizando exclusivamente puertas AND, OR y NOT (0,5 puntos).
118
MODELO
6
Cuestión 1 a) Explique en qué consiste el fenómeno de la corrosión y describa los diferentes tipos de corrosión que pueden presentarse en los materiales (1 punto). b) Describa brevemente algunos métodos de protección contra la corrosión por modificación química de la superficie (1 punto).
Cuestión 2 El mecanismo de transmisión de una fresadora permite que ésta trabaje a dos velocidades, tal y como se indica en las figuras siguientes: 5
5
6
6 1
1
2
2 3
4
3
4
El número de dientes de cada rueda es: z 1 24 dientes; z 2 48 dientes; z 3 30 dientes; z 4 18 dientes; z 5 60 dientes; z 6 36 dientes. El motor gira a 1 500 rpm y desarrolla una potencia de 2,5 kW. Calcule: a) La velocidad del eje portafresas en cada una de las dos velocidades (1 punto). b) El par y la potencia resultantes en cada velocidad (1 punto). c) La velocidad de corte de una fresa de 50 mm de diámetro cuando la máquina gira en primera velocidad (0,5 puntos).
119
Cuestión 3 El diagrama de bloques siguiente representa el circuito de un detector de proximidad inductivo. Placa Salida Oscilador
Conmutador disparador
Rectificador
Señal de entrada Bobina
Tensión de alimentación Fuente de alimentación
a) Indique la función de cada uno de los elementos representados (0,5 puntos). b) Describa brevemente el funcionamiento de este tipo de detectores (0,5 puntos). c) Indique qué materiales pueden ser detectados y justifique la respuesta (0,5 puntos).
Cuestión 4 Un cilindro de simple efecto debe separar los objetos defectuosos de una cinta transportadora y se gobierna por medio de una electroválvula con retorno por resorte. Cuando se acciona el pulsador, el cilindro actúa y saca el objeto de la cinta. a) Dibuje los planos neumático y eléctrico de la instalación (0,5 puntos). b) Describa brevemente el funcionamiento de cada uno de los elementos componentes (0,5 puntos). c) Explique cómo debe actuar el operario para que el cilindro complete la operación (0,5 puntos).
Cuestión 5 Se desea realizar el circuito de control de una bomba que abastece un depósito de agua. La bomba está controlada por tres variables, A, B y C: • A vale 1 cuando el agua desciende por debajo del nivel mínimo y 0, en caso contrario. • B vale 1 durante la noche y 0 durante el día. • C vale 1 si un operario acciona el pulsador manual de puesta en marcha y 0 si no lo acciona. La bomba está en funcionamiento en cualquiera de los siguientes supuestos: • Siempre que el operario accione el pulsador, independientemente del nivel de agua en el depósito y de la hora (sea de día o de noche). • Siempre que el nivel del agua se encuentre por debajo del nivel mínimo, tanto de día como de noche, aunque el operario no accione el pulsador. • Durante la noche, independientemente de que se haya alcanzado o no el nivel mínimo y de que el operario haya o no pulsado el pulsador. a) Obtenga la tabla de verdad de la función lógica F (A, B, C ) que controla el funcionamiento de la bomba (1 punto). b) Simplifique la función utilizando un diagrama de Karnaugh (1 punto). c) Represente la función por medio de un logigrama (0,5 puntos).
120
MODELO
7
Cuestión 1 a) Describa brevemente en qué consisten los ensayos de tracción (0,5 puntos). b) Se ha comprobado experimentalmente que una pieza de latón pierde su elasticidad para esfuerzos unitarios superiores a 34,5 kg/mm2. Sabiendo que el módulo de Young para el latón es E 10 300 kg/mm2, calcule: • La carga máxima, expresada en kg, que puede aplicarse a una probeta de latón de 13,82 mm de diámetro sin que se produzcan deformaciones plásticas (0,5 puntos). • El incremento de longitud que experimentará la probeta sometida a dicha carga máxima, sabiendo que su longitud es de 70 mm (0,5 puntos).
Cuestión 2 La figura siguiente representa una cuba de fundición en la que se sumerge una cuchara de colada. Al elevar ésta, el caldo de fundición pasa al recipiente situado a la izquierda.
a) Describa los dispositivos de que consta el sistema y la función que desempeña cada uno (1 punto). b) Sugiera alguna alternativa al accionamiento neumático y señale las ventajas y los inconvenientes que tendría dicha alternativa en esta aplicación concreta (0,5 puntos).
Cuestión 3 Una instalación de aire comprimido dispone de los siguientes elementos para completar un sistema de control: fuente de alimentación, motor eléctrico, bomba de succión, depósito de aire, presostato, manómetro y tomas de salida. a) Justifique si el dispositivo, una vez montado, constituye un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado (1 punto). b) Confeccione el diagrama de bloques correspondiente y relacione cada bloque con alguno de los elementos disponibles (1 punto).
121
Cuestión 4 a) Dibuje el esquema de una instalación neumática provista de un cilindro de doble efecto y una válvula distribuidora 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte (1 punto). b) Repita el esquema de la instalación suponiendo que se trata de un sistema oleohidráulico (1 punto). c) Compare ambos esquemas y señale las analogías y las diferencias que aparecen en ellos. Indique también otras diferencias entre un sistema neumático y otro oleohidráulico (0,5 puntos).
Cuestión 5 En un registro de cuatro bits, cuyas salidas están disponibles al exterior, se almacena información en código BCD.
S
x3
x2
x1
x0
Bit de mayor peso
a) Obtenga la tabla de verdad del circuito lógico que detecte que el número contenido en el registro es mayor que 6 (1 punto). b) Determine la función lógica correspondiente al circuito y simplifíquela utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto). c) Diseñe el logigrama del circuito (0,5 puntos).
122
MODELO
8
Cuestión 1 a) Describa brevemente las características de los combustibles tradicionales que se emplean para obtener energía térmica (1 punto). b) Explique los efectos medioambientales producidos por la emisión de gases contaminantes como consecuencia de la utilización de la energía térmica (0,5 puntos).
Cuestión 2 El diagrama de la figura siguiente representa el ciclo termodinámico de una máquina frigorífica. P
Q1 C
B
P2
P1
A
D Q2 V3 V4
V2
V1
V
a) Describa brevemente el proceso que tiene lugar en los tramos A–B, B–C, C–D y D–A y cómo evolucionan las variables P, V y T (1 punto). b) Compare este ciclo con el de un motor térmico y señale las analogías y las diferencias entre ambos (1 punto).
Cuestión 3 Simplifique, paso a paso, el diagrama de bloques adjunto que corresponde a un sistema automático y determine cuál es la función de transferencia K (2 puntos). F
E
– +
+ A
R (s)
+
C (s)
B
–
C
D
– G
H
123
Cuestión 4 a) Confeccione el esquema de un circuito oleohidráulico formado por un cilindro de doble efecto y una electroválvula 4/2 con mando y retorno eléctricos. Diseñe también el circuito eléctrico que permite gobernar la electroválvula (1 punto). b) Calcule la fuerza efectiva de avance y retroceso del vástago del cilindro sabiendo que el diámetro de su émbolo es de 50 mm; el del vástago, 30 mm; la presión de trabajo, 250 bar; y el rendimiento, 88 % (0,5 puntos). c) Calcule el consumo de aceite del cilindro, medido en L/min, suponiendo que la carrera del vástago es de 800 mm y que efectúa 8 ciclos/min (0,5 puntos).
Cuestión 5 Un sistema digital está formado por cuatro pulsadores, A, B, C y D, y por dos motores eléctricos, M y N. El sistema funciona del modo siguiente: • Cuando no se pulsa ningún pulsador, el sistema permanece desactivado. • Cuando se pulsa uno cualquiera de los pulsadores o dos de ellos a la vez, se activa el motor M, pero no el N. • Cuando se pulsan tres pulsadores a la vez o los cuatro simultáneamente, se activa el motor N, pero no el M. a) Obtenga la tabla de verdad del sistema y las funciones lógicas correspondientes a cada uno de los motores (1 punto). b) Simplifique las ecuaciones obtenidas utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto). c) Diseñe el logigrama de la función correspondiente al motor N (0,5 puntos).
124
Solución modelo 1 Cuestión 1
b) Cálculo de la huella
a) Método Vickers El método Vickers es un ensayo de dureza por penetración estática. Consiste en averiguar la dureza de un material a partir de la huella que marca un penetrador, al que se le somete a una presión determinada. El penetrador, en este caso, es una pirámide cuadrangular de diamante. En el proceso se presiona la punta de la pirámide con un ángulo entre caras de 136° durante unos 20 segundos, con lo que queda marcada la huella en el material. La dureza Vickers (HV) es la relación entre la presión, P, ejercida y la superficie, S, de la huella. P HV — S
Datos:
dureza Vickers 630 HV 50
Del valor anterior se deduce que la dureza Vickers del material es 630 kg/mm2 y que se le ha aplicado una carga de 50 kg. Aplicamos la expresión de la dureza Vickers y despejamos el valor de l: P HV 1,844 — ⇒ I I2
√
I
√
P 1,844 —— HV
50 kg 1,844 ————— 0,3825 mm kg 630 —— mm2
Las diagonales de la huella miden 0,3825 mm.
Cuestión 2 Pero como la superficie de la huella resulta difícil de medir, ya que se trata del área lateral de una pirámide de base cuadrada, la determinación de la dureza Vickers se efectúa a partir del valor de las diagonales de la huella, l. En este caso, la fórmula que se emplea es: P HV 1,844 — I2 donde P es la carga aplicada (en kg) y l, la longitud de la diagonal (en mm). La dureza Vickers se expresa, pues, en kg/mm2. La dureza Vickers se expresa mediante el valor obtenido, seguido del símbolo HV y, a continuación, el valor de la carga empleada. Así, el valor 580 HV 40 significa que al material se le ha aplicado una carga de 40 kg y presenta una dureza de 580 kg/mm2. La pirámide consigue una mejor penetración que otros dispositivos, por lo que pueden efectuarse los ensayos sobre chapas de hasta 0,2 mm de espesor. Puede aplicarse tanto a materiales blandos como muy duros, con valores de hasta 1 000 kg/mm2. También permite medir la dureza superficial, gracias a la poca profundidad de la huella. Además, en ésta puede comprobarse el buen estado del penetrador.
a) Estructura y funcionamiento Un frigorífico convencional como el de la figura está compuesto por una serie de elementos básicos, entre los que destacan: la unidad compresora, el condensador, el expansor, el filtro secador y el evaporador. • La unidad compresora suele estar situada en la parte inferior y está compuesta por el compresor propiamente dicho y el motor eléctrico que lo acciona. • El condensador se localiza en la parte posterior del frigorífico, tiene la forma de serpentín plano y está en contacto con un enrejado metálico. El calor del refrigerante se disipa al entrar en contacto con el aire de la habitación. Por este motivo, es necesario dejar un espacio entre la parte trasera del frigorífico y la pared, y permitir la salida del aire caliente por la parte superior para facilitar la corriente de aire necesaria. • El expansor es un tubo capilar de cobre, de diámetro interior comprendido entre 0,7 y 1,2 mm, que se sitúa a la entrada del evaporador. Este tubo regula la entrada del refrigerante y provoca la caída de presión necesaria para que se produzca la evaporación.
125
• El filtro secador es el encargado de eliminar cualquier rastro de humedad para proteger el sistema contra la corrosión interna.
nominado evaporador, y cede una cantidad de calor Q 1 a un foco caliente, denominado condensador.
• El evaporador se encuentra en el interior del frigorífico. En él se produce la evaporación del refrigerante y, como consecuencia, la absorción de calor procedente de los alimentos. El refrigerante entra en el evaporador en estado líquido a alta presión y sale de él en estado de vapor a baja presión. Desde aquí, el conducto de retorno lo devuelve al compresor para reiniciar el ciclo.
De acuerdo con el principio anterior, para que este proceso tenga lugar, es necesario suministrarle una cierta cantidad de energía W.
Foco caliente (condensador)
Q1
El esquema de funcionamiento se ajusta perfectamente al descrito para cualquier máquina frigorífica.
Máquina frigorífica
W
Q1
Q2
Condensador
Foco frío (evaporador) Sistema de expansión
Compresor
Evaporador W Q2
b) Principio de funcionamiento Para explicar el funcionamiento de las máquinas frigoríficas, hemos de tener en cuenta el segundo principio de la termodinámica: «El calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo más frío a otro más caliente.» Podemos expresarlo de otro modo: «Es imposible realizar una transformación termodinámica cuyo único resultado sea el paso de una cantidad de calor de un cuerpo frío a otro caliente.» El funcionamiento de una máquina frigorífica se basa en un proceso o ciclo cerrado, es decir, al finalizar un ciclo de trabajo, la máquina vuelve a las condiciones iniciales o de partida. En este ciclo cerrado, la máquina frigorífica toma una cantidad de calor Q 2 de un foco frío, de-
126
El funcionamiento de los motores térmicos se inspira también en el segundo principio de la termodinámica, pero hay que tomar en consideración también el primer principio, que afirma: «Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial.» Esta relación se denomina equivalente mecánico del calor y es igual a 427 kgm/kcal. Los motores térmicos también funcionan en ciclo cerrado pero, en su caso, éste es inverso al que hemos descrito para una máquina frigorífica: en un momento determinado de su funcionamiento, el motor recibe una determinada cantidad de calor QA (calor aportado, medido en cal o kcal) y posteriormente cede o se le sustrae otra cantidad de calor QC (calor cedido) menor que QA. Como el calor aportado, QA , es mayor que el cedido o sustraído, Q C, se produce la desaparición de una cierta cantidad de energía térmica que se transforma en trabajo mecánico T.
