Manual Sensores y Actuadores

SENSORES Y ACTUADORES

2

ÍNDICE Presentación

4

Red de contenidos

5

UNIDAD 1. Introducción a los Sistemas de Control y Medición SEMANA 1

:

Nomenclatura Metrológica, Conceptos Generales y Tipos de Sensores

SEMANA 2

:

Sensores de Presión, Ultrasonido y Aceleración

26

SEMANA 3

:

Sensores de Flujo, Strain Gage, Tratamiento de la Señal y Exp. De Lab.

36

8


SEMANA 4

:

3

PRACTICA CALIFICADA 1

UNIDAD 2. Principio de Medición (Calor, Campo Eléctrico y Campo Magnético) SEMANA 5

:

Termopares, Elementos Resistivos y Semiconductores

46

SEMANA 6

:

Sensores de Flujo, Tratamiento de la Señal, Exp. De Lab. y Sensores Cap.

60

SEMANA 7

:

Sensores de Efecto Hall, Tratamiento de la Señal, Exp. De Lab.

70

UNIDAD 3. Sensores Ópticos y Químicos SEMANA 8

: EXAMEN PARCIAL

SEMANA 9

: Fotorresistencias, Diodos emisores de LUZ, Emisores y receptores de

76

luz (Semiconductores), Encoders

SEMANA 10 : Sensor de pH. Y Sensor de Conductividad

90

SEMANA 11 : Sensores de Gas y Tratamiento de la Señal.

96

UNIDAD 4. Actuadores SEMANA 12 : PRACTICA CALIFICADA 2 SEMANA 13 : Contactos Electro mecánicos, Válvulas, Sistemas Neumáticos

108

SEMANA 14 : Sistemas Hidráulicos, Sistemas de Refrigeración, Sistemas de 140 Calefacción.

SEMANA 15 : PRACTICA CALIFICADA 3 SEMANA 16 : EXAMEN FINAL SEMANA 17 : TRABAJO FINAL

4

PRESENTACIÓN

Sensores y Actuadores: El curso en mención es parte de la formación de un Técnico Electrónico en la línea de Control y Automatización. Este curso es el inicio o primer paso hacia el fascinante mundo de la Automatización Industrial, que es tomado en cuenta de diferentes Universidades e Institutos Tecnológicos. El curso brinda un conjunto de conceptos que permite a los alumnos utilizar los diferentes tipos de sensores y actuadores según la exigencia del sistema que desean automatizar.

El manual para el curso ha sido diseñado bajo la modalidad de unidades de aprendizaje, las que se desarrollan durante semanas determinadas. En cada una de ellas, se hallarán los logros, que se deben alcanzar al final de la unidad; el tema tratado, el cual será ampliamente desarrollado; y los contenidos, que deben desarrollarse, es decir, los subtemas. Por último, se encontrarán las actividades que se deberán desarrollar en cada sesión, que permitirán reforzar lo aprendido en la clase. El curso es eminentemente práctico: consiste en sesiones de teoría y de prácticas de laboratorio. En primer lugar, se inicia con el conocimiento de las características propias de cada unos de los diferentes tipos de sensores y actuadores. Continúa con el reconocimiento físico de los sensores y actuadores. Luego, se desarrollan los usos de cada unos de ellos en los diferentes procesos industriales. Por último, Se concluye con algunas consideraciones, que se deben tener en cuenta, para la selección adecuada de los sensores y actuadores de los diferentes tipos de procesos industriales.


5

RED DE CONTENIDOS

Sensores y Actuadores

Introducción a los Sistemas de Medición.

Sem. 1y2

Sem. 2y3

Principio de Medición (Calor, H y E)

Sem. 5y6

Sem. 7

Sensores Ópticos y Químicos

Sem. 9 y 10

Sem. 11 y 12

Actuadores

Sem. 13 y 14

Sem. 15

6

Unidad de aprendizaje

1 semana

1

INTRODUCCIÓN

A LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN DE LAS VARIABLES DE PROCESO Y CONTROL. LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE 

Al término de la unidad, los alumnos comprenderán los términos propios de las mediciones y los fundamentos de automatización de un proceso industrial, identificando los elementos básicos de un sistema de control de procesos. Comprenderán además la clasificación de los sensores.



Los alumnos estarán en la capacidad de diferenciar los términos empleados en las medidas de una variable de proceso; e identificar los elementos de un sistema de control.

TEMARIO 1. Nomenclatura Metrológica 2. Conceptos Generales 3. Tipos de Sensores

ACTIVIDADES PROPUESTAS. 1. Ejercicios de Conversiones de Unidades de Medida. 2. Reconocimiento de algunos tipos de sensores y actuadores.


7

8

1. NOMENCLATURA METROLÓGICA Una magnitud o dimensión física es una cualidad de un cuerpo o de una variable de proceso, que es susceptible de ser medida. Ejemplos de magnitudes son la longitud, la masa, fuerza, velocidad, presión, temperatura, caudal, etc. Para establecer el valor de una magnitud física tenemos que usar instrumentos y un método de medición o sensores. Asimismo es necesario definir las unidades de medición. Por ejemplo, si deseamos determinar la temperatura de un fluido, el instrumento de medición será un termómetro o un instrumento similar, que más adelante vamos a desarrollar con mayor profundidad. Si hemos elegido el Sistema Internacional de Unidades (SI), se tienen las siguientes unidades de medidas: 1.1 Unidades Básicas Son aquellas magnitudes de las variables físicas que se obtienen en forma directa, sin necesidad de realizar ningún tipo de operación adicional (derivación, integración, etc.) Magnitud

Nombre

Símbolo

metro

m

Masa

kilogramo

kg

Tiempo

segundo

s

Intensidad de corriente eléctrica

ampere

A

kelvin

K

mol

Mol

candela

Cd

Longitud

Temperatura termodinámica Cantidad de sustancia Intensidad luminosa 1.1.1 Procedencia de la Unidad. Unidad de longitud:

El metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz, durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Unidad de masa

El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional. Este prototipo es un cilindro de platino que se encuentra en la Oficina de Peso y Medidas.

Unidad de tiempo

El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación, correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos, del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Unidad de intensidad de El ampere (A) es la intensidad de una corriente constante corriente eléctrica que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de -7 otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10 newton por metro de longitud.