Cuestión 3 Foco caliente
a) Tipo de sistema de control Se trata de un sistema de control en lazo cerrado porque la respuesta del sistema (emisión o no emisión de calor) está relacionada con las variables de entrada (temperatura que se alcanza en la sala de estar).
QA Motor térmico
T
QC
b) Diagrama de bloques El diagrama de bloques correspondiente al sistema de control es el siguiente:
Foco frío
Respuesta del sistema
Regulador
c) Regulación y control
Actuador
Para controlar la temperatura del interior del frigorífico, podemos utilizar un termostato. El termostato es un dispositivo de control automático que permite conectar y desconectar la unidad compresora —y, con ella, todo el sistema—, en función de la temperatura del interior del frigorífico. • Cuando la temperatura interna alcanza el valor adecuado, el termostato desconecta el sistema. • Cuando la temperatura aumenta por encima de los valores de tolerancia establecidos, el termostato vuelve a conectar el sistema de refrigeración. Se trata, por tanto de un control todo/nada. La evolución de la señal de conexión/desconexión en función de la temperatura interna del frigorífico se ajustará a la gráfica siguiente:
T
Proceso
Variable de referencia
c) Elementos El proceso consiste en mantener la temperatura de la sala de estar en torno a un valor prefijado. El actuador está formado por la resistencia y el interruptor. La resistencia se encarga de aportar la energía térmica necesaria para elevar la temperatura. El interruptor abre o cierra el circuito que gobierna el calefactor. El regulador es el termostato. La función de este dispositivo es actuar sobre el interruptor de modo que abra el circuito cuando se alcanza la temperatura de referencia, y lo cierre cuando la temperatura descienda por debajo de aquélla.
Temperatura de referencia
d) Funcionamiento
t ON OFF
Termostato
Se trata de un control todo/nada. El sistema tiende a mantener una relación establecida inicialmente entre dos variables: la variable de referencia (20 °C) y la respuesta del sistema (temperatura de la sala). Cuando se ha alcanzado la temperatura prevista, el termostato emite una señal al actuador,
127
que estará formado por un interruptor y una resistencia. El interruptor abre el circuito y la resistencia se desconecta, con lo que se deja de emitir calor. Cuando la temperatura desciende por debajo de la prevista (dentro de los márgenes de tolerancia previstos), el termostato emite una nueva señal que provoca el proceso inverso: el interruptor cierra el circuito y la resistencia vuelve a emitir calor.
Cuestión 4 a) Elementos componentes y funcionamiento Además de la unidad compresora, común a todos los circuitos neumáticos, el circuito propiamente dicho está compuesto de los elementos siguientes: • Un cilindro de doble efecto C. • Una válvula 3/2 (V1) con mando por pulsador y retorno por resorte, que sirve para el gobierno de la maniobra. • Una válvula distribuidora 4/2 (V2) con mando y retorno neumáticos. • Una válvula reguladora de caudal unidireccional (V3) situada a la entrada del cilindro. • Un grupo temporizador, formado, a su vez, por una válvula reguladora de caudal (V4), un pequeño depósito de aire (D) y una válvula distribuidora 3/2 (V5). • Una válvula antirretorno (V6) situada entre el grupo temporizador y el cilindro. • Una válvula de escape rápido (V 7) para facilitar la evacuación del aire contenido en el cilindro. • Una válvula 3/2 (V8) con mando por roldana y retorno por resorte que actúa como final de carrera.
El cambio de posición de la válvula determina que el aire se distribuya en dos ramas. Una parte del aire se dirige hacia el cilindro C y provoca el inicio de su desplazamiento. Como el aire fluye a través de la válvula reguladora de caudal V3, el desplazamiento es lento. La otra parte del aire se dirige al grupo temporizador a través de la conducción A y el depósito D comienza a aumentar su presión. Transcurrido un cierto tiempo (que previamente se ha determinado en función de las características del grupo temporizador), la presión del aire contenido en el depósito D activa la válvula V5, que permite el paso del aire hacia el cilindro a través del antirretorno V6. Con ello se incrementa notablemente el caudal de aire sobre el émbolo del cilindro y se aumenta su velocidad de desplazamiento. Cuando el vástago del cilindro llega al extremo de la carrera, presiona la roldana de la válvula V8. Ésta cambia su posición y envía una señal de aire al retorno de la válvula distribuidora V2. El cambio de posición de ésta supone el envío de aire a la cámara anterior del cilindro, con lo que se provoca el movimiento de retroceso. Éste se lleva a cabo de forma muy rápida gracias a la válvula de escape rápido V 7, que facilita la salida del aire contenido en la cámara anterior. b) Aplicación práctica El dispositivo puede aplicarse a la apertura y el cierre de la compuerta de una tolva. De hecho, muchos dispositivos industriales disponen de tolvas para la descarga de materiales. Citaremos sólo los más conocidos: • La carga de mineral y de carbón de coque en un horno alto. • La carga de arcilla y caliza para la producción de cemento.
La maniobra se lleva a cabo según el proceso que se describe a continuación:
• La dosificación de sílice, caliza y sosa en los procesos de obtención de aluminio.
Al accionar el pulsador de la válvula V1, ésta cambia su posición y se envía la señal neumática a la válvula distribuidora V2, que también cambiará su posición.
• La aportación de resinas plásticas a los procesos de moldeo de plásticos.
Una vez accionado el pulsador y enviada la señal, el retorno por muelle devuelve la válvula V1 a su posición original.
128
• La descarga de grano de los silos en los que está almacenado. En todos los casos, es necesario efectuar la maniobra de apertura y cierre de la compuerta
de la tolva para que ésta proporcione la cantidad de material necesario. De acuerdo con lo descrito en los apartados anteriores, la apertura y cierre de la compuerta se llevará a cabo bajo dos condiciones básicas: • El inicio de la apertura será lento para evitar la caída brusca de material, mientras que el resto del proceso de apertura ha de efectuarse rápidamente. • El cierre de la compuerta se llevará a cabo de forma rápida para evitar que caiga exceso de material durante el proceso.
Cuestión 5 a) Funcionamiento El decodificador BCD/7 segmentos es un circuito combinacional cuya misión es convertir todas las combinaciones binarias pertenecientes a un código determinado en su correspondiente equivalencia en el sistema decimal. Se trata de un decodificador de los denominados 4 a 7, es decir, dispone de cuatro entradas, A, B, C y D, y siete salidas, a, b, c, d, e, f y g. Las entradas introducen una determinada combinación de bits. Según el código BCD, cada uno de ellos corresponde a una cifra del sistema decimal. Las salidas corresponden a cada uno de los segmentos del display.
El funcionamiento de este dispositivo es el siguiente: cuando se presenta una determinada combinación binaria a la entrada, el decodificador excita las salidas de los segmentos que configuran el dígito que representa el valor decimal correspondiente. b) Tabla de verdad La tabla siguiente recoge el valor que se presenta en cada una de las salidas (a, b, c, d, e y f ) en función de la combinación de bits presente a la entrada (A, B, C y D) y el dígito que se ilumina en cada caso. A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
Dígito
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
9
Solución modelo 2 Cuestión 1 a) Ciclo de vapor de una central térmica Las centrales térmicas son instalaciones complejas en las que la energía térmica producida por la combustión de algún combustible (carbón, petróleo o gas natural) se emplea para calentar agua hasta convertirla en vapor, que se canaliza hasta las turbinas. La energía cinética del vapor es capaz de mover los álabes de las turbinas. Este movimiento se comunica a los turboalternadores en los que se genera la energía eléctrica.
El vapor de agua actúa en ciclo cerrado, es decir, experimenta una serie cíclica de procesos de vaporización y condensación, que vamos a describir a continuación partiendo de un punto de arranque: las calderas. Las calderas contienen el agua que ha de transformarse en vapor. Las más empleadas son las de circulación natural a través de tubos. Los recalentadores primarios evaporan las partículas líquidas que todavía salen de la caldera arrastradas por el vapor. De este modo se consigue el vapor sobrecalentado.
129
Las turbinas de alta presión aprovechan la energía cinética del vapor recalentado, que se transforma en energía mecánica de rotación. Parte del vapor utilizado es reciclado hacia los recalentadores secundarios. Éstos aprovechan la energía térmica de los humos de la caldera y envían el vapor hacia las turbinas de media presión. El calor almacenado en el vapor, después de pasar por ellas, es todavía aprovechado en parte por las turbinas de baja presión. El vapor procedente de la turbina de baja presión pasa por el condensador, donde se enfría y se convierte de nuevo en agua líquida. La bomba de alimentación se encarga de enviar esta agua hacia los precalentadores, donde se aumenta su temperatura gracias al aporte energético del vapor que procede de las turbinas de alta y media presión. La bomba de extracción envía el agua hacia los economizadores. Éstos aprovechan la energía térmica de los humos para calentarla antes de devolverla de nuevo a la caldera. Así se inicia de nuevo el ciclo. b) Aplicaciones de los combustibles fósiles Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) tienen innumerables aplicaciones en los ámbitos doméstico e industrial, entre las que cabe destacar las siguientes: • El carbón, que tradicionalmente se utilizaba como combustible básico en las calefacciones y en las máquinas de vapor, prácticamente se emplea como fuente de energía casi exclusivamente en las centrales térmicas, sobre todo en las más antiguas. En la actualidad tiende a ser sustituido por otros combustibles menos contaminantes, como el gas natural. • Los derivados del petróleo, especialmente el fuelóleo, han desplazado al carbón y se emplean abundantemente en los sistemas de calefacción de edificios y viviendas. • Otros derivados del petróleo, como las gasolinas, el gasóleo y el queroseno constituyen el combustible básico de los medios de transporte, tanto terrestre como marítimo y aéreo. • Finalmente, el gas natural, por su limpieza y facilidad de manejo, se ha convertido en el combustible doméstico e industrial fundamental y su uso se extiende cada vez más a
130
medida que los gasoductos alcanzan zonas y territorios en los que se empleaban otros combustibles. c) La lluvia ácida El dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NO y NO2), en menor proporción, son los responsables de este conocido fenómeno denominado lluvia ácida. Consiste en que estos gases, presentes en la atmósfera, son arrastrados por el agua de lluvia que se convierte así en una disolución suficientemente ácida como para provocar importantes trastornos ambientales. El SO2 es oxidado a SO3 en la atmósfera mediante distintos mecanismos y tanto uno como otro, con el agua de lluvia, se transforman en sus correspondientes ácidos H2SO3 y H2SO4. La lluvia ácida destruye la vegetación y daña seriamente los cultivos y la fauna de vida acuática. Por otra parte, produce un gran deterioro en las construcciones y en los monumentos por corrosión de la piedra. El aumento actual de la concentración de SO2 en la atmósfera es debido al exceso de emisiones de este gas como consecuencia de las erupciones volcánicas, la combustión de los sulfuros metálicos para la obtención de metales y especialmente el gran consumo de combustibles fósiles en la industria, en las centrales térmicas, en los automóviles y en los hogares. El efecto invernadero La acumulación de CO2 en la atmósfera, como consecuencia de la combustión de carbón, el gas natural y los derivados del petróleo, ejerce una gran influencia sobre el clima de la Tierra, junto con otros gases como el vapor de agua, el metano CH4 y los óxidos de nitrónitrógeno, todos ellos llamados gases de invernadero. El efecto invernadero consiste en el aumento de la temperatura de la superficie terrestre como consecuencia de la creciente acumulación de los citados gases en la atmósfera. Para comprender este efecto hay que tener en cuenta que alrededor del 30 % de la energía que el Sol envía a la Tierra es reflejada por las nubes y por la superficie terrestre; el 70 % restante es absorbida. Esta energía es emitida después por la atmósfera y por la superficie de la Tierra en forma de radiaciones cuya mayor parte es aprisionada por las nubes y por los ga-
ses de invernadero y devuelta a la Tierra. Como consecuencia, la superficie de ésta se calienta. Las consecuencias pueden llegar a ser muy serias: la disminución de la producción agraria y la elevación del nivel del mar debido a la fusión del hielo en los casquetes polares y en otras zonas, lo que provocaría la inundación de extensas zonas costeras. La denominación de efecto invernadero alude a que en los invernaderos destinados al cultivo de plantas, las paredes y el techo de vidrio o plástico dejan pasar una gran cantidad de radiación solar, pero impiden la salida de la radiación infrarroja emitida por el suelo produciendo un aumento de la temperatura en el interior.
I RT S RT — ⇒ I ———
S
50 0,2 mm2 I ————————— 588,2 m mm2 0,017 ————— m c) La intensidad de corriente que circula por todo el circuito viene dada por la ley de Ohm: V 25 V I —— ——— 0,5 A 50 RT Esta intensidad es la que circula por la resistencia C, por lo que podemos determinar la tensión entre sus extremos aplicando de nuevo la ley de Ohm:
Cuestión 2 Datos:
b) Conocida la resistencia total, determinamos la longitud del conductor a partir de la expresión:
V 25 V
RA 60
RB 40
RC 26
S 0,2
mm2 0017 ———— m
mm2
El esquema del circuito es el siguiente: RA= 60 Ω RC= 26 Ω RB= 40 Ω
V= 25 V
a) Calculamos primero la resistencia equivalente, Req a las resistencias A y B, montadas en paralelo: 1 1 1 RA RB —— —— —— ⇒ Req ———— Req RA RB RA RB 60 40 Req ——————— 24 60 40 Calculamos ahora la resistencia equivalente total, RT, considerando también la resistencia C, montada en serie con las dos anteriores: RT Req RC 24 26 50
V (RC ) I RC 0,5 A 26 13 V Determinamos la tensión entre los extremos de las resistencias A y B por diferencia: V (RA y RB ) VT V (RC ) 25 V 13 V 12 V Con este dato y los valores respectivos de las resistencias, calculamos la intensidad de corriente que pasa por cada una de ellas: V 12V IA —— ——— 0,2 A RA 60 V 12V IB —— ——— 0,3 A RB 40 (La suma de las intensidades que pasan por A y B es igual a la intensidad total del circuito.) d) Para calcular la densidad de corriente en cada I resistencia, aplicamos la fórmula — S 0,2 A A IA A —— ———— 1,0 ——— S 0,2 mm2 mm2 IB 0,3 A A B —— ———— 1,5 ——— 2 S 0,2 mm mm2 IC 0,5 A A C —— ———— 2,5 ——— 2 S 0,2 mm mm2
131
(La suma de las densidades de corriente sobre A y B es igual a la densidad de corriente sobre C, que coincide con la densidad de corriente total del circuito.) e) Para calcular la cantidad de calor disipada en cada resistencia, aplicamos la ley de Joule, teniendo en cuenta que 1 kJ 0,24 kcal. Q 0,24 E 0,24 I 2 Rt QA 0,24 (0,2 A)2 60 3 600 s 2 074 cal QB 0,24 (0,3 A)2 40 3 600 s 3 110 cal QC 0,24 (0,5 A)2 26 3 600 s 5 616 cal La resistencia equivalente del circuito es 50 ; la longitud del hilo de cobre es 588,2 m; las intensidades que circulan por las resistencias A, B y C son, respectivamente, 0,2 A, 0,3 A y 0,5 A; las densidades de corriente en cada una son 1 A/mm2; 1,5 A/mm2 y 2,5 A/mm2; y las cantidades de calor disipadas resultan ser 2 074 cal, 3 110 cal y 5 616 cal.
• Los actuadores son los dispositivos encargados de actuar sobre el proceso una vez recibida la orden del regulador. • Los visualizadores son los dispositivos encargados de dar la expresión final de la medida con la función deseada. Estos últimos dispositivos han evolucionado rápidamente y han pasado en muchos casos de ser analógicos a ser digitales, con lo que se facilita enormemente su lectura. b) Diagrama de bloques de un sistema de control Transmisores Sensores
Comparadores
Visualizadores
Reguladores Actuadores
Cuestión 3 Cuestión 4 a) Elementos de un sistema de control Los elementos necesarios en cualquier sistema de control pueden agruparse en seis grandes grupos: sensores, transmisores, comparadores, reguladores, actuadores y visualizadores. • Los sensores son los elementos del sistema de control encargados de medir el valor de una magnitud. Además del nombre genérico de sensores, se suelen designar con otros, como transductores o detectores.
a) Válvulas reguladoras de caudal Las válvulas reguladoras de caudal son las que controlan el caudal de aire que pasa por una conducción. Este caudal puede ser regulado en un solo sentido (válvulas unidireccionales) o en ambos sentidos (válvulas bidireccionales). Las válvulas reguladoras de caudal unidireccionales poseen dos vías. En una de ellas se dispone un tornillo capaz de estrangular el paso del aire y reducir así su caudal. En la otra hay una válvula antirretorno.
• Los transmisores son los elementos que se encargan de transformar una señal en otra (habitualmente se trata de señales neumáticas o eléctricas).
T
• Los comparadores son los elementos encargados de proporcionar una señal en función de la diferencia existente entre el valor de salida y el valor esperado. A estos elementos se les conoce también como detectores de error. • Los reguladores son los dispositivos encargados de mejorar las respuestas del sistema.
132
A
B Antirretorno
• Si el aire penetra por A y sale por B, su caudal puede ser regulado mediante el tornillo T, ya que tiene un solo camino de circulación (el indicado en la figura) porque el antirretorno C impide su paso por esa vía.
ceso a éste, de manera que el antirretorno ubicado en su interior permita siempre el acceso libre del aire a la entrada de las cámaras, pero no el de salida, cuyo caudal será regulado por los respectivos tornillos.
• En cambio, si penetra por B, puede salir perfectamente por A a través de antirretorno, con lo que su caudal no podrá ser regulado por medio del tornillo T. Por lo tanto, el caudal de aire sólo podrá ser regulado cuando su sentido de circulación sea de A a B. La estructura de las válvulas reguladoras de caudal bidireccionales es más simple que la anterior, ya que sólo disponen de una vía de paso y no disponen de antirretorno.
4
2
1
3
Cuestión 5 Las siglas FPLA significan Field Programmable Logic Array, que puede traducirse como matriz lógica programable por el usuario. Se trata de circuitos lógicos que permiten programar el valor de las variables de salida en función de las distintas combinaciones de las variables de entrada.
T
B
A
Como el aire pasa obligatoriamente por la vía en la que se encuentra el tornillo T, tanto si circula de A hacia B como si lo hace de B hacia A, su caudal puede ser regulado mediante el citado tornillo.
Las FPLA pueden ser consideradas, según la aplicación, como memorias de dirección condicional o bien como circuitos combinacionales construidos con puertas OR y puertas AND. Estos dispositivos se designan con algoritmos del tipo 48 3 8 K. La primera cifra designa el número de palabras (unidades de memoria formadas por un conjunto determinado de bits) que puede albergar la matriz, y la segunda, el número de bits de cada palabra. El producto de ambas cifras indica el número de bits de memoria disponibles en la FPLA.
b) Regulación de la velocidad La regulación de la velocidad es necesaria en muchas de las maniobras que efectúan los cilindros. Esta regulación se lleva a cabo mediante las válvulas reguladoras del caudal que sale del cilindro hacia el escape. Se trata de controlar el caudal de salida del aire, pero no el de entrada, ya que esto último provocaría que el émbolo se desplazara a saltos. c) Esquema del circuito Para regular la velocidad de accionamiento de un cilindro de doble efecto en ambos sentidos hay que situar sendas válvulas reguladoras de caudal unidireccionales en las dos vías de ac-
a) Elementos componentes Las FPLA están formadas por diferentes elementos: el amplificador de entrada, la matriz programable, la matriz de memoria y el amplificador de salida El amplificador de entrada dispone de dos salidas para cada una de las variables: una negada y otra sin negar. Cada salida corresponde con una entrada de la matriz programable. La matriz programable tiene entradas y salidas para cada fila y cada columna. • Las filas corresponden a las salidas del amplificador de entrada, como ya hemos indicado.
133
• Las columnas están conectadas, a través de una resistencia, a una tensión en corriente continua, VCC, que es la que se va a utilizar para efectuar la programación.
proporcionado por el fabricante, en el que todos los puntos de unión entre filas y columnas son conductores.
Cada punto que se representa en la matriz programable corresponde a la unión de una fila con una columna, que se lleva a cabo mediante un semiconductor unido en serie con un fusible. En este caso, el semiconductor es un transistor multiemisor.
• Se selecciona el punto que se desea programar, mediante la línea y la columna correspondientes.
La matriz de memoria es propiamente la memoria, donde se almacenan y se escriben los datos que nos interesan. El amplificador de salida nos permite, por una parte, preparar la memoria para leer o para escribir y, por otra, adaptar los niveles de funcionamiento de la memoria al exterior. b) Programación El mecanismo de programación de una FPLA lo lleva a cabo el usuario a partir del soporte
Para seleccionar la posición objeto de grabación se procede del modo siguiente:
• Se introduce por la línea un impulso eléctrico de intensidad lo suficientemente alta como para que funda el fusible. De esta forma el emisor del transistor bipolar queda aislado y sin posibilidad de conducir. Por tanto, cuando la entrada correspondiente tenga el fusible fundido, no existirá en la salida de la puerta AND. Una vez fundido el fusible es imposible volver a reponerlo. Por tanto, la información quedará grabada para siempre en la FPLA.
Solución modelo 3 Cuestión 1 a) Estructura y funcionamiento El horno de Siemens-Martin es un gran horno de reverbero de forma rectangular y techo abovedado, capaz de albergar hasta 400 toneladas de material. El revestimiento interior es de carácter básico y dispone de cámaras para el precalentamiento del combustible empleado, que suele ser gas. La carga del material se lleva a cabo por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. Las características del dispositivo permiten que funcione con diferentes tipos de carga: arrabio procedente del horno alto (sólido o líquido) o arrabio mezclado con chatarra y mineral de hierro. El contenido en chatarra puede llegar a ser el 70 % del total. En todos los casos se añade cal para que arrastre la escoria. El proceso de afinado consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del hor-
134
no hasta alcanzar temperaturas del orden de 1 800 °C. A esta temperatura, las impurezas que contiene el material se oxidan y se eliminan: el monóxido de carbono se escapa en forma de gas y los óxidos de silicio y fósforo son arrastrados por la cal y forman la escoria. Cuando se estima que el contenido en carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero. El proceso puede llegar a 12 horas de duración. Los aceros obtenidos por este procedimiento admiten la forja, el temple y la soldadura. El principal inconveniente de este procedimiento radica en su elevado consumo energético y en la baja calidad del producto obtenido en relación con los convertidores actuales. b) Ciclo térmico del combustible Los gases procedentes de la combustión salen a través de unas cámaras que contienen ladrillos refractarios y transfieren a éstos el calor. De este modo, los ladrillos llegan a alcanzar temperaturas del orden de 1 150 °C.
A continuación, se invierte el ciclo y se hace pasar aire a través de estas cámaras para que se precaliente. El combustible, en presencia del aire precalentado, arde en forma de soplete sobre el material depositado en el horno hasta alcanzar la temperatura de 1 800 °C. Los gases, al salir, calientan otra vez los ladrillos y de nuevo se repite el ciclo. c) Otros procesos de fabricación y afino Entre los procesos de fabricación y afino del acero, además del horno de Siemens-Martin, puede citarse el convertidor de Bessemer y Thomas, el convertidor LD y los hornos eléctricos. El convertidor de Bessemer y Thomas fue ideado por Bessemer y consistía en un recipiente metálico basculante de gran tamaño recubierto por material refractario. El prceso de afino duraba entre 15 y 20 minutos y tenía tres fases: llenado, soplado y vaciado. • En la fase de llenado, se inclinaba el convertidor para facilitar su llenado con el arrabio fundido procedente del horno alto. • En la fase de soplado, el convertidor se situaba en posición vertical y se inyectaba aire a presión a través de unos orificios practicados en el fondo. El aire pasaba a través de la masa fundida y oxidaba el carbono, el silicio y el manganeso. El calor desprendido en estos procesos de oxidación permitía mantener la temperatura de fusión del arrabio.
extraía primero el acero y posteriormente la escoria formada. Sin embargo, a diferencia del de Bessemer, el proceso no podía detenerse para regular la cantidad de otros componentes. En la actualidad, este dispositivo ha caído en desuso y ha sido sustituido por el moderno convertidor LD. El convertidor LD es un dispositivo que permite obtener acero por soplado de oxígeno. Por eso, también se le conoce con el nombre de horno de oxígeno básico. En este caso, no se inyecta aire por la parte inferior, sino que se insufla oxígeno a presión hasta la misma superficie del material fundido por medio de una lanza refrigerada por agua. El recipiente utilizado es de gran tamaño (puede llegar a pesar hasta 500 toneladas) y está construido en acero revestido interiormente con ladrillo refractario. Está montado de forma que pueda bascular sobre uno de sus costados para facilitar la carga y la descarga. El proceso de afino dura alrededor de una hora y también tiene tres fases: llenado, afinado y vaciado. • En la fase de llenado se inclina el convertidor y se introduce en él, en primer lugar, el arrabio líquido procedente del horno alto; a continuación, chatarra de acero y, finalmente, el fundente encargado de formar y arrastrar la escoria. Una vez cargado, se coloca en posición vertical.
La principal ventaja de este procedimiento consistía en poder detenerlo con sólo cerrar la entrada del aire. De este modo, se conseguían aceros con distintas cantidades de carbono, silicio y manganeso. Su principal inconveniente radicaba en que sólo podía utilizarse para arrabios con cantidades muy pequeñas de fósforo, ya que este material no se eliminaba.
• En la fase de afinado se inyecta oxígeno mediante la lanza refrigerada a una presión de 12 atmósferas. Éste provoca la oxidación del carbono hasta reducir su contenido por debajo del 1 %. La reacción del carbono con el oxígeno es muy rápida y produce altas temperaturas que mantienen el material en estado líquido. Al mismo tiempo, se elimina el exceso de fósforo, azufre y silicio. Al final del proceso, se añaden en el interior del convertidor los aleantes en la proporción adecuada para conseguir el tipo de acero que se desea.
La modificación introducida por Thomas consistió en incorporar un fundente de carácter básico —la cal— que permitía eliminar el exceso de fósforo presente. Al finalizar el proceso, se
• Para llevar a cabo la fase de vaciado, se inclina el convertidor sobre su costado para eliminar la escoria que sobrenada y después se bascula totalmente para vaciar el acero.
• La fase de vaciado se iniciaba una vez quemadas las impurezas: se inclinaba de nuevo el convertidor y se vertía el acero en las lingoteras.