9

Unidad de temperatura El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la termodinámica fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Observación: Además de la temperatura termodinámica (símbolo T), expresada en kelvins, se utiliza también la temperatura Celsius (símbolo t) definida por la ecuación t = T - T0, donde T0 = 273,15 K por definición. Unidad de cantidad de El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que sustancia contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas. Unidad de luminosa

1.2.

intensidad La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática 12 de frecuencia 540·10 hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.

Unidades Derivadas. Las unidades derivadas se definen por expresiones algebraicas bajo la forma de productos de potencias de las unidades básicas y/o suplementarias con un factor numérico igual 1. Estas unidades derivadas se expresan simplemente a partir de las unidades SI básicas. Algunas de ellas han recibido un nombre especial y un símbolo particular.

Unidades SI derivadas expresadas a partir de unidades básicas y suplementarias. Magnitud

Nombre

Símbolo

Superficie

metro cuadrado

m2

Volumen

metro cúbico

m3

Velocidad

metro por segundo

m/s

metro por segundo cuadrado

m/s2

Número de ondas

metro a la potencia menos uno

m-1

Masa en volumen

kilogramo por metro cúbico

kg/m3

Velocidad angular

radián por segundo

rad/s

radián por segundo cuadrado

rad/s2

Aceleración

Aceleración angular

10

1.2.1 Procedencia

-1

Unidad de velocidad

Un metro por segundo (m/s o m·s ) es la velocidad de un cuerpo que, con movimiento uniforme, recorre, una longitud de un metro en 1 segundo.

Unidad de aceleración

Un metro por segundo cuadrado (m/s o m·s ) es la aceleración de un cuerpo, animado de movimiento uniformemente variado, cuya velocidad varía cada segundo, 1 m/s.

2

-2

-1

Unidad de número de Un metro a la potencia menos uno (m ) es el número de ondas ondas de una radiación monocromática, cuya longitud de onda es igual a 1 metro. Unidad de angular

-1

velocidad Un radián por segundo (rad/s o rad·s ) es la velocidad de un cuerpo que, con una rotación uniforme alrededor de un eje fijo, gira en 1 segundo, 1 radián. 2

-2

Unidad de aceleración Un radián por segundo cuadrado (rad/s o rad·s ) es la angular aceleración angular de un cuerpo animado de una rotación uniformemente variada alrededor de un eje fijo, cuya velocidad angular, varía 1 radián por segundo, en 1 segundo.

Unidades SI derivadas con nombres y símbolos especiales. Magnitud

Nombre

Símbolo

hertz

Hz

s-1

Fuerza

newton

N

m·kg·s-2

Presión

pascal

Pa

N·m-2

m-1·kg·s-2

Energía, trabajo, cantidad de calor

joule

J

N·m

m2·kg·s-2

Potencia

watt

W

J·s-1

m2·kg·s-3

coulomb

C

Potencial eléctrico fuerza electromotriz

volt

V

Resistencia eléctrica

ohm

Capacidad eléctrica

farad

Flujo magnético

Frecuencia

Cantidad de electricidad carga eléctrica

Expresión en Exp. en unidades unidades SI SI básicas

s·A

W·A-1

M2·kg·s-3·A-1

V·A-1

M2·kg·s-3·A-2

F

C·V-1

m-2·kg-1·s4·A2

weber

Wb

V·s

M2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética

tesla

T

Wb·m-2

kg·s-2·A-1

Inductancia

henry

H

Wb·A-1

M2·kg s-2·A-2


11

Procedencia Unidad de frecuencia

Un hertz (Hz) es la frecuencia de un fenómeno periódico cuyo periodo es 1 segundo.

Unidad de fuerza

Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado.

Unidad de presión

Un pascal (Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.

Unidad de energía, trabajo, Un joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de 1 cantidad de calor newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza. Unidad de potencia, flujo Un watt (W) es la potencia que da lugar a una radiante producción de energía igual a 1 joule por segundo. Unidad de cantidad de Un coulomb (C) es la cantidad de electricidad electricidad, carga eléctrica transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere. Unidad de eléctrico, electromotriz

potencial Un volt (V) es la diferencia de potencial eléctrico que fuerza existe entre dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere, cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt.

Unidad eléctrica

de

resistencia Un ohm ue existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.

Unidad eléctrica

de

capacidad Un farad (F) es la capacidad de un condensador eléctrico que entre sus armaduras aparece una diferencia de potencial eléctrico de 1 volt, cuando está cargado con una cantidad de electricidad igual a 1 coulomb.

Unidad de flujo magnético

Unidad de magnética

Un weber (Wb) es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme.

inducción Una tesla (T) es la inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de 1 weber.

Unidad de inductancia

Un henry (H) es la inductancia eléctrica de un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 volt, cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía uniformemente a razón de un ampere por segundo.

12

Unidades derivadas que tienen nombres especiales Magnitud

Nombre

Símbolo

Expresión en unidades SI básicas

Viscosidad dinámica

pascal segundo

Pa·s

m-1·kg·s-1

Entropía

joule por kelvin

J/K

m2·kg·s-2·K-1

Capacidad térmica másica joule por kilogramo kelvin

J/(kg·K)

m2·s-2·K-1

Conductividad térmica

watt por metro kelvin

W/(m·K)

m·kg·s-3·K-1

Intensidad del campo eléctrico

volt por metro

V/m

m·kg·s-3·A-1

Procedencia Unidad dinámica

de

viscosidad Un pascal segundo (Pa·s) es la viscosidad dinámica de un fluido homogéneo, en el cual, el movimiento rectilíneo y uniforme de una superficie plana de 1 metro cuadrado, da lugar a una fuerza retardatriz de 1 newton, cuando hay una diferencia de velocidad de 1 metro por segundo entre dos planos paralelos separados por 1 metro de distancia.

Unidad de entropía

Un joule por kelvin (J/K) es el aumento de entropía de un sistema que recibe una cantidad de calor de 1 joule, a la temperatura termodinámica constante de 1 kelvin, siempre que en el sistema no tenga lugar ninguna transformación irreversible.

Unidad de capacidad térmica Un joule por kilogramo kelvin (J/ (kg·K) es la másica capacidad térmica másica de un cuerpo homogéneo de una masa de 1 kilogramo, en el que el aporte de una cantidad de calor de un joule, produce una elevación de temperatura termodinámica de 1 kelvin. Unidad térmica

de

conductividad Un watt por metro kelvin W/ (m·K) es la conductividad térmica de un cuerpo homogéneo isótropo, en la que una diferencia de temperatura de 1 kelvin entre dos planos paralelos, de área 1 metro cuadrado y distantes 1 metro, produce entre estos planos un flujo térmico de 1 watt.