135
La principal ventaja del procedimiento LD es que permite recuperar chatarra para producir acero nuevo. Por eso, es el más empleado en la actualidad para la obtención de aceros comunes de baja aleación. Los hornos eléctricos no se emplean para la fabricación del acero, sino para su afino. Los más empleados son los de arco y los de inducción. • El horno eléctrico de arco consta de un recipiente de acero de forma cilíndrica, recubierto en su interior por ladrillo refractario y provisto de circuito de refrigeración. Puede albergar hasta 130 toneladas de material. La cubierta superior puede separarse para facilitar la carga y está atravesada por dos o tres electrodos de carbón. Una vez cargado con el acero que se desea refinar, se cierra el recipiente y se hacen saltar potentes arcos voltaicos entre los electrodos y el material. Se alcanzan temperaturas de hasta 3 800 °C, que permiten fundir metales de elevada temperatura de fusión, como el molibdeno, el tungsteno, el níquel, el cromo, el vanadio, el manganeso y el titanio. • El horno de inducción, como el anterior, consiste en un recipiente cilíndrico de acero de altura superior a 4 m y de diámetro superior a los 7 m y lleva en su parte exterior una bobina eléctrica. El interior también está protegido con material refractario. Una vez cargado con el material, se hace circular una corriente eléctrica de alta frecuencia por la bobina. Esta corriente induce en el interior del material del horno unas corrientes eléctricas denominadas corrientes de Foucault, que producen un enorme aumento de temperatura capaz de fundirlo. Este tipo de hornos reciben el nombre de hornos UHP (ultra high power), ya que permiten obtener hasta 105 toneladas de acero en tan sólo 111 minutos. En la actualidad, las acerías más modernas lo incorporan en sus instalaciones. Sus principales ventajas son el rápido calentamiento que permiten, el buen control de la temperatura y la inexistencia de gases combustibles que pueden dar origen a impurezas. El mayor inconveniente radica en el elevado coste de la energía eléctrica cuando se emplea para producir calor. Por ello, los hornos eléctricos sólo se emplean para el último afino del
136
acero que procede de un convertidor LD o un horno de Siemens-Martin.
Cuestión 2 a) Estructura de una fresadora La fresadora es una máquina herramienta cuya misión es hacer girar un útil cortante, denominado fresa, con el fin de poder mecanizar piezas. Las fresadoras pueden clasificarse en tres grandes grupos, según la posición que ocupa el eje de la fresa respecto al suelo: fresadoras horizontales, verticales y mixtas. En estas últimas, el eje es orientable en cualquier dirección. Nosotros nos limitaremos a la fresadora horizontal por ser la más utilizada. En ella podemos distinguir los siguientes elementos: base, cuerpo, soporte, eje portaherramientas, ménsula, carro portamesa y mesa. • La base es el elemento rígido que se encarga de sustentar el resto de los componentes de la fresadora. • El cuerpo es la parte en la que se encuentra el motor de accionamiento y los mecanismos que originan el giro de la fresa y el avance de la pieza que se trabaja. • El soporte o puente va situado en la parte superior del cuerpo y sirve como elemento de apoyo del eje portaherramientas. • El eje portaherramientas es el elemento que al girar origina el movimiento de rotación de la fresa. • La ménsula es un bastidor que puede deslizarse verticalmente sobre las guías que lleva el cuerpo en su parte anterior. • El carro portamesa puede deslizarse horizontalmente sobre las guías que lleva la ménsula. • La mesa está situada sobre el carro portamesa y soporta la pieza que se va a trabajar. Su movimiento es transversal al del carro y permite el avance de la pieza. b) Cadena cinemática La operación de fresado se caracteriza porque la velocidad de corte es una característica de la
herramienta, mientras que el avance es propio de la pieza que se va a trabajar. El análisis de la cadena cinemática de la fresadora nos permitirá determinar la velocidad de giro de la fresa y el avance de la pieza. A partir de estos datos, podremos establecer la velocidad de corte. • Velocidad de giro de la fresa El giro de la fresa se obtiene gracias a un motor eléctrico. El eje motor dispone de una caja de velocidades que permite seleccionar la velocidad del eje portaherramientas y, por lo tanto, de la fresa que va montada en él. Se trata, pues, de una transmisión de movimiento de giro por medio de un tren compuesto de engranajes. Cuando queramos modificar la velocidad de giro de la fresa, bastará con actuar sobre la caja de velocidades para obtener combinaciones distintas de engranajes. • Avance de la pieza Es el desplazamiento longitudinal que realiza la pieza por cada giro de la fresa. El avance se mide en mm/vuelta. Este movimiento está ligado al del giro de la fresa del modo siguiente: — El giro del eje motor se transmite al eje de salida por medio de otro tren compuesto de engranajes. — Mediante un eje telescópico provisto de juntas cardan se comunica el movimiento de giro a un tornillo sin fin que forma parte de un mecanismo tornillo sin fincorona. — La corona, situada bajo la mesa, es la encargada de producir su movimiento y, en consecuencia, el de la pieza que se trabaja.
La relación entre la velocidad de giro del eje principal y la velocidad de corte viene dada por la expresión: n d v ———— 100 C donde v es la velocidad de corte en m/min; n, la velocidad de giro en rpm; y d, el diámetro de la fresa en mm. La velocidad se determina empíricamente en función del material que se trabaja y del tipo de fresa utilizada. En general, si la velocidad de corte es elevada, el nivel de producción es alto, pero existe riesgo de rotura de la fresa. En cambio, cuando es baja, disminuye el riesgo de rotura, pero el rendimiento es menor. c) Historia de la fresadora La fresadora es una máquina herramienta relativamente reciente. La primera fresadora de uso industrial fue obra del ingeniero estadounidense Eli Whitney en 1818. Con ella pudo fabricar en serie armas de fuego solicitadas por el gobierno de EE.UU. Tras algunas modificaciones puntuales, en 1862, el también estadounidense Joseph R. Brown desarrolló la fresadora universal, con la que se podían efectuar diferentes trabajos con sólo intercambiar el útil de corte. En 1957, se instaló en el MIT (Massachussets Institute of Technology) la primera fresadora accionada por control numérico que permite el mecanizado de piezas a partir de la lectura de planos que efectúa un ordenador.
Cuestión 3 a) Circuito eléctrico equivalente
Para modificar el avance de la pieza, bastará con actuar sobre el tren compuesto de engranajes para obtener combinaciones distintas de éstos y, por lo tanto, diferentes avances.
L+ LED NA
NC R V
• Velocidad de corte Es la velocidad tangencial de desplazamiento en m/min de un diente de la fresa ante la pieza.
L– Carga 1
Carga 2
137
P 10 bar 110 6 Pa
85 % 0,9
b) Funcionamiento Cuando se oprime el pulsador, se cierra también el circuito que alimenta el diodo LED y éste se ilumina. Al dejar de oprimir, se abre el circuito y el LED se apaga. El LED necesita resistencia de protección porque la tensión de la señal que transmite el pulsador suele ser muy superior a la que es capaz de soportar el LED. En consecuencia, hay que instalar la resistencia en serie con el LED de forma que absorba la mayor parte de la tensión que pasa por la línea.
Aplicamos directamente las fórmulas que permiten calcular la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso: D2 Fea P —— 4 3,14 (0,06 m2) 0,85 (1 10 6 Pa) ——————— 4 2 402,1 N (D 2 d 2) Fer P —————— 4
c) Resistencia de protección Datos:
0,85 (1106 Pa)
Vpulsador 30 V V LED 1,5 V I LED 25 mA 0,025 A
3,14 (0,06 m)2 (0,02 m)2 —————————————— 2 135,2 N 4
La resistencia de protección y el LED están conectados según el esquema siguiente:
La fuerza efectiva de avance es de 2 402,1 N y la de retroceso, de 2 135,2 N.
I = 0,025 A
b) Consumo de aire V = 1,5 V V = 30 V
Si el LED sólo puede soportar 1,5 V, la diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia habrá de ser de 30 1,5 28,5 V. Por otra parte, la intensidad que circula por ambos componentes ha de ser la misma: 0,025 A. En estas condiciones, aplicamos la ley de Ohm y resulta: V I R ⇒ V 28,5 V ⇒ R — ———— 1 140 I 0,025 A La resistencia ha de tener un valor de 1140 W.
Cuestión 4 a) Fuerza de avance y de retroceso Datos:
138
D 60 mm 0,06 m d 20 mm 0,02 m
Datos:
D 0,06 m d 0,02 m e 100 mm 0,10 m
El volumen de aire que consume el cilindro en cada ciclo se obtiene aplicando la expresión: (2 D 2 d 2) VT —————— e 4 3,14 2 (0,06m)2 (0,02m)2 VT —————————————— 0,10 m 4 m3 5,34 104 ——— ciclo Si el cilindro efectúa 25 ciclos por minuto, el caudal de aire utilizado será: m3 ciclos L C 5,34 104 ——— 25 ——— 103 —— ciclo min m3 L 13,35 —— min El cilindro consume 13,35 L/min de aire, medido en condiciones normales.
Cuestión 5 a) Expresión simbólica y simplificación Escribimos inicialmente la función como suma de los términos canónicos para los cuales la función adopta valor 1.
F AB C A B C ABC ABC A B C
Para simplificar la función recurrimos a los diagramas de Karnaugh: AB
00
01
11
10
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
C
El grupo de cuatro celdas representa los térmi nos A B C, AB C, ABC, A B C. Las variables que cambian son A y B, por lo que pueden suprimir se y queda sólo C. El grupo de dos celdas representa los términos AB C y ABC. En este caso, la variable que cambia es la C, por lo que puede suprimirse, y que da AB. La función simplificada resulta, pues:
F AB C b) Logigrama El logigrama correspondiente a la función simplificada es el siguiente: A
Se observa que pueden formarse dos agrupamientos: uno horizontal de cuatro celdas en la primera fila y otro vertical de dos en la segunda columna.
B F C
Solución modelo 4 Cuestión 1 a) Funcionamiento de la incineradora Los vehículos que transportan los residuos que han de ser incinerados van provistos de un sistema basculante que les permite descargar su contenido desde el muelle de descarga hasta la fosa de recepción.
A medida que se enfrían los humos, se produce la condensación de líquidos y el depósito de partículas sólidas en suspensión. Todas ellas van a parar a la misma fosa que las cenizas primarias. Para facilitar la expulsión de los humos, la chimenea está provista de potentes ventiladores que fuerzan la circulación del aire.
Desde allí, una grúa puente, provista de un pulpo en su extremo, deposita los residuos en la tolva de alimentación.
Antes de salir por la chimenea, los humos son sometidos a un riguroso filtrado para evitar la emisión de partículas al exterior. Los materiales sólidos filtrados van a parar a un depósito.
Los residuos son precalentados antes de pasar a la parrilla mecánica, donde serán incinerados en el interior de la cámara de combustión. Las cenizas y la escoria generadas en el proceso de incineración caen hasta un foso en el que se acumulan inicialmente.
Las cenizas y la escoria procedentes de las etapas anteriores son extraídas por medio de una cinta sin fin y trasladadas hasta el depósito de recogida final. Desde allí, serán trasladados a un vertedero controlado o utilizados para recuperar materiales sólidos.
Los humos y las cenizas volátiles generados en la combustión circulan a través de una serie de serpentines por los que circula agua. De este modo se genera vapor que puede ser aprovechado posteriormente para alimentar los turboalternadores y generar energía eléctrica.
Características de los residuos incinerables Para que el aprovechamiento energético con fines caloríficos pueda ser llevado a cabo de
139
modo eficiente, es necesario estudiar previamente las características de los residuos.
vertido de nuevo en zona de aprovechamiento agrícola o simplemente ser ajardinado.
En términos generales, se consideran térmicamente aprovechables aquellos residuos que cumplen las condiciones siguientes:
Este procedimiento tiene la ventaja de su bajo coste por la posible reutilización posterior de la zona, pero a veces las distancias encarecen el transporte.
• Su poder calorífico inferior, es decir, las calorías que proporciona un combustible, descontadas las necesarias para la vaporización del agua formada en la combustión, debe ser superior a las 1 000 kcal/kg. • Su contenido en humedad ha de ser inferior al 50 %. • Su contenido en cenizas ha de ser inferior al 60 %. Cuando el poder calorífico de las basuras no es suficiente para su aprovechamiento energético, se utiliza fuelóleo o gas natural para el encendido y el posterior mantenimiento de la temperatura del horno. b) Otras formas de tratamiento de residuos Además de la incineración, los residuos pueden ser depositados en vertederos, ser reciclados o ser aprovechados para la fabricación de compost. • Vertederos controlados Se trata de lugares alejados de los núcleos de población donde se depositan los RSU. Pero como esta acumulación comporta una serie de inconvenientes para la salud y el entorno, es necesario preverlos teniendo en cuenta la forma y el lugar del vertedero y sus características: impermeabilidad, escorrentías, evacuación y disipación de gases y malos olores... A pesar de estas medidas, el paisaje del entorno queda desfavorecido. Además, el lugar se convierte en un foco de proliferación de insectos, aves y roedores, capaces de generar y transmitir enfermedades. • Vertederos recuperables En este tipo de vertederos, los RSU se depositan alternados con capas de tierra. De este modo, al cabo de unos años, la fermentación de los residuos orgánicos posibilita el aprovechamiento del lugar, que puede ser con-
140
• Reciclaje El reciclaje es el proceso que tiene como objetivo la recuperación de algunos de los componentes que contienen los RSU. Para llevarlo a cabo se necesita una separación previa de los componentes, que puede llevarse a cabo, mediante recogida selectiva o por procedimientos fisicoquímicos: trituración, cribado, separación electromagnética de metales, separación por flotación o separación química. El procedimiento requiere fuertes inversiones debido a las sofisticadas técnicas que emplea. • Compostaje Una variante del proceso de reciclaje es el compostaje, que consiste en la descomposición biológica de la materia orgánica de los RSU en condiciones aerobias (en contacto con el aire) y mediante control. De este modo se obtiene el denominado compost, que se utiliza como abono orgánico para la regeneración del suelo. c) Materiales reciclables Entre los materiales de desecho que pueden ser objeto de reciclaje podemos citar la chatarra, el papel y el cartón, el plástico, el vidrio y el caucho. (La elección del material que va a ser explicado a continuación dependerá del criterio de cada alumno/a. No obstante, ofrecemos un modelo.) Obtención de papel reciclado Los procesos de reciclaje del papel tienen su origen en los problemas medioambientales generados por la fabricación de papel nuevo: deforestación y contaminación medioambiental. La fabricación del papel reciclado comienza con la recogida selectiva del papel usado en contenedores especiales.
A continuación, se procede a su limpieza mediante frotamiento con productos alcalinos a 40 °C de modo que las fibras de celulosa no se vean afectadas. La fase siguiente consiste en una depuración mediante filtrado y centrifugación, para eliminar las posibles partículas de elementos ajenos a la fibra, como arena, lacas, alambres, cuerdas, etc. Una vez depurada, la pasta se sumerge en agua jabonosa y se inyecta aire para provocar la aparición de burbujas. De este modo se separa la tinta mediante flotación. La tinta se traslada a vertederos y se incinera utilizando su propia energía calorífica. A partir de este punto, la pasta obtenida sigue el mismo proceso que la celulosa de origen primario para la obtención del papel: blanqueado de la pasta, tamizado, prensado, secado y satinado. Ventajas frente al papel nuevo
se blanquea la pasta para evitar este inconveniente, los agentes químicos empleados también resultan altamente contaminantes. De modo que con la fabricación de papel reciclado se consigue una ligera reducción de la contaminación medioambiental de origen químico, pero no su eliminación.
Cuestión 2 Datos:
D 85 mm S 90 mm Z4 VC 51 cc
a) Para determinar la cilindrada unitaria, calculamos el volumen de un cilindro entre el PMI y el PMS: D2 S VD ———— 4 000 3,14 (85 mm)2 90 mm VD ——————————— 510,45 cc 4 000
Comparando los procesos de fabricación de papel reciclado con la fabricación de papel a partir de la pasta química virgen, podemos señalar las siguientes mejoras de impacto ambiental:
b) La cilindrada total se obtiene multiplicando la cilindrada unitaria por el número de cilindros:
• Disminución del consumo de madera, lo que favorece el desarrollo de las masas forestales, con todos los beneficios que ello acarrea, y reduce los costes de talado, transporte y manipulación.
c) Para calcular la relación carrera-diámetro dividimos la carrera, S, entre el diámetro, D:
• Disminución del consumo energético primario, cuyo ahorro puede llegar al 62,5 %. • Reducción del 86 % en el consumo de agua. • Reducción del 92 % en los niveles de contaminación del agua, de la atmósfera y del suelo ya que, en la fabricación de papel reciclado, los productos químicos empleados para regular la alcalinidad son biodegradables, por lo que disminuyen la contaminación química. • Reducción de masa de RSU en los vertederos. En los países de nivel económico alto, esta reducción alcanza hasta el 30 %. Sin embargo, no todo van a ser ventajas, ya que el papel reciclado resulta de peor calidad que el nuevo y con una apariencia gris o pardusca. Si
VT VD Z 510,45 cc 4 2 041,8 cc
S 90 mm — ———— 1,059 D 85 mm d) La relación volumétrica de compresión r es el cociente entre el volumen total del cilindro (VC VD ) y el volumen de la cámara de compresión (VC ): VC VD r ———— ⇒ VC 51 cc 510,45 cc ⇒ r ———————— 11,00 51 cc La cilindrada unitaria es 510,45 cc, la cilindrada total, 2 041,8 cc, la relación carreradiámetro vale 1,059 y la relación volumétrica de compresión resulta ser 11,00. Por el valor de la relación de compresión, podemos decir que se trata de un motor de gasolina.
141
Cuestión 3
c) Ventajas e inconvenientes Además, el regulador reduce progresivamente el aporte de potencia cuando la señal se aproxima al valor de referencia.
a) Gráfica Temperatura
t
El único inconveniente del regulador es que resulta mucho más caro que el termostato, por lo que no suele utilizarse para procesos simples ni tampoco en aquellos en los que el ahorro energético no es significativo.
Potencia
Cuestión 4 Esquema del circuito
1 0 t
b) Variación de la respuesta El termostato es un dispositivo que permite un control todo/nada, es decir, que desconecta la resistencia del horno cuando la temperatura alcanza el valor de referencia y vuelve a conectarla cuando este valor se aleja del punto de referencia. En consecuencia, si queremos que el horno se mantenga a una temperatura determinada de forma permanente, será forzoso marcar el punto de referencia por encima de la temperatura deseada. De este modo, se garantiza que, durante el régimen permanente, las oscilaciones de la señal en su zona mínima se mantendrán siempre por encima de la temperatura deseada. En cambio, si utilizamos un regulador proporcional PID la respuesta del sistema será diferente: • En primer lugar, podemos conseguir mejorar el régimen transitorio, haciendo que la temperatura de referencia se alcance antes. • En segundo lugar, las oscilaciones de la señal en el régimen permanente tendrán una amplitud muy pequeña, lo que permite situar el valor de referencia prácticamente igual a la temperatura que deseamos alcanzar. • Finalmente, las perturbaciones que pueda sufrir el sistema serán automáticamente corregidas por el regulador, el cual reducirá el OFFSET a un valor mínimo.
142
Apertura
Cierre
a) Funcionamiento del sistema En posición de reposo, la válvula distribuidora permite la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro, por lo que éste permanece en su posición máxima de retroceso. La puerta del autobús permanece cerrada. Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2 NC que regula la apertura de la puerta, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso de aire tanto a la válvula distribuidora como a la microválvula 3/2 NA que regula el cierre. Al llegar el aire al órgano de mando de la válvula 5/2, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la cámara posterior del cilindro a través del antirretorno de la válvula reguladora, provocando el movimiento de avance del vástago y con él, la apertura de la puerta.
El aire que llega al órgano de retorno de la microválvula 3/2 NA que regula el cierre hace que ésta invierta su posición y permita la salida del aire contenido en la cámara anterior. Dicha salida está controlada por medio de una válvula reguladora de caudal unidireccional, con lo que se garantiza una apertura suave de la puerta.
Cuestión 5 De acuerdo con la simbología empleada en el logigrama, la función representada es:
S (A B) (B C) La tabla de verdad es la siguiente:
Cuando se oprime el pulsador de la microválvula 3/2 NA que regula el cierre, ésta, inicialmente cerrada como consecuencia de la acción del órgano de retorno, invierte de nuevo su posición y permite el paso de aire tanto a la válvula distribuidora como a la microválvula 3/2 NC que regula la apertura.
A
B
C
A
AB
BC
(A B) (B C)
S
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
Al llegar el aire al órgano de retorno de la válvula 5/2, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la cámara anterior del cilindro a través del antirretorno de la otra válvula reguladora, provocando el movimiento de retroceso del vástago y el cierre de la puerta.
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
El aire que llega al órgano de retorno de la microválvula 3/2 NC, que regula la apertura, hace que ésta invierta de nuevo su posición y permita la salida del aire contenido en la cámara posterior. Dicha salida también está controlada por medio de otra válvula reguladora de caudal unidireccional, con lo que se garantiza el cierre suave de la puerta.
Si simplificamos la función utilizando las leyes de De Morgan y las propiedades de la suma y el producto lógicos, obtenemos:
S ( A B) (B C) ( A B) (B C)
Si se utilizaran válvulas de retorno por resorte sería necesario mantener la pulsación mientras se produce la operación de apertura o de cierre ya que, en caso contrario, el muelle de retorno invertiría la posición de la válvula y la operación (de apertura o de cierre) se interrumpiría.
Si ahora confeccionamos la tabla de verdad de la función simplificada, comprobamos que coincide con la anterior:
b) Justificación La utilización de microválvulas de retorno neumático para pilotar la apertura y el cierre de la puerta permite que, para accionar ésta, basta pulsar el pulsador correspondiente, ya que el retorno sólo se produce cuando el órgano correspondiente recibe la señal neumática procedente de la otra válvula.
A B B C A B B C B (A C)
A
B
C
B
C
AC
B (A C)
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
143
Solución modelo 5 Cuestión 1 Datos:
l 100 mm S 10 10 mm2 l 0,2 mm F 200 000 N
a) Tensión unitaria La tensión unitaria es el esfuerzo que soporta el material por unidad de sección, y viene dada por la expresión:
tada y la elongación unitaria A que se produce en el material. Viene dado por la expresión: E— A En este caso: Kg 204,08 ——— Kg mm2 E — ——————— 102 040,8 ——— A 0,002 mm2 El módulo de Young de la barra metálica resulta ser 102 040,8 Kg/mm2.
P — S donde P es la tensión o el esfuerzo aplicado, en kg, y S, la sección de la probeta, en mm2. Calculamos el valor del esfuerzo y sustituimos en la fórmula: 1 Kg P 200 000 N ——— 20 408,16 Kg 9,8 N P 20 408,16 Kg Kg 204,08 ——— — ——————— 2 S 100 mm mm2 La tensión unitaria que soporta la barra es 204,08 kg/mm2. b) Elongación unitaria La elongación unitaria o incremento unitario de longitud A es el cociente entre el alargamiento provocado por la tensión aplicada y la longitud inicial de la probeta, y viene dado por la expresión: I A —— I0 En este caso: I 0,2 mm A —— ———— 0,002 100 mm I0 La elongación unitaria vale 0,002 (adimensional). c) Módulo de Young El módulo de Young o módulo de elasticidad E es el cociente entre la tensión unitaria sopor-
144
Cuestión 2 a) Características anatómicas Los motores eléctricos de corriente continua transforman la energía eléctrica en energía mecánica como consecuencia del giro de sus partes móviles. La constitución de estos motores viene determinada por la necesidad de establecer un campo magnético y disponer de una serie de bobinas recorridas por la corriente eléctrica y situadas en el seno del campo. En consecuencia, constarán de dos elementos fundamentales, denominados estátor y rotor. • El estátor es la parte fija del motor, responsable del establecimiento del campo magnético. Para ello disponen de una serie de bobinas, llamadas bobinas inductoras, situadas alrededor de los polos del electroimán. Estos polos van sujetos a la carcasa. • El rotor es la parte móvil del motor. Consta de otro conjunto de bobinas, denominadas bobinas inducidas, que van arrolladas sobre las ranuras de un núcleo de hierro que se llama inducido. Los extremos de las bobinas se sueldan a una serie de láminas de cobre, que reciben el nombre de delgas y forman el colector. El conjunto se monta sobre un eje. En los motores shunt, las bobinas inductoras van conectadas en paralelo o derivación con las bobinas inducidas. Su representación esquemática es la siguiente:
modificarse los aportes y las extracciones mediante la entrada A y la salida D.
+ – I
A
B I
Ii C
D
Iex
• Las variables de control son aquellas que pueden modificarse a voluntad. En este ejemplo, se trata del caudal que llega al depósito por la entrada A y el que se extrae por la salida D. • La perturbación es una variable que no puede controlarse de forma voluntaria. En este ejemplo, se trata de la entrada B, que aporta agua de forma permanente aunque con un caudal variable.
b) Funcionamiento Cuando el motor funciona a plena carga (70 A), su rendimiento es óptimo y puede estimarse en torno al 85 %; el régimen de giro se sitúa sobre las 700 rpm; el par motor es máximo (entre 40 y 45 kgm) y la potencia absorbida llega a ser de 36 kW. Cuando funciona en vacío (0 A), el rendimiento es prácticamente nulo; el régimen del motor es ligeramente superior al del funcionamiento a plena carga (alrededor de 750 rpm); el par motor es también nulo y la potencia absorbida apenas llega a alcanzar los 2 kW. c) Aplicaciones Estos motores se utilizan donde no se requiera un elevado par a pequeñas velocidades, donde no se produzcan grandes cargas y donde estas cargas puedan desaparecer (vacío) sin que se corra el peligro de embalamiento. Por ello, se utilizan preferentemente en las máquinas herramientas.
Cuestión 3 De acuerdo con la descripción del sistema, podemos distinguir diferentes tipos de variables: de referencia, de estado, de salida, de control y perturbaciones. • La variable de referencia es la altura h 0 en torno a la cual debe situarse el nivel de agua del depósito. • Las variables de estado son las que definen la situación del proceso. En este ejemplo, se trata de la altura h que alcanza el agua en el depósito al iniciar la maniobra y el caudal de agua que sale por la salida C, ya que es constante.