Unidad de intensidad del campo eléctrico

Un volt por metro (V/m) es la intensidad de un campo eléctrico, que ejerce una fuerza de 1 newton sobre un cuerpo cargado con una cantidad de electricidad de 1 coulomb.


1.3

1.4.

13

Múltiplos y submúltiplos decimales

Factor

Prefijo

Símbolo

Factor

Prefijo

Símbolo

1024

yotta

Y

10-1

deci

d

1021

zeta

Z

10-2

centi

c

1018

exa

E

10-3

mili

m

1015

peta

P

10-6

micro

μ

1012

tera

T

10-9

nano

n

109

giga

G

10-12

pico

p

106

mega

M

10-15

femto

f

103

kilo

k

10-18

atto

a

102

hecto

h

10-21

zepto

z

101

deca

da

10-24

yocto

y

Definiciones Metrológicas 1.4.1. Rango (Range): Esta definición deviene de las definiciones de estadística y se trata de la distancia que existe entre el menor valor y el mayor valor de la capacidad de medida que tiene un instrumento. Se expresa por los dos valores extremos. Ejemplo: Rango: 0 a 120ºC

1.4.2. Alcance (Spam): En los instrumentos, al alcance se define como la distancia entre el menor y el mayor valor (en valor absoluto) de la escala. Ejemplo: Rango: 120 – 0 = 120ºC

14

1.4.3. Error: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Tradicionalmente se considera que un error tiene dos componentes: 1.4.3.1.

Componente aleatorio Es un error inevitable que se origina por eventos únicos, imposible de controlar durante el proceso de medición. No es posible compensar el error aleatorio de un resultado de medición, por lo general este es reducido incrementando el número de mediciones.

1.4.3.2.

Componente sistemático Un error sistemático se produce como consecuencia del efecto reconocido de una magnitud de influencia o perturbación sobre un resultado de la medición, este efecto puede ser cuantificado, puede aplicarse un factor de corrección, para compensar el efecto. Se supone que, después de la corrección, el valor esperado del error originado, por un efecto sistemático, debe ser cero.

1.4.4. Error de Clase Se considera el límite máximo especificado del error permitido a un instrumento. Se expresa normalmente como un porcentaje del alcance o spam del instrumento. Ejemplo: Clase 0.5: El error máximo asegurado por el fabricante será de 0.5% del spam. 1.4.5. Incertidumbre: Evidencia la falta de conocimiento del valor exacto de la magnitud. El resultado de una medición, aún después de la corrección por efectos sistemáticos reconocidos, no es más que una estimación del valor de la magnitud, debido a que tal resultado es afectado por incertidumbres provenientes de efectos aleatorios y de correcciones imperfectas de aquellos efectos sistemáticos. 1.4.6. Exactitud: Grado de conformidad entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la magnitud. Este es un valor cualitativo, pues por norma la expresión numérica está dada por la incertidumbre de medición. 1.4.7. Precisión: Según la ISO 3534-1 es la concordancia entre los resultados obtenidos en mediciones independientes, realizadas bajo las mismas condiciones acordadas. Tanto este término como el de exactitud no tienen cabida en expresiones metrológicas acordes a las guías de expresión y evaluación de incertidumbre de medición, tan sólo pueden usarse como expresiones cualitativas y en general deberían evitarse. 1.4.8. Sensibilidad: Es la relación (cociente) entre la variación observada en la indicación de instrumento (o señal de salida) y la variación real en el mesurando, a partir de una condición estable o de reposo. Suele indicarse como porcentaje del alcance o spam.


15

Ejemplo El medidor de temperatura tiene una sensibilidad de ±0.05%, el valor será: ±0.05x120/100 = 0.06 ºC.

1.4.9. Histéresis: La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Ejemplo: Si en un manómetro de 0 – 20 psig, para el valor de la variable de 10 psig, la aguja marca 9.8 al subir la presión desde 0, e indica 10.2 al bajar la temperatura desde 20 psig, el valor de la histéresis es: [(10.2 – 9.8)/ (20 – 0)] = ± 0.02 %.

1.4.10. Zona Muerta: Es el rango de valores del mesurando para el cuál el instrumento no varia su indicación o señal de salida. Suele ser indicada como un porcentaje del alcance del instrumento. Es uno de los componentes de la histéresis. 1.4.11. Repetibilidad: Es la capacidad de reproducción de la indicación o señal de salida de un instrumento o también el grado de concordancia de los resultados al medir repetidas veces el mismo valor del mesurando, en las mismas condiciones, con el mismo observador y en el mismo sentido de la variación, de modo que reduce el efecto de la histéresis. Se toma siempre el peor caso o valor máximo y puede expresarse cuantitativamente en términos de las características de la dispersión de los resultados.

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1.4.12. Deriva: Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado, mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen diferenciar las derivas del cero, es decir, la variación de la señal en la condición cero, por causas internas del equipo y la deriva térmica, por causas exclusivas de la temperatura de trabajo del equipo Se expresa usualmente en porcentaje del alcance, por unidad o por intervalo de variación de temperatura.


2.

17

Conceptos Generales: Introducción a la Automatización El control aparece en todas las actividades que nos rodean, sin ir muy lejos en casa, en los automóviles, en la industria, y en los sistemas de comunicación y transporte. Cada vez se convierte en un elemento más crítico si falla. Aparecen principios de control en Economía, Biología y Medicina. El argumento de la automatización nos dará un panorama mucho más amplio, de cómo esta disciplina puede mejorar un proceso, planta o empresa, nos simplifica el trabajo, esto quiere decir, que podemos producir equipos, herramientas o cualquier producto en menor tiempo; por lo consiguiente, va a tener un menor costo. Como consecuencia en un proceso productivo cualesquiera se va a tener una mayor eficiencia, y ésta se materializa en un producto de mejor calidad; y todo esto ayuda a la empresa, fabrica o planta, que mediante la inversión en nuevas tecnologías aumente su competitividad, y por tanto no se quede relegada. En conclusión, con la automatización se busca:    

Reducir costos en materias primas, materiales, energía y mano de obra. Mejorar las condiciones de trabajo (reducir labores pesadas). Mejorar la calidad del producto. Realizar operaciones que serían imposibles para un operador humano.

2.1.

Diagrama de Bloques de un Sistema Automatizado

2.2.