El sistema de control ha de permitir comparar el nivel real h que alcanza el agua en el depósito con el nivel establecido, h 0, y modificar el aporte de A y la extracción de D, de forma que contrarresten la extracción constante de la salida C y el aporte variable de la entrada B. Para ello, hay que definir previamente el rango de variación permitida, h, tanto por encima como por debajo del nivel de referencia, h 0. Una vez determinado éste, situaremos dos detectores de nivel a la distancia h, por encima y por debajo, respectivamente, del nivel de referencia. En el momento que el caudal de agua aportado por la entrada B sea superior a la extracción efectuada por la salida D, el nivel del agua se incrementará. Cuando el sensor situado en la parte superior detecte la presencia de agua, enviará una señal al circuito de control que regulará la válvula de la salida D, equilibrando así el exceso de aporte de agua. Cuando el descenso del nivel del agua sea detectado por el sensor situado en la parte inferior, éste enviará una señal al circuito de control que reducirá la extracción de la válvula de la salida D y abrirá la de la entrada A, equilibrando de nuevo el exceso de extracción de agua. Así, puede alcanzarse un compromiso entre los aportes de agua y las extracciones de modo que el nivel del depósito se mantenga de forma permanente dentro de los límites preestablecidos. El diagrama de bloques de este sistema de control es el siguiente: B
Comparador h0
C h
Controlador
Depósito A, D
• La variable de salida es la variación de la altura del depósito, h, a partir de la cual pueden
145
Cuestión 4 a) Elementos componentes El circuito está formado por un cilindro de doble efecto A gobernado por una válvula 4/2 con mando y retorno neumáticos. El inicio de la maniobra puede efectuarse indistintamente desde dos puntos por medio de sendas válvulas 3/2 NC (m 1 y m 2), con mando por pulsador y retorno por resorte. El recorrido del vástago está determinado por dos microválvulas 3/2 NC (a 0 y a 1) con mando por roldana y retorno por resorte, que actúan como finales de carrera y permiten el avance y el retroceso alternativos de forma automática. La finalización de la maniobra se efectúa por medio de otra válvula 3/2 NC (m 3) con mando por pulsador y retorno por resorte. El circuito dispone, además, de tres válvulas selectoras de circuito que regulan el acceso del aire modulado al órgano de mando y de retorno de la válvula distribuidora. b) Funcionamiento En posición de reposo, la válvula distribuidora 4/2 permite el paso del aire hasta la cámara anterior del cilindro, por lo que éste se encuentra en su posición máxima de retroceso. Al accionar el pulsador de cualquiera de las dos válvulas, m 1 o m 2, éstas cambiarán su posición de trabajo y permitirán el paso del aire hasta el órgano de mando (A) de la válvula distribuidora 4/2. Las dos válvulas selectoras de circuito que se encuentra el aire a su paso desplazan el asiento de modo que el aire fluya hacia la válvula 4/2 y bloquee la salida del aire a través de la válvula no pulsada, m 1 o m 2, o a través del final de carrera a 0. Cuando el aire modulado llega a la válvula 4/2, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la cámara posterior del cilindro, produciéndose de este modo la carrera de avance. Una vez comenzada la maniobra, el resorte de la válvula pulsada para el inicio devuelve ésta a su posición inicial. La carrera de avance continúa hasta que el extremo del vástago actúa sobre la roldana del final de carrera a 1. Esta válvula invierte entonces su posición de trabajo y envía una señal neumática hasta el órgano de retorno (A) de la válvula distribuidora 4/2, que cambia de nue-
146
vo su posición de trabajo y permite ahora el paso del aire hasta la cámara anterior del cilindro. Se inicia entonces la carrera de retroceso. Una vez comenzada la carrera, el muelle de retorno devuelve el final de carrera a su posición de partida. La válvula selectora de circuito, que encuentra la señal neumática enviada por el final de carrera a 0, desplaza de nuevo el asiento de manera que se bloquee la salida del aire hacia la válvula m 3. La carrera de retroceso continúa hasta que el extremo del vástago actúa sobre la roldana del final de carrera a 0. Esta válvula invierte entonces su posición de trabajo y envía una señal neumática esta vez hasta el órgano de mando de la válvula distribuidora 4/2, que cambia otra vez su posición de trabajo y permite ahora el paso del aire hasta la cámara posterior del cilindro. Se inicia entonces una nueva carrera de avance. Una vez comenzada la carrera, el muelle de retorno devuelve el final de carrera a su posición de partida. La válvula selectora de circuito, que encuentra la señal neumática enviada por el final de carrera a 0, desplaza de nuevo el asiento de manera que se bloquee la salida del aire hacia cualquiera de las válvulas m 1 o m 2. El ciclo avance-retroceso se repetirá indefinidamente mientras no se pulse la válvula m 3. Al hacerlo, ésta permitirá el paso hasta el órgano de retorno (A) de la válvula distribuidora provocando inmediatamente la carrera de retroceso. El aire enviado por la válvula m 3 desplaza el asiento de las válvulas selectoras de circuito, de manera que se bloquee el acceso de la señal emitida por los finales de carrera. De este modo, cuando el cilindro llegue a su posición máxima de retroceso ya no iniciará una nueva carrera de avance hasta que no se pulsen nuevamente cualquiera de las dos válvulas de inicio, m 1 o m 2.
Cuestión 5 a) Diagrama de bloques x2 x1 x0 Entradas
z1 Circuito combinacional z0 Salidas
b) Tabla de verdad Si el circuito dispone de tres entradas, podrá procesar las señales 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111 que corresponden, respectivamente, a los números decimales siguientes:
Simplificaremos primero la función z 0. Para ello, recurrimos a los diagramas de Karnaugh:
Circuito combinacional 000 0
001 1
010 2
011 3
100 4
101 5
110 6
111 7
x2 x1
00
01
11
10
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
x0
000 0 → N/3 0 00
Se observa que puede formarse un único agrupamiento vertical de dos celdas, que corres ponden a 100 (x 2 x 1 x 0 ) y 101 (x 2 x 1 x 0). Elimi naremos x 0 y queda sólo x 2 x 1. Por tanto, la función z 0 puede escribirse del modo siguiente:
001 1 → N/3 0 00
z0 x2 x1 x0 x2 x1
Calculamos la parte entera que corresponde a la división N/3 y la expresamos en código binario:
010 2 → N/3 0 00 Simplificamos ahora la función z 1 siguiendo el mismo proceso:
011 3 → N/3 1 01 100 4 → N/3 1 01 101 5 → N/3 1 01
x2 x1
00
01
11
10
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
x0
110 6 → N/3 2 10 111 7 → N/3 2 10 Por tanto, la tabla de verdad del circuito será: x2
x1
x0
z1
z0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
Como en el caso anterior, también puede formarse un único agrupamiento vertical de dos celdas, que corresponden a 110 (x 2 x 1 x 0 ) y 111 (x 2 x 1 x 0). Asimismo, en este caso se elimina x 0 y queda sólo x 2 x 1. Por tanto, la función z 1 puede escribirse del modo siguiente:
0
1
1
0
1
z1 x 2 x 1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
d) Logigrama De acuerdo con el resultado obtenido, el logigrama del circuito será: x2
c) Funciones lógicas y simplificación
x1
Las funciones lógicas correspondientes a cada una de las salidas son: z0
x 2 x1
z1
x 0 x 2 x 1 x0 x 2 x 1 x 0 x2 x1 x0 x2 x1 x0
z1
z0 x0
147
Solución modelo 6 Cuestión 1 a) Corrosión Es la destrucción lenta y progresiva de un material producida por el oxígeno del aire combinado con la humedad. Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya que en la superficie del metal se generan micropilas galvánicas en las que la humedad actúa como electrólito. Por consiguiente, se producen dos reacciones químicas simultáneas: una reacción anódica y una reacción catódica. • La reacción anódica tiene lugar en la superficie del metal, que actúa como ánodo y cede electrones, con lo que se forma el óxido correspondiente. • La reacción catódica consiste en la captura de los electrones por los radicales OH y el posterior desprendimiento de hidrógeno gas (H2). Los agentes corrosivos más habituales son el cloruro de sodio, NaCl, presente en el agua del mar, y el dióxido de azufre, SO2, que se produce en las combustiones. La corrosión puede clasificarse en tres categorías: corrosión uniforme, localizada e intergranular. • En la corrosión uniforme, el espesor de la zona afectada es igual en toda la superficie del metal. Al disminuir el espesor de la pieza, también decrece su resistencia mecánica. Es el caso típico de los metales atacados con ácidos. • La corrosión localizada produce picaduras, hoyos y surcos en la superficie del metal. En este caso disminuye la capacidad de deformación y es muy difícil de prevenir. El ejemplo más conocido es el del hierro atacado por el agua del mar. • En la corrosión intergranular, el ataque se localiza en la unión de los granos de los constituyentes de los metales provocando pérdida de cohesión entre ellos.
148
El metal puede llegar a desintegrarse totalmente sin que se aprecie ninguna alteración superficial. b) Modificación química de la superficie Para proteger los materiales contra la corrosión pueden utilizarse diferentes técnicas. Las denominadas de modificación química de la superficie, también llamadas de capa o barrera, consisten en la creación, por procedimientos químicos, de una capa protectora o capa de conversión sobre la superficie del metal que se desea proteger. En este grupo, distinguimos el cromatizado, la fosfatación y la oxidación anódica. El cromatizado y la fosfatación se consiguen mediante tratamientos químicos, mientras que la oxidación anódica se lleva a cabo en un proceso electrolítico. Cromatizado Consiste en aplicar al metal soluciones que contienen ácido crómico o algún derivado con el fin de provocar la aparición de una capa de óxido compacta en su superficie que impida la corrosión del resto del metal. Esta capa puede tener un espesor que oscila entre 0,01 y 1 dependiendo de la resistencia a la corrosión que se desea generar. Se emplea para el hierro y como protección adicional en los recubrimientos electrolíticos del cinc, cobre, plata y estaño. Fosfatación Se aplican soluciones de ácido fosfórico y de fosfatos de cinc, cadmio o manganeso para provocar la aparición de una capa de fosfatos metálicos en la superficie del metal que le protegen contra la humedad por ser insolubles en agua. Se emplea generalmente como subcapa en el hierro y el acero cuando éstos han de ser posteriormente pintados o plastificados. Oxidación anódica Consiste en la creación de una capa de óxido metálico compacto superior a la que se produ-
ce por oxidación natural. Para ello, se emplean procedimientos electrolíticos.
En estas condiciones, la relación de transmisión se calcula del modo siguiente:
En el ámbito industrial este tratamiento se aplica fundamentalmente al aluminio. El material así obtenido se denomina aluminio anodizado.
z2 z5 i (1.a vel.) i 1-2 i 4-5 — — z1 z 4
El proceso de anodizado del aluminio se lleva a cabo en baños de ácidos (sulfúrico, crómico o fosfórico), aunque el de mayor aplicación es el ácido sulfúrico (H2SO4) por ser el que consume menos energía en el proceso. Se consiguen así espesores de 30 que confieren al material una resistencia a la abrasión y al desgaste del orden de 200 a 400 veces superior a las obtenidas por los métodos de cromatizado y fosfatación. La capa de óxido de aluminio obtenida así queda fuertemente adherida al soporte, aunque presenta cierta porosidad, por lo que debe procederse a aplicar un último tratamiento que consiste en sumergir la pieza en agua hirviendo para que la capa de óxido se compacte e impermeabilice. Este proceso puede aplicarse también al magnesio, el titanio, el tantalio, el vanadio y el circonio. Por último, si así interesa, las piezas anodizadas pueden revestirse de una capa de pintura o barniz.
z 1 24 dientes z 3 30 dientes z 5 60 dientes v 1 500 rpm
En consecuencia, si la velocidad del eje motor es n 1 1 500 rpm, la del eje de salida, n 2, será: n1 1500 rpm n1 i— → n2 — ————— 225 rpm n2 i 6,67 Repetimos el proceso para el caso que la fresadora funcione en segunda velocidad. En este caso, el tren compuesto de engranajes es diferente: • La rueda 1 sigue montada sobre el eje motor y sigue actuando de rueda conductora de la rueda 2. • Ahora las solidarias son las ruedas 2 y 3 y, por tanto, giran a la misma velocidad. • La rueda 3 actúa como conductora de la rueda 6, que está montada en el eje portafresas. En estas condiciones, la relación de transmisión se calcula del modo siguiente: z2 z 6 i (2.a vel.) i 1-2 i 3-6 — — z1 z 3
Cuestión 2 Datos:
48 d. 60 d. ——— ——— 6,67 24 d. 18 d.
z 2 48 dientes z 4 18 dientes z 6 36 dientes P 2,5 kW
a) Velocidad del eje portafresas Cuando la fresadora funciona en primera velocidad, el tren compuesto de engranajes que forma la transmisión se forma de la manera siguiente: • La rueda 1 está montada sobre el eje motor y actúa de rueda conductora de la rueda 2. • Las ruedas 2 y 4 son solidarias sobre el eje intermedio y, por tanto, giran a la misma velocidad. • La rueda 4 actúa como conductora de la rueda 5, que está montada en el eje portafresas.
48 d. 36 d. ——— ——— 2,4 24 d. 30 d. En consecuencia, si la velocidad del eje motor es n 1 1 500 rpm, la del eje de salida, n 2, será: n1 1500 rpm n1 i— → n2 — ————— 625 rpm n2 i 2,4 En primera velocidad, el eje portafresas de la fresadora gira a 225 rpm. En segunda velocidad, lo hace a 625 rpm. b) Par y potencia Calculamos, en primer lugar, la velocidad angular del eje motor en rad/s: 2 rad 1 min rad 1 500 rpm ———— ——— 157 —— 1 vuelta 60 s s
149
A partir de este dato y de la potencia desarrollada, determinamos el par motor M: P 2 500 W P M → M — ———— 15,92 Nm rad 157 —— s Como el par y la potencia están relacionados con la relación de transmisión, calculamos los pares de salida y las potencias obtenidas en cada velocidad. Para la primera velocidad: M1 i 1 —— → M 1 i 1 M 6,6715,92 N M 106,21 Nm P1 i 1 —— → P1 i 1 P 6,67 2,5 kw P 16,675 kw Para la segunda velocidad: M2 i 2 —— → M 2 i 2 M 2,4 15,92 Nm M 38,21 Nm P2 i 2 —— → P 2 i 2 P 2,4 2,5 kw 6,00 kw P En primera velocidad la fresadora desarrolla un par de 106,21 Nm y una potencia de 16,675 kW. En segunda velocidad, el par es de 38,21 Nm y la potencia, 6,00 kW. c) Velocidad de corte Para calcular la velocidad de corte de la fresadora, basta aplicar la expresión: n d v ——— 1 000 donde v es la velocidad de corte (m/min); n es la velocidad de giro (rpm) y d, el diámetro de la fresa (mm). Por lo tanto: n d 225 rpm 3,14 50 mm v ——— ——————————— 1 000 1 000 m 35,325 —— min En primera velocidad, la fresa desarrolla una velocidad de corte de 35,325 m/min.
150
Cuestión 3 a) Función de los elementos Como se aprecia en el diagrama de bloques, un detector de proximidad inductivo está formado por varios elementos básicos: la fuente de alimentación, la bobina detectora, el oscilador, el rectificador y el disparador. • La fuente de alimentación se encarga de suministrar la energía eléctrica necesaria para que funcione el sistema. • La bobina detectora genera un campo magnético cuya intensidad variará en función de la proximidad del objeto que se detecta. • El oscilador es un circuito que genera una señal de corriente alterna que adopta la forma de una onda senoidal. Esta señal se aplica a la bobina, que devuelve una señal de salida en función de la variación del campo magnético provocado por el objeto detectado. • El rectificador es un dispositivo que transforma la señal alterna que sale del oscilador en corriente continua. Se introduce para simplificar el tratamiento de la señal. • El disparador se activa cuando la señal continua procedente del rectificador tiene el valor adecuado. b) Funcionamiento Si el objeto se encuentra muy alejado de la placa detectora, el oscilador da una señal alterna de salida muy alta y, en consecuencia, la salida continua del rectificador es la máxima posible. En estas condiciones, un conmutador invierte la señal de modo que el disparador no se activa. A medida que el objeto se va acercando al detector, la señal de salida del oscilador va disminuyendo en amplitud, pero no lo suficiente como para provocar una disminución de la señal de salida del rectificador, por lo que el disparador sigue inactivo. Si el objeto se sigue acercando, llega un momento en que la señal del oscilador es lo suficientemente pequeña para provocar una disminución de la señal del rectificador, que se produce aproximadamente de forma lineal. Cuando la señal del rectificador disminuye hasta el 50 % de la tensión de salida, se alcanza el
nivel de operación: el conmutador varía la señal y el disparador se activa. La señal de salida del disparador se mantiene mientras el objeto se encuentra dentro de la zona de detección. A medida que el objeto se aleja de la placa, se produce el efecto contrario: la señal de salida del oscilador comienza a aumentar y, con ella, se incrementa también linealmente la señal del rectificador.
El escaso flujo magnético absorbido por este tipo de materiales es insuficiente para producir una variación importante en la resistencia equivalente de la bobina detectora. Por lo tanto, no serán detectados. Entre ellos se encuentran el cobre, el vidrio, el oro y la plata.
Cuestión 4 a) Esquema de la instalación
Cuando esta señal alcanza de nuevo el 50 % de su valor nominal, el conmutador invierte otra vez la señal y desactiva el disparador. Esto se produce al salir el objeto de la zona de detección. c) Materiales detectables Como los detectores de proximidad inductivos usan el principio de la inducción electromagnética, es lógico pensar que los materiales más fácilmente detectables serán aquellos que sean permeables a los flujos magnético y eléctrico. Un buen conductor magnético concentrará y absorberá el flujo magnético. Por el contrario, un mal conductor magnético dispersará el flujo magnético. La capacidad de los cuerpos para absorber o dispersar el flujo magnético se mide por su permeabilidad magnética, que es la facilidad que poseen ciertos cuerpos para dejarse atravesar por los campos magnéticos. Atendiendo a esta característica, los materiales pueden clasificarse en ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. • Los materiales ferromagnéticos poseen una permeabilidad mucho mayor que la unidad. Este grupo incluye los materiales más fácilmente detectables por los detectores inductivos. Entre ellos encontramos el hierro y sus aleaciones, el níquel y el cobalto. • Los materiales paramagnéticos tienen una permeabilidad igual a la unidad. Estos materiales también pueden ser detectados, aunque la distancia de detección es más pequeña. En este grupo se incluyen metales como el aluminio y el platino. • Los materiales diamagnéticos presentan una permeabilidad menor que la unidad.
b) Funcionamiento En posición de reposo, la electroválvula 4/2 permite el paso de aire hasta la cámara anterior del cilindro de doble efecto, por lo que éste se encuentra en la posición máxima de retroceso. Cuando se desea separar un objeto defectuoso, el operario oprime el pulsador. La corriente llega hasta el órgano de mando de la electroválvula, que cambia su posición de trabajo y permite que el cilindro efectúe la carrera de avance. Mientras el operario mantenga la pulsación, el cilindro se mantendrá en su posición máxima de avance. Cuando deje de oprimirlo, el resorte de retorno invierte de nuevo la posición de la válvula, que deja pasar el aire hasta la cámara anterior del cilindro y se origina la carrera de retroceso. Finalizada ésta, el cilindro permanecerá inmóvil hasta que vuelva a oprimirse de nuevo el pulsador. c) Modo de actuación El operario debe mantener la pulsación mientras dura la carrera de avance. En caso contrario, el resorte de retorno invertiría la posición de la válvula y el cilindro iniciaría la carrera de retroceso antes de haber finalizado el avance.
151
Cuestión 5
Se observa que pueden formarse tres agrupamientos de cuatro celdas: dos en forma de cuadro y uno horizontal en la segunda fila.
a) Tabla de verdad Según se indica en el enunciado, la tabla de verdad de la función F será la siguiente: A
B
C
F
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0 0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
• El segundo grupo de cuatro celdas en cua dro está formado por 110 (AB C), 111 (ABC), 100 (A B C) y 101 (A BC). Las variables que cambian son ahora B y C, por lo que pueden suprimirse y queda sólo A.
De acuerdo con dicha tabla, la función F que regula el funcionamiento de la bomba viene dada por la siguiente expresión:
F ABC AB C A BC A B C ABC
AB C A BC
Utilizamos un diagrama de Karnaugh y resulta: AB
• El grupo formado en la segunda fila está for mado por 001 (ABC), 011 (ABC), 111 (ABC), y 101 (A BC). Las variables que cambian son ahora A y B, por lo que pueden suprimirse y queda sólo C. • En consecuencia, la expresión de la función F, una vez simplificada, queda del modo siguiente: FABC c) Logigrama
b) Simplificación
00
01
11
10
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
C
• El primer grupo de cuatro celdas en cuadro está formado por 010 (AB C), 110 (AB C), 011 (ABC) y 111 (ABC). Las variables que cambian son A y C, por lo que pueden suprimirse y queda sólo B.
El logigrama de la función F es el siguiente:
A B
F
C
Solución modelo 7 Cuestión 1 a) Ensayos de tracción Consisten en someter a una probeta, de una forma y dimensiones determinadas, a un esfuerzo de tracción en la dirección de su eje, que tiende a alargarla. Las probetas empleadas suelen ser de sección circular uniforme y ensanchadas en sus extremos, para poder fijarlas a la máquina universal de ensayos o a un sistema hidráulico, que son los encargados de ejercer el esfuerzo de tracción. Su longitud está calibrada para medir las deformaciones producidas por el alargamiento
152
y se construyen todas iguales para poder comparar los resultados de probetas construidas con distintos materiales. Una de las formas geométricas más empleadas es la que tiene una longitud entre puntos calibrados de 200 mm y un diámetro de 20 mm. b) Cálculos Datos:
kg 34,5 —— mm2
l 70 mm
kg E 10 300 —— mm2
d 13,82 mm
Para calcular la carga máxima, partiremos de la expresión que da la tensión unitaria .
terior del caldo de fundición y llene parcialmente el recipiente semiesférico.
P d2 — ⇒ P S —— S 4
Cuando el cilindro efectúa la carrera de retroceso, se produce el fenómeno inverso: la cuchara bascula al revés y el caldo contenido en el recipiente se desliza a través de la acanaladura hasta el recipiente de recogida exterior.
kg 3,14 (13,82 mm)2 P 34,5 ——2 ———————— 5 172,6 kg mm 4 Para determinar el incremento de longitud, partiremos de la fórmula del módulo de Young para determinar la elongación unitaria. Conocida ésta, determinaremos la dilatación que experimenta la probeta. l l E — ⇒ A — — ⇒ l —— A l E E kg 70 mm 34,5 —— mm2 l ————————— 0,23 mm kg 10 300 ——2 mm La carga máxima que es capaz de soportar el latón antes de deformarse es de 5 172,6 kg. La probeta experimentará un incremento de longitud de 0,23 mm antes de experimentar deformaciones plásticas.
Cuestión 2 a) Descripción del dispositivo El sistema de descarga está formado por la cuba de función, la cuchara de colada, el eje de pivotamiento, el cilindro neumático y el recipiente de recogida. • La cuba de fundición es un recipiente de acero revestido de material refractario. Su función es contener el caldo provocado por la fusión de los materiales correspondientes. Se trata de un elemento estático del sistema. • La cuchara de colada está formada por una palanca acanalada que bascula sobre un eje situado sobre la cuba. En uno de sus extremos dispone de un recipiente semiesférico encargado de recoger el caldo de fundición. El otro extremo está unido al vástago de un cilindro neumático. Cuando el cilindro efectúa la carrera de avance, empuja el extremo de la cuchara al que está unido. El movimiento basculante de ésta hace que el otro extremo se sumerja en el in-
• El eje de pivotamiento permite el movimiento basculante de la cuchara, cuando es impulsada por el cilindro neumático. • El cilindro neumático es el encargado de provocar el movimiento basculante de la cuchara. Puede ser accionado manualmente o de forma automática. El accionamiento manual puede consistir en una válvula distribuidora 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte. Al accionar el pulsador, se producirá el movimiento de avance y la cuchara se sumergirá en la cuba. Al dejar de pulsar, el muelle de retorno provocará la inversión de la posición de trabajo de la válvula y, con ella, la carrera de retroceso: la cuchara basculará en sentido inverso. El accionamiento automático podría conseguirse mediante una electroválvula 4/2 con retorno neumático, un final de carrera y un sensor térmico en el interior de la cubeta. El sensor detecta la temperatura de la cuba. Cuando ésta alcanza el valor deseado, emite una señal al circuito de control, el cual activa la señal eléctrica del mando de la electroválvula. Ésta cambia su posición de trabajo y provoca la carrera de avance: la cuchara se sumerge en la cuba. Cuando el vástago llega al extremo de su carrera, se activa el final de carrera (válvula 3/2 NC con mando por roldana y retorno por resorte) que se encuentra conectado al mando neumático de retorno de la electroválvula. Ésta invierte de nuevo su posición de trabajo y provoca la carrera de retroceso: la cuchara bascula en sentido inverso. • El recipiente de recogida es otro elemento pasivo del sistema: se encarga de recoger el caldo que vierte la cuchara cuando bascula desde la cuba. Puede tratarse de un simple vaso colector que posteriormente habrá de desplazarse hasta donde convenga, o bien una conducción con un grado de inclinación tal que permita el resbalamiento del caldo hasta otro lugar.
153
b) Alternativas El movimiento basculante de la cuchara puede conseguirse también por medio de otros actuadores, como los motores (eléctricos o de combustión) o mediante un dispositivo oleohidráulico. El principal inconveniente de los motores radica en que éstos efectúan un movimiento rotatorio que debería ser transformado en rectilíneo alternativo. Por otra parte, el consumo energético es notablemente superior. El accionamiento oleohidráulico presenta la ventaja de poder efectuar una fuerza efectiva, tanto en el avance como en el retroceso, notablemente superior a la de los sistemas neumáticos. Su principal inconveniente radica en que, al trabajar a elevadas temperaturas, es necesario elegir cuidadosamente el fluido para evitar el riesgo de incendio.
Cuestión 3 a) Tipo de sistema de control Para determinar si la instalación constituye un sistema de control en lazo abierto o cerrado, hemos de analizar primero la función de sus elementos componentes. • La fuente de alimentación proporciona la energía necesaria para el funcionamiento del sistema y es independiente de que éste sea en lazo abierto o en lazo cerrado. • El motor eléctrico se encarga de accionar la bomba de succión. Como en el caso anterior, puede existir tanto si se trata de un tipo de sistema como de otro. • La bomba de succión o compresor aumenta la presión del aire y funciona gracias al motor eléctrico. El razonamiento es idéntico al de los casos anteriores. • El depósito acumula el aire comprimido procedente de la bomba de succión. También existe con independencia del tipo de sistema. • El manómetro es un instrumento de medida que indica la presión que alcanza el aire en el interior del depósito. Le ocurre lo mismo que a los anteriores. • Las tomas de salida, por las que fluye el aire comprimido hacia los lugares de utilización, también son comunes a cualquier sistema de control.
154
• El presostato es un dispositivo capaz de transformar una señal neumática en una señal eléctrica. Éste es el elemento diferencial que hace que podamos confeccionar un sistema de control en lazo cerrado. En efecto, sin la presencia del presostato, el motor eléctrico accionará de modo ininterrumpido la bomba de succión y ésta irá incrementando progresivamente la presión de aire en el depósito. Esta presión puede ser medida con el manómetro pero, cualquiera que sea su valor, no afectará al funcionamiento del sistema salvo que se produzca la desconexión manual de éste. El presostato, en cambio, puede regularse para que, una vez detectada una determinada presión, conmute la señal eléctrica y desconecte el motor de la fuente de alimentación. De este modo, la bomba de succión deja de alimentar el depósito y la presión no se incrementa. Cuando, como consecuencia del uso, la presión del aire contenido en el depósito disminuya, el presostato conmutará de nuevo la señal y volverá a conectar el motor eléctrico que acciona la bomba de succión. b) Diagrama de bloques
Presión de referencia
Visualizador Actuador
Comparador
Proceso Respuesta Respues del sistem sistema
• El proceso, en este caso, consiste en alcanzar y mantener una determinada presión de aire en el interior del depósito. • El actuador está formado por un conjunto de dos dispositivos: el motor eléctrico y la bomba de succión. • El comparador es el presostato que envía una señal de realimentación para modificar la acción del actuador. • El visualizador es, en este caso, el manómetro, que indica la presión de aire existente en el interior del depósito.
Cuestión 4 a) Esquema de la instalación neumática
4
Otra de las grandes diferencias entre un sistema neumático y uno oleohidráulico es que, como consecuencia de la práctica incompresibilidad de los líquidos y en aplicación del principio de Pascal, los sistemas oleohidráulicos pueden desarrollar fuerzas efectivas mucho mayores y trabajan también a presiones notablemente superiores que los sistemas neumáticos.