Elementos de un Sistema Automatizado Consta de los siguientes elementos: 2.2.1. Planta: Es el proceso o actividad productiva, la cual tiene un comportamiento ante un determinado estímulo o secuencia de comandos. Ejemplos: Maquina Tejedora, un horno de secado, un molino de bolas, etc.

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2.2.2. Unidad de Control: Decide las operaciones que va a realizar sobre la planta; trabaja recibiendo sus señales. Esta unidad puede ser cualquier dispositivo que tenga cierto grado de autonomía. Ejem. Microcontroladores, PLC, PC, etc. 2.2.3. Accionamiento: También llamados actuadores, son las interfaces de potencia que nos permiten gobernar o controlar la planta. Ejem. Variadores de velocidad, pistones (neumáticos y/o hidráulicos, motores, bombas, etc. 2.2.4. Sensores: Es el elemento que se va a encargar de tomar las variables del proceso o planta y convertirlas en magnitudes eléctricas, de tal manera que la unidad de control pueda leer estas variables y tomar luego una decisión. Este término va ser tocado con mayor profundidad en el tema siguiente. 2.3.

Modos de funcionamiento de una Planta 2.3.1. Manual: Cuando el operador a través de pulsadores, switch, interruptores, teclados, etc., va dando los comandos a los diferentes procedimientos que tiene una planta. 2.3.2.

Automático: Cuando el sistema o planta trabaja en forma independiente, no necesita de ninguna intervención del operador.

2.3.3. Semiautomático: El funcionamiento de la planta tiene los dos componentes, tanto automático como manual, esto quiere decir que hay partes de la planta que pueden trabajar en forma automática y otras que necesitan de un operador. 2.4.

Tipos de señales de un sistema de control Se refiere a las señales tanto de entrada como de salida que puede tener una planta o sistema, estas señales pueden de diferentes tipos y niveles. Las señales más comunes que podemos encontrar en una planta son las siguientes: 2.4.1. Señales Analógicas. Son señales que son continuas en el tiempo. Pueden tener diferentes procedencias, pueden ser señales de voltaje o señales de corriente. Estas señales (corriente) son las utilizadas en los diferentes tipos de sensores.


19

2.4.2. Señales Lógicas o Binarias: Son aquellas que expresan una condición o estado, todo o nada, on-off, lleno-vacío, alto-bajo. Estas señales presentan dos estados en niveles de tensión o corriente. 2.4.3. Señales Digitales: Es un grupo o paquete de señales digitales que pueden ser agrupadas según el tamaño de la siguiente manera. 2.4.3.1. 2.4.3.2. 2.4.3.3.

8 bits 16 bits 32 bits

: : :

1 Byte 1 Palabra o Word. 1 Doble Palabra o Doble Word.

20

3.

TIPOS DE SENSORES 3.1.

Introducción Los sensores son los instrumentos para la medida y control que interactúan con el sistema o proceso que se pretende monitorear o controlar: nos permiten la toma de medidas de las distintas variables del proceso que se va monitorear o analizar. A continuación algunas definiciones utilizadas. 3.1.1. Transductor: Es el dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente eléctrica. 3.1.2. Sensor: Es un dispositivo que mide, en forma automática o directa, una variable y proporciona una señal de salida, que está en función de la variable que se desea medir. Ejemplos:

3.1.3 Transmisores: Son dispositivos que capturan la información del proceso o del sistema que se desea controlar o monitorear y la trasmiten a grandes distancias, donde en el otro extremo se encuentra un indicador, registrador, algún tipo de controlador o la combinación de cualquiera de ellos. Existen varios tipos de señales de transmisión entre las que se pueden mencionar las siguientes: señales de tipo neumática, hidráulica, electrónica, digital y de telemetría.


21

Las señales de tipo hidráulica son muy poco utilizadas, y si lo son es cuando se requiere mover, desplazar o transportar grandes cargas. Los transmisores tienen una electrónica asociada de tal manera que pueden llevar la señal a grandes distancias, como primera función, como segunda función es la de linealizar la variable del proceso.

3.2.

3.1.3.1.

Transmisores Neumáticos. Son aquellos que pueden generar una señal neumática que, por lo general, está entre los 0 a 15 PSI. Esta señal que es generada es de acuerdo a un rango de trabajo (0 a 100%). Esto quiere decir que hay una proporcionalidad entre la entrada (%) y la salida (PSI). Estos transmisores se basan en el sistema de funcionamiento tobera-obturador, que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática. Este sistema esta conformado por un tubo neumático que esta alimentado a una presión constante, y tiene una reducción a la salida (tobera), la cual es bloqueada total o parcialmente por una lamina (obturador).

3.1.3.2.

Transmisores Electrónicos. Estos generan una señal eléctrica que es proporcional a la señal de la variable que se esta midiendo. Este tipo de transmisor tiene dos tipos de salidas, una puede ser una señal en voltaje, los rangos nominales de esta señal se pueden considerar en: 0 a 5Vdc, 0 a 10Vdc, -10 a 10 Vdc, etc, la otra forma como se puede expresar esta medición sería en una señal de corriente que tiene como valores nominales: 0 a 20mA o 4 a 20mA. Ahora la pregunta es cuál de estos dos formatos se debería utilizar (voltaje o corriente). El voltaje es para pequeños tramos (2 a 5mts) y la corriente es para grandes distancia (hasta 1000 mts).

3.1.3.3.

Transmisores Digitales. Este tipo de transmisores nos brindan información adicional del sensor, no sólo la señal que se desea medir si no la fecha de fabricación del sensor, cuando fue la última calibración, etc. Estos transmisores también son llamados inteligentes, ya que pueden hacer otras operaciones como, por ejemplo, modificar los rangos, tanto de entrada y salida de la variable del proceso, a las que más se ajusten en ese momento.

Clasificación de los Sensores La clasificación de sensores se puede hacer de diferentes maneras, de acuerdo al tipo de variables que se quiera medir. La clasificación puede ser la siguiente manera: 

Variable a medir (Temperatura, nivel, caudal, presión, aceleración, humedad, etc)



Principio de funcionamiento (Calor, Campo Eléctrico, Campo Magnético, Fuerza, torsión, etc).

22

Hay varios manuales, libros y textos base que utilizan cualquiera de estas clasificaciones, en realidad cualquiera de ellas es válida, todo depende de la óptica que tenga el autor del texto. Porque al final no interesa cuál sea el método de clasificación, siempre se verán todos los tipos de sensores para las diferentes señales o variables que se desean monitorear o controlar. Para el caso de este texto base se va a considerar la segunda clasificación, que seria por el principio de medición. Principio de medición (fuerza, esfuerzo, torsión y vibración)  Sensores de presión.  Sensores de ultrasonido.  Sensores de aceleración.  Sensores de flujo (I).  Strain Gages. Métodos de medida. Principio de medición (Calor)  Termopar. Tipos.  Resistivos. Pt-100.  Termistores: PTC, NTC.  Semiconductores: LM 35, LM335.  Sensores de flujo (II). Principio de medición (Campo Eléctrico y Campo Magnético).  Sensores capacitivos.  Sensores inductivos. Transformadores diferenciales y variables.  Sensores de efecto Hall. Sensores ópticos.  Fotorresistencias: LDR.  Diodo emisor de luz (LED). Fotodiodo. Fototransistor. Acoplamiento a fibra óptica.  Emisores-receptores de luz integrados (opto acopladores).  Encoder. Sensores químicos.  Sensor de pH.  Sensor de conductividad.  Sensores de gases basados en transistores MOSFET: CO, NH3, SO2, NO2.


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Resumen

 Las principales unidades según el Sistemas Internacional son: las unidades básicas y derivadas. Ahora buscaremos sus equivalentes de estas unidades en otro sistema de medida como por ejemplo el sistema de medida Ingles.  Los términos metrológicos son documentos técnicos de cualquier instrumento o sensor que se deben manejar de manera adecuada para lograr una buena selección del instrumento.  La importancia de la automatización industrial es reducir los costos de producción, disminuir los tiempos de fabricación, aumento de la calidad del producto final y velar por la integridad del trabajador.

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 Tabla: Clasificación de los Sensores

 Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía: 1. 2.

3.

Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre, por el que se establecen las Unidades Legales de Medida. Mulero A., Suero M.A., Vielba A., Cuadros F. El Sistema Internacional de Unidades ... en el supermercado. Revista Española de Física, Vol 16, nº 5, 2002, págs. 41-45. Giacomo P. The new definition of the meter. Am. J. Phys. 52 (7) JUly 1984, pp. 607-613.


4. 5.

25

Rodríguez M. José. Presentaciones de Clase. , Prof. Universidad Pontificia Comillas. CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo,

26

Unidad de aprendizaje

1 semana

2 PRINCIPIO DE MEDICIÓN TORSION Y VIBRACIÓN)

(FUERZA,

ESFUERZO,

LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE 

Al término de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores y estarán en la capacidad de diferenciar los términos empleados en las medidas de una variable de proceso. Estarán en la capacidad de identificar los elementos de un sistema de control.

TEMARIO 2.1. Sensores de Presión 2.2. Sensores de Ultrasonido 2.3. Sensores de Aceleración

ACTIVIDADES PROPUESTAS 

Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta consideraciones para la toma de decisiones del tipo de sensor a utilizar.


1.

27

Sensores de Presión 1.1.

Unidades de Presión La presión esta definida por la fuerza que se ejerce en una superficie determinada. Puede ser expresada en unidades tales como bares, pascales, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadro, o libras por pulgada cuadrada. A continuación una tabla de conversión para las unidades de presión. Conversión de Presión Pa 1 5

1 x 10

4

lbf/in.2

bar

kgf/cm2

1 x 10-5

1.0197 x 105

1

1.0197

14.50

atm

psi

mm Hg

in. Hg

m H2O

1.450 x 10-4 9.968 x 10-6 7.501 x 10-3 2.953 x 10-4 1.0197x 10-4 0.9869

750.1

29.53

10.197

9.807 x 10

0.9807

1

14.22

0.9678

735.6

28.96

10.000

6.895 x 103

0.06895

0.07031

1

0.06805

51.71

2.036

0.7031

760

29.92

5

1.0133 x 10

2

1.3332 x 10

1.0332 -3

1.3332 x 10

1.3595 x 10

14.70 -3

1 -3

19.34 x 10

1.3158 x 10

-3

1

3.937 x 10

10.33 -2

1.360 x 10-2

3

0.03386

0.03453

0.4912

0.03342

25.4

1

0.3453

3

0.09807

0.10000

1.422

0.09678

73.55

2.896

1

3.386 x 10 9.807 x 10

1.2.

1.0133

Tipos de Presiones Las presiones se pueden expresar como se en la tabla de Conversión de Presión en diferentes unidades, de acuerdo al lugar de trabajo (EE.UU o Europa) Según las normas se debe trabajar con las Unidades del Sistema Internacional, entonces la unidad básica de trabajo para expresar la presión será el Newton pero a nivel industrial las unidades más utilizadas son Bares y PSI. Hay varias definiciones asociadas a los tipos de presiones. A continuación, abordamos algunas de ellas: 1.2.1. Presión Absoluta. Es aquella presión que se obtiene teniendo como referencia el cero absoluto. 1.2.2. Presión Atmosférica. Es la presión ejercida por la atmósfera y es medida con un barómetro. Es variable de acuerdo a nivel del mar donde uno se encuentra, esto quiere decir que a mayor altura menor presión atmosférica. A nivel del mar esta presión tiene una magnitud de 760 mmHg o 14,7 Psi. 1.2.3. Presión Relativa. Es obtenida cuando se mide la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Hay que tener en cuenta lo anterior, este resultado es variable ya que la presión atmosférica cambia de acuerdo a la altura.

28

1.3.

Elementos de Medición Se dividen en dos clases: 1.3.1. Elemento Primario de Medición. Son de medida directa y miden la presión haciendo una comparación con la ejercida por un fluido conocido a una determinada densidad y alturas conocidas. 1.3.2. Elemento secundario de Elasticidad. Son aquellos que se deforman por la presión interna que ejerce el fluido cuando es sometido a una presión.

1.4.

Instrumentos de medición Los instrumentos para la medición de la presión son los siguientes: manómetros que son de carácter analógico y propiamente los transmisores de presión. Los primeros tienen como características que solo nos indican el valor de la presión en forma local, son indicadores de tipo aguja, mientras que los últimos me permiten llevar esta señal a un punto mucho más lejano. 1.4.1. Manómetros en forma de U. El manómetro en forma de “U” consiste en un recipiente de cristal con esa característica.