2
Cuestión 5 a) Tabla de verdad 3
1
b) Esquema de la instalación oleohidráulica
A
P
B
Si el registro dispone de cuatro entradas, será capaz de procesar hasta 2 4 16 combinaciones de cuatro bits. De acuerdo con la correlación entre el sistema binario y el decimal, estas combinaciones serán: 0000(2 0(10
0001(2 1(10
0010(2 2(10
0011(2 3(10
0100(2 4(10
0101(2 5(10
0110(2 6(10
0111(2 7(10
1000(2 8(10
1001(2 9(10
1010(2 10(10 1011(2 11(10
1100(2 12(10
1101(2 13(10 1110(2 14(10 1111(2 15(10
T
c) Analogías y diferencias
Si el circuito ha de detectar los números mayores que 6, la tabla de verdad de la salida S será:
Como puede apreciarse en ambos esquemas, la simbología empleada para representar cilindros y válvulas es totalmente idéntica. Las diferencias más significativas son:
x3
x2
x1
x0
S
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
• En las válvulas neumáticas, la posición de reposo está representada por el cuadro de la derecha y en las oleohidráulicas, por el de la izquierda.
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
• La posición de los órganos de mando y de retorno también está invertida: en las válvulas neumáticas el mando se sitúa a la izquierda y el retorno a la derecha, mientras que en las oleohidráulicas sucede al contrario.
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
• La designación de los orificios o vías también es diferente: en las neumáticas se emplean números (1 para la alimentación; 2 y 4 para la utilización; 3 para el escape), mientras que en las neumáticas se utilizan letras (P para la alimentación; A y B para la utilización; T para el escape).
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
• La simbología empleada en los orificios de alimentación y escape también varía.
155
x 0),1101
b) Función lógica y simplificación De acuerdo con la tabla de verdad, la función lógica de la salida S viene dada por la expresión:
S x3 x2 x1 x0 x3 x2 x1 x0 x3 x
x 3 x 2 x1 x 0 x 3 x 2 x1 x 0 x 3 x 2 x 1 x 0
S x 3 x 2 x 1 x 0 x 3 x 2 x1 x 0 x 3 x 2 x 1 x 0 Para simplificarla, utilizaremos un diagrama de Karnaugh. AB
00
01
11
10
00
0
0
1
1
01
0
0
1
1
11
0
1
1
1
10
0
0
1
1
CD
(x 3 x 2 x 1 x 0), 1001 (x 3 x 2 x1 x 0), 1111 (x 3 x 2 x 1 x 0), 1011 (x 3 x 2 x1 x 0), 1110 (x 3 x 2 x1 x 0) y 1010 (x 3 x 2 x 1 x 0). Se observa que varían x 2, x 1 y x 0, por lo que se suprimen y queda sólo x 3. • El agrupamiento de dos celdas está formado por 0111 ( x 3 x 2 x1 x 0) y 1111 (x 3 x 2 x1 x 0). En este caso, la variable que cambia es x 3, por lo que se suprime y queda x 2 x1 x 0. Por tanto, la función simplificada de la salida S resulta ser: S x 3 x 2 x1 x 0 c) Logigrama El logigrama de la función simplificada es: x3
Puede formarse un agrupamiento de ocho celdas, y uno de dos celdas en la tercera fila. • El agrupamiento de ocho celdas está forma do por 1100 (x 3 x 2 x1 x 0), 1000 (x 3 x 2 x 1
S
x2 x1 x0
Solución modelo 8 Cuestión 1
Contenido en carbono
Poder calorífico
Turba
50 %
4 000 kcal/kg
Lignito
70 %
5 000 kcal/kg
75-90 %
7 000 kcal/kg
95 %
8 000 kcal/kg
Tipo
a) Características de los combustibles tradicionales Los combustibles tradicionalmente utilizados para la obtención de energía térmica son el carbón, en sus diferentes variedades, el petróleo y el gas natural.
Hulla Antracita
El carbón es un combustible sólido de color negro que se formó a partir de grandes masas vegetales que, como consecuencia de procesos geológicos habidos en épocas anteriores, quedaron sepultadas y experimentaron un proceso de carbonización. Los principales tipos de carbones minerales, ordenados de menor a mayor contenido en carbono, son la turba, el lignito, la hulla y la antracita. En el cuadro siguiente se resumen las características térmicas de cada una de estas variedades de carbón.
156
El petróleo es un aceite minero natural de color pardo o negruzco constituido principalmente por carbono e hidrógeno, combinados en forma de hidrocarburos, que tiene su origen en los restos de organismos vivos del medio acuático. Una vez limpio de impurezas —agua, lodos y piedras—, el petróleo podría ser utilizado como combustible con un poder calorífico que oscila entre las 9 500 y las 11 000 kcal/kg, dependiendo de su composición. Pero lo habitual es someterlo a un cuidadoso proceso de refino denominado destilación fraccionada continua, mediante
el cual se obtienen diversos productos, tal como se refleja en el cuadro siguiente:
Cuestión 2 a) Descripción de la gráfica
Tipo
Tcond
Observaciones
Residuos solidos
—
Asfaltos, betunes y ceras
Aceites pesados
360 °C
Parafina, vaselina y fuelóleo
Gasóleos Queroseno Gasolinas Productos gaseosos
250-350 °C
280 °C 20-160 °C
—
Poder calorífico de 11 120 kcal/kg Combustible de aviación Poder calorífico de 11 350 kcal/kg Hidrógeno, metano, propano y butano
El gas natural, al igual que el carbón y el petróleo, se origina como consecuencia de la descomposición de la materia orgánica en el interior de la Tierra. Según el tipo de yacimiento, distinguimos el gas húmedo y el gas seco. • Se denomina gas húmedo al que aparece junto a pequeñas cantidades de petróleo. Está formado en su mayor parte por metano, etano, propano y butano. • Cuando la ausencia de petróleo es total se le denomina gas seco y está formado por metano y etano junto a pequeñas cantidades de hidrógeno y nitrógeno. El gas natural que se extrae de los yacimientos tiene un poder calorífico que puede alcanzar las 11 500 kcal/m3 y puede aprovecharse directamente como combustible, ya que apenas presenta impurezas, tan sólo algo de sulfuro de hidrógeno que se elimina fácilmente antes de que llegue al consumidor. b) Efectos medioambientales La obtención de energía térmica por combustión del carbón o los derivados del petróleo provoca la liberación de diferentes agentes contaminantes, como el dióxido de azufre (SO2), los óxidos de nitrógeno (NO y NO2), los de carbono (CO y CO2), hidrocarburos volátiles y otros. Estas sustancias, entre otras, son las responsables de fenómenos como la lluvia ácida y el efecto invernadero.
• De A a B se produce la compresión del fluido: su volumen disminuye de V1 a V2, y su presión aumenta de P1 a P2. En esta fase, la máquina recibe la energía W necesaria para que actúe el compresor. • De B a C se produce la licuefacción o condensación del fluido a presión prácticamente constante, y el volumen disminuye de nuevo de V2 a V3. En esta fase, la máquina cede una cantidad de calor Q 1 al foco caliente. • De C a D se origina la expansión del fluido con un ligero aumento del volumen de V3 a V4 y una disminución de la presión de P2 a P1. • De D a A se produce la evaporación, a presión constante, con un aumento del volumen de V4 a V1. La máquina absorbe una cantidad de calor Q 2 del foco frío y produce el enfriamiento. El fluido, una vez recuperadas sus condiciones iniciales (P1 y V1), puede volver a comenzar el ciclo. b) Comparación entre ciclos El ciclo termodinámico de un motor térmico es también un ciclo cerrado en el que se producen modificaciones de las variables P, V y T del combustible. Las diferencias son las siguientes: • El ciclo de la máquina frigorífica (compresión, condensación, expansión y evaporación) se recorre en sentido contrario al de las agujas del reloj, mientras que el del motor térmico (admisión, compresión, expansión y escape) se recorre en el sentido de las agujas del reloj (al revés que el otro). • Durante el ciclo de la máquina frigorífica hay un aporte de energía al sistema mientras que en el de un motor térmico es éste el que la aporta. • En las máquinas frigoríficas, la cantidad de calor sustraída al foco frío (Q 2) es menor que la aportada al foco caliente (Q 1), mientras que en un motor térmico, la cantidad de calor aportada por el foco caliente (Q A) es mayor
157
que la cedida al foco frío (Q C), ya que en ambos casos ha de cumplirse el principio de conservación de la energía:
Cuestión 4 a) Esquema del circuito
En las máquinas frigoríficas: Q1 W Q 2 En los motores térmicos:
QA T QC
Cuestión 3 Los bloques E y F están en serie. Por tanto, la función de transferencia de la realimentación, K1, será: K1 E F Como se trata de un lazo de realimentación negativa del bloque C, la función de transferencia, K 2, del conjunto formado por los bloques C, E y F será: C K 2 ——— 1 EF El conjunto anterior se encuentra en serie con D. La función de transferencia, K 3, será ahora: C K 3 ——— D 1 EF El bloque G supone un lazo de realimentación negativa del conjunto anterior. Por tanto, la función de transferencia, K 4, será:
b) Fuerza efectiva de avance y retroceso Datos:
Aplicamos directamente las fórmulas que permiten calcular la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso: D2 Fea P ——— 4 3,14 (0,05 m)2 Fea 0,88 (2,5 107 Pa) ———————— 4 43 175 N
C ——— D 1 EF K 4 ——————— 1G Los bloques A y B se encuentran en serie con el conjunto anterior. La función de transferencia, K 5, será: C ——— D 1 EF K 5 ——————— A B 1G Finalmente, el bloque H constituye un lazo de realimentación negativa de todo el sistema anterior. Por consiguiente, la función de transferencia global, K, se expresará del modo siguiente: C ——— D 1 EF —————— A B C (s) 1G K ——— ——————————— R (s) 1H
158
D 50 mm 0,05 m d 30 mm 0,03 m P 250 bar 2,5 107 Pa
88 % 0,88
(D 2 d 2) Fer P —————— 4 Fer 0,88 (2,5 107 Pa) 3,14 (0,05 m)2 (0,05 m)2 —————————————— 27 632 N 4 La fuerza efectiva de avance es de 43 175 N y la de retroceso, de 27 632 N. c) Consumo de aceite Datos:
D 0,05 m d 0,03 m e 800 mm 0,8 m N 8 ciclos/min
El volumen de aceite que consume el cilindro en cada ciclo se obtiene aplicando la expresión:
(2 D 2 d 2) VT —————— e 4 3,14 2 (0,05 m)2 (0,05 m)2 VT ——————————————— 0,8 m 4 m3 2,57 103 ——— ciclo Si el cilindro efectúa 8 ciclos por minuto, el volumen de aceite utilizado será: ciclos L m3 C 2,57 103 ——— 8 ——— 103 —— ciclo min m3 L 20,6 —— min
Según los datos de la tabla, las ecuaciones lógicas correspondientes a los motores M y N son:
M AB C D A BC D A B CD A B C D
ABC D ABCD AB C D A BCD
A BC D A B CD
N ABCD ABC D AB CD A BCD
ABCD b) Simplificación Simplificaremos primero la función lógica correspondiente al motor M. El diagrama de Karnaugh correspondiente es:
El cilindro consume 20,6 L/min de aceite. AB CD
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01
11
10
Cuestión 5
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a) Tabla de verdad y funciones lógicas
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0
10
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1
0
1
De acuerdo con la información del enunciado, la tabla de verdad correspondiente al sistema es la siguiente:
Pueden formarse doce agrupamientos de dos celdas, seis horizontales y seis verticales.
A
B
C
D
M
N
1
1
1
1
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1
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0
De los agrupamientos verticales resulta:
0
0
1
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1
0
0
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0
1
1
0
• De 0001 (AB C D) y 0011 (A BCD), se suprime C y queda A BD.
0
0
0
0
0
0
De los agrupamientos horizontales resulta:
• De 0100 (AB C D) y 1100 (AB C D), se supri me A y queda B C D. • De 1100 (ABC D) y 1000 (AB C D), se supri me B y queda A C D.
• De 0001 (A B CD) y 0101 (AB CD), se supri me B y queda A CD.
• De 0001 (A B CD) y 1001 (A B CD), se supri me A y queda B CD.
• De 0010 (A BCD) y 0110 (ABCD), se suprime B y queda AC D.
• De 0010 (A BC D) y 1010 (A BC D), se supri me A y queda BCD.
• De 0011 (A BCD) y 0010 (A BC D), se suprime D y queda A BC.
159
• De 0100 (A BC D) y 0101 (AB CD), se suprime D y queda ABC.
• De 0100 (AB C D) y 0110 (ABCD), se supri me C y queda AB D.
• De 1000 (AB C D) y 1001 (ABCD), se suprime D y queda A B C.
• De 1000 (AB CD) y 1010 (ABCD), se suprime C y queda A BD.
Pueden formarse cuatro agrupamientos de dos celdas, dos horizontales y dos verticales. De los agrupamientos horizontales resulta:
• De 0111 (ABCD) y 1111 (ABCD), se suprime A y queda BCD.
• De 1111 (ABCD) y 1011 (A BCD), se suprime B y queda ACD. De los agrupamientos verticales resulta:
Por tanto, la función simplificada del motor M es:
M B C D A C D A CD B CD AC D
• De 1101 (AB CD) y 1111 (ABCD), se suprime C y queda ABD.
ABC ABD
• De 1111 (ABCD) y 1110 (ABC D), se suprime D y queda ABC.
Si sacamos factor común, la expresión anterior queda del modo siguiente:
Por tanto, la función simplificada del motor N resulta ser:
BC D A BD A BC AB C AB D
N ABC ABD ACD BCD
M (A B) C D (A C) BD (A D) B D
(B C) A D (B D) A C (C D) A B
Simplificaremos ahora la función lógica correspondiente al motor N. El diagrama de Karnaugh correspondiente es: AB
c) Logigrama El logigrama de la función correspondiente al motor N será:
A
00
01
11
10
00
0
0
0
0
B
01
0
0
1
0
C
11
0
1
1
1
10
0
0
1
0
CD
N
160
D