1.4.2. El tubo Bourdon, inventado por Eugene Bourdon en 1849, consta de un tubo metálico de sección transversal no circular, este se obtiene aplanando un tubo de sección circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando a esta deformación se le aplica un diferencial de presión entre el interior y el exterior. El desplazamiento de esta deformación o contracción es lineal en márgenes muy pequeños y no en toda su composición.


29

Distintas configuraciones del tubo de Bourdon

1.4.3. El diafragma. es una placa circular flexible consistente en una membrana tensa o una lámina que se deforma bajo la acción de la presión o diferencia de presiones a medir. La transducción se realiza entonces detectando el desplazamiento del punto central del diafragma. La sensibilidad del diafragma aumenta con su área y con el inverso del cuadrado de su espesor. A lo largo y ancho del diafragma hay simultáneamente tracciones y compresiones.

Esta forma de medición de la presión trabaja bien en condiciones ideales, esto quiere decir en lugares donde la temperatura esta entre 22 a 25ºC, cuando ésta se sale de este rango de operación, el diafragma puede sufrir contracciones que no son proporcionales a la presión que se esta ejerciendo sobre este. Esto se debe a que los metales a una determinada temperatura sufren una compresión o dilatación. Para solucionar este problema hay una configuración donde se hace la compensación por temperatura.

Los materiales elásticos empleados para la confección de diafragmas son: cobre de beridio, aceros inoxidables, aleaciones níquel-cobre.

30

1.4.4. Piezo-Eléctrico. Es un fenómeno físico que consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de una fuerza. Es un efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. La descripción de la interrelación entre las magnitudes eléctricas y las mecánicas en un material piezoeléctrico se hace mediante las denominadas ecuaciones piezoeléctricas.

Estas propiedades piezoeléctricas están presentes en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas. Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los más empleados son el cuarzo y la turmalina.


2.

31

Sensores de Ultrasonido Estos sensores trabajan bajo la modalidad de emisor (transmite un pulso o eco) y el receptor (recibe el pulso o eco). Estos sensores producen una radiación mecánica de frecuencia superior a las audibles (unos 20 Khz). Entonces toda radiación que incide sobre un objeto, parte de ésta, es refleja o rebota. Si, además, hay un movimiento relativo entre la fuente de radiación y el refractor, se produce un cambio en la frecuencia de la radiación (efecto Doppler). 2.1.

El Sonido. Es una onda que se propaga en un medio material, incluso en el vacío. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido.

2.2.

Características del Sonido. El oído es capaz de distinguir unos sonidos, los que son audibles por el ser humano. Para el caso de instrumentación se trabajan con altas frecuencias. Algunas de las tres cualidades del sonido son la intensidad, el tono y el timbre. Aun cuando todas ellas se refieren al sonido fisiológico, están relacionadas con diferentes propiedades de las ondas sonoras. 2.2.1. Intensidad. La intensidad del sonido percibido, o propiedad que hace que éste se capte como fuerte o como débil, está relacionada con la intensidad de la onda sonora correspondiente, también llamada intensidad acústica. Esta última es una magnitud que expresa la cantidad de energía que está fluyendo por el medio, como consecuencia de la propagación de la onda. Se define como la energía que atraviesa por segundo una superficie unidad dispuesta perpendicularmente a la dirección de propagación. Equivale a una potencia por unidad de superficie y se expresa en W/m2. La intensidad de una onda sonora es proporcional al cuadrado de su frecuencia y al cuadrado de su amplitud y disminuye con la distancia al foco. 2.2.2. Tono. es una característica del sonido mediante la cual el receptor le asigna un lugar en la escala musical, permitiendo, por tanto, distinguir entre los graves y los agudos. La magnitud física que está asociada al tono es la frecuencia. Aquellos sonidos que están en las frecuencias bajas son llamados como graves, y mientras aquellos sonidos que se encuentran en las frecuencias altas son los llamados agudos. No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia está comprendida entre los 20 y los 20 000 Hz. 2.2.3. Timbre. es la cualidad del sonido que permite distinguir sonidos procedentes de diferentes instrumentos, aun cuando posean igual tono e intensidad. Debido a esta misma cualidad es posible reconocer a una persona por su voz, que resulta característica de cada individuo.

2.3.

Fundamento de los Sensores Ultrasónicos. Cuando en la parte central de un medio elástico se produce una deformación debido a una fuerza ejercida, ésta no solo permanece localizada en el centro, si no

32

que se propaga a los puntos próximos. Si la deformación es debida a un movimiento vibratorio (eco o pulso sonoro), ésta queda caracterizada por su frecuencia f y amplitud. La velocidad con que se propaga la perturbación de unos a otros puntos, o velocidad de onda c, depende del medio pero no de la frecuencia. Para gases y líquidos dicha velocidad viene dada por: C= En la fórmula, Km es el módulo de elasticidad volumétrica y p la densidad. Dado que ambos parámetros dependen de la temperatura, c también variará con ésta. Para un sólido, en el caso de ondas longitudinales, la velocidad viene dada por

Donde: 2.4.

E: Módulo de Young u: Coeficiente de Poisson

Efecto Doppler. Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento relativo, la frecuencia de las ondas observadas es distinta a la de ondas emitidas. Los frentes de ondas que emite la fuente son esferas concéntricas, la separación entre las ondas es menor hacia el lado en el cual el emisor se está moviendo y mayor del lado opuesto. Para el observador, en reposo o en movimiento esto corresponde a una mayor o menor frecuencia. Si el observador se aproxima a la fuente por la derecha notará una longitud de onda aún menor (o una mayor frecuencia) y lo contrario advertirá si se aleja de la fuente. Si el emisor emite ondas sonoras, el sonido escuchado por el observador situado a la derecha del emisor, será más agudo y el sonido escuchado por el observador situado a la izquierda será más grave. En otras palabras, cuando el emisor se acerca al observador, éste escucha un sonido más agudo, cuando el emisor se aleja del observador, éste escucha un sonido más grave.

2.5.

Aplicaciones. Las aplicaciones de los ultrasonidos a la medida de magnitudes físicas están normalmente relacionadas con la velocidad, su tiempo de propagación y, en algunos casos, con la atenuación o interrupción del haz propagado. Una de las aplicaciones más extendidas son los caudalímetros ultrasónicos, en particular los basados en efecto Doppler. El número de aplicaciones está en continuo aumento. La mayoría emplea cerámicas piezoeléctricas o polímetros como generadores y receptores.


3.

33

Sensores de Aceleración 3.1.

Definición. es un instrumento que sirve para medir la aceleración de un objeto al que va unido.

Diferentes tipos de acelerómetro (marca Honeywell) 3.2.

Tipos. Para nuestro caso vamos a estudiar los sensores de aceleración que tienen como principio de medición la fuerza ejercida por la aceleración en un momento dado, entonces para esto el elemento idóneo seria los de tipo piezo-eléctrico. El funcionamiento de este tipo de acelerómetros se basa en las propiedades de los cristales piezo-eléctricos. Estos cristales cuando son sometidos a alguna fuerza (compresión, flexión, extensión) producen una corriente eléctrica. Así que poniendo un cristal de este tipo entre la carcasa (unida al objeto cuya aceleración se quiere medir) y una masa inercial, se producirá una corriente cuando ocurra una aceleración (la masa ejercerá una fuerza sobre el cristal).

3.3.

Aplicaciones. Estos sensores son utilizados para test de impacto y choque en la industria automotriz, para hacer el análisis vibracional de maquinas eléctricas (motores, generadores), en la industria aeronáutica, naval, y en nuestra vida cotidiana (Nintendo Wi).

34

Resumen

 El principio de medición que se esta tratando en esta semana es la fuerza, que se manifiesta como presión, torsión, compresión, etc.  Las aplicaciones de los sensores ultrasónicos es la medida de magnitudes físicas que están normalmente relacionadas con la velocidad.  Una de las aplicaciones más extendidas son los caudalímetros ultrasónicos, en particular los basados en efecto Doppler.  Los acelerómetros son son utilizados para test de impacto y choque en la industria automotriz, para hacer el análisis vibracional de maquinas eléctricas (motores, generadores), en la industria aeronáutica, naval, y en nuestra vida cotidiana (Nintendo Wi).  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. Rodríguez M. Jose. Presentaciones de Clase. , Prof. Universidad Pontificia Comillas. 2. CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo. 3. Material de Consulta de Honeywell. 4. Podemos generar sonido en http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/sound/sound.html


35

36

unidad de aprendizaje

1 semana

3 PRINCIPIO DE MEDICIÓN TORSION Y VIBRACIÓN)

(FUERZA,

ESFUERZO,


Al término de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores y estarán en la capacidad de diferenciar los términos empleados en las medidas de una variable de proceso. Además de ello, estarán en la capacidad de identificar los elementos de un sistema de control.

TEMARIO 1. Sensores de Flujo 2. Strain Gage 3. Tratamiento de la Señal 4. Experiencia del Laboratorio (Medición de Presión)


Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta las consideraciones para poder decidir el tipo de sensor a utilizar.


1.

37

Sensores de Flujo 1.1 Definición. Se denomina flujo (“flow” en inglés) al desplazamiento de los fluidos por canales abiertos o cerrados. Dichos canales de preferencia son de sección conocida (semi-circulares, triangulares, cuadrado, etc). El caudal (“flow rate”, en inglés) es la cantidad de material, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo. Esta variable de caudal esta presente en casi todos procesos, donde se tiene que desplazar o transportar el material y energía mediante fluidos. 1.2 Términos.

1.3.

1.2.1

Flujo Viscoso o Laminar. Se denomina así a un fluido a lo largo de un conducto recto, con paredes lisas y de sección transversal uniforme, donde la trayectoria de cada una de sus partículas es paralela a las paredes del tubo y con la misma dirección.

1.2.2.

Flujo Turbulento. Por el contrario, se denomina flujo turbulento cuando algunas de las partículas del fluido poseen componentes de velocidad longitudinal y transversal, y aparecen remolinos y torbellinos.

1.2.3.

Fluido Incomprensible. El que la gravedad es la única fuerza interna, sin rozamiento, que fluya en régimen estacionario y sin que entre ni salga calor de él.

Tipos. La mayoría de los caudalímetros se basan en métodos de medida indirectos y, en particular, en la detección de diferencias de presión provocadas por la inserción de un elemento en el conjunto donde se desea medir. Para entender éste y otros métodos de medida de caudal es necesario repasar, siquiera brevemente, la teoría básica de flujo de fluidos. 1.3.1.

Tubo de Pitot. Un dispositivo simple empleado para determinar la magnitud de la velocidad de un fluido en un punto. En el caso de un canal abierto, con un fluido incompresible y sin fricción y flujo unidimensional de dirección conocida, si se dispone un tubo en ángulo recto con una abertura dirigida aguas arriba, el líquido penetra en el tubo y sube lo suficiente para que se equilibre la presión de la columna líquida con la fuerza producida por la velocidad, al impactar el fluido en la abertura.

Tubo de Pitot de Canal Abierto

38

Tubo de Pitot de Canal Cerrado 1.3.2.

Presión Diferencial. Este tipo de caudalímetro es el más utilizado. Su funcionamiento se le denomina placa orificio o placa de obstrucción. Ella produce una caída de presión que depende del flujo, de esta forma, la medida de caudal se reduce a una de presión diferencial.

Placa orificio medición del caudal por presión diferencial 1.3.3.

Rotametros. Son indicadores de caudal, consiste en un tubo de forma cónica, un flotador y una escala. El fluido, líquido o gas, circula de abajo hacia arriba, si aumenta el caudal, el flotador se eleva de modo que el área de paso sea mayor y la diferencia de presiones se mantenga constante.


2.

39

Strain Gage 2.1.

Definición. Es uno de los sensores más empleados para la medición de las deformaciones, también conocido como “galga extensiométrica”. La técnica que utiliza, para medir dichas deformaciones, es la resistencia eléctrica de un cable, ya que ésta depende de la deformación axial de éste.

Strain Gage o Galga Extensiométrica Entonces hay una relación entre el cambio de resistencia de un material y la deformación que experimente éste. Si se conoce esta relación entre la deformación y la fuerza que la provoca, entonces a partir de esta relación de los cambios de resistencia se podrán conocer los esfuerzos aplicados.

2.2.

Parámetros de las Galgas 2.2.1. Ancho del Soporte. Se refiere a la dimensión (ancho) que va a tener la galga para ser soportada por el objeto que se desea medir. 2.2.2. Ancho de la Galga. Se refiere a la dimensión (ancho) efectiva que tiene la galga, esto quiere decir que sobre ese ancho se puede conseguir algún tipo de medición. 2.2.3. Longitud del Soporte. Se refiere a la dimensión (largo) que va a tener la galga para ser soportada por el objeto que se desea medir.

40

2.2.4. Extremos Ensanchados. Se da este ensanche en los extremos de la galga, tanto en el eje x como en el eje y de la galga, con la finalidad de tener una mejor área de contacto. 2.2.5. Longitud Activa. Se refiere a la dimensión (largo) efectivo que tiene la galga, esto quiere decir que sobre ese largo se puede conseguir algún tipo de medición. 2.2.6. Longitud Total de la Galga. Se refiere a la dimensión total de la galga, incluye el ensanchamiento de la misma. 2.2.7. Marcas de Alineación. Son las líneas o guías de referencia que tiene la galga. Estas guías nos permiten hacer una correcta alineación de la galga con la superficie que se desea medir. 2.3.

Tipos de Galgas. Hay diversos materiales para la confección de los strain gages, se trata de diversos conductores metálicos, como algunas aleaciones constantan, advance, karma, y las hay de materiales semiconductores como el silicio y el germanio. 2.3.1

Aleaciones Metálicas. La ventaja de este tipo de galgas, es que tienen un bajo coeficiente de temperatura y son perfectas para aplicaciones en robots. Otra característica de estas galgas que pueden medir esfuerzos de una gran magnitud. Se muestran diversos tipos de galgas. Pueden ser con soporte, de hilo bobinado o plegado, con soporte de papel o impreso por fotograbado. En este caso puede observarse que se tienen una gran variedad de configuraciones, adaptadas para medir diferentes tipos de esfuerzos.

Galgas Metálicas

2.3.2

Semiconductoras. Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se encuentra en el


41

tamaño. Las galgas semiconductoras tienen un tamaño más reducido. Como contra parte del tamaño, estas tienen sensibilidad. Tienen una mejor tolerancia.

Galgas Semiconductoras.

una mejor

42

3.

Tratamiento de la Señal. 2.3.

Definición. La galgas extensiométricas son capaces de medir deformaciones muy inapreciables a simple vista, esto da como resultado una pequeña variación de resistencia, para lo cual el circuito ha de ser muy sensible. Para el tratamiento de las señales de las galgas, el circuito utilizado por excelencia es el puente de Wheatstone, que debido a sus características lo convierten en el circuito ideal para estos casos. Hay varias configuraciones para el puente Wheatstone, vamos a tratar esas configuraciones.

2.4.

Configuración del Puente. Hay tres configuraciones de montajes: que pueden ser con una, dos y cuatro galgas. Las principales diferencias de estas configuraciones se basan en la capacidad que tienen de compensación del efecto de temperatura. Cuando las galgas tienen iguales características y estas coinciden, los efectos de la temperatura se anulan, ya que las afectan a todas por igual. 2.4.1 Configuración para una Galga. Esta configuración se caracteriza por una baja sensibilidad, pero por otro lado al sólo haber una galga, ésta no está compensada en temperatura.

2.4.2 Configuración para dos Galgas. En esta configuración se utilizan dos galgas, con esto se consigue duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Con lo cual para una misma deformación ahora vamos a tener una mayor señal de salida. La disposición de las galgas, permiten la compensación en temperatura.


43

2.4.3 Configuración para cuatro Galgas. Con esta configuración de cuatro galgas mejora la sensibilidad en cuatro veces con respecto al puente que tiene una sola galga. Como en la anterior, están compensadas en temperatura.

44

Resumen

 Flujo Laminar, se denomina así a un fluido a lo largo de un conducto recto, con paredes lisas y de sección transversal uniforme, donde la trayectoria de cada una de sus partículas es paralela a las paredes del tubo y con la misma dirección.  Flujo Turbulento, por el contrario, se denomina flujo turbulento cuando algunas de las partículas del fluido poseen componentes de velocidad longitudinal y transversal, y aparecen remolinos y torbellinos.  Fluido Incomprensible, en que la gravedad es la única fuerza interna, sin rozamiento, que fluya en régimen estacionario y sin que entre ni salga calor de él.  Hay diversos materiales para la confección de los strain gages, se trata de diversos conductores metálicos, como algunas aleaciones constantan, advance, karma, y las hay de materiales semiconductores como el silicio y el germanio  La galgas extensiométricas son capaces de medir deformaciones muy inapreciables a simple vista, esto da como resultado una pequeña variación de resistencia, para lo cual el circuito ha de ser muy sensible.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3. 4. 5.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, Material de Consulta de Honeywell. en.wikipedia.org “Implantación de galgas extensiométricas”, ITESO. “Bandas extensiométricas”, Francisco Gálvez Díaz-Rubio, Octubre de 2002


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2 semana

5 PRINCIPIO DE MEDICIÓN (CALOR, ELECTRICO Y CAMPO MAGNÉTICO)

CAMPO


Al término de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Termopares 2. Tipos Resistivos 3. Termistores y Semiconductores




1.

47

Termopares 1.1.

Definición. Este dispositivo se utilizan extensamente, ya que tiene una gran variedad de rangos de temperaturas mucho más amplia y su construcción es mucho más robusta. Adicionalmente estos dispositivos no requieren de ningún tipo de alimentación. Consta de dos cables conductores, los cuales son de diferentes aleaciones y están unidos en uno de los extremos, con lo que se tiene un dispositivo que nos permite medir altas temperaturas.

1.2.

Funcionamiento. En 1821 el físico alemán llamado Seebeck descubrió el efecto termoeléctrico. Él observó que hay una corriente que fluye en un circuito cerrado de dos metales de diferentes aleaciones. El voltaje producido depende de la aleación de los metales. La juntura de medición, es la expuesta a la temperatura y el otro extremo es el que se conecta al instrumento al cual se le denomina junta fría y debe compensarse en éste restando la temperatura ambiente.

1.3.

Leyes que rigen el funcionamiento. Las leyes principales que rigen su funcionamiento son: 1.3.1. Ley de Homogeneidad del circuito: No se puede obtener corriente calentando un solo metal. (efecto Thompson).

48

1.3.2. Ley de Metales Intermedios: La sumatoria de las diferencias de potencial térmicas es cero en un circuito con varios metales, si estos están a temperatura uniforme.

En la siguiente figura ambos instrumentos marcarán igual, es decir la corriente circulante dependerá en ambos casos de T1 y T2 exclusivamente.

1.3.3. Ley de Temperaturas intermedias: La fuerza electromotriz térmica de una TMC no depende de las temperaturas intermedias. La tensión de una Termocupla, cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente, es:

Se ve que a medida que (T - TR) crece, por lo tanto la respuesta se hace no-lineal. 1.4.

Tipos de Termopares. Hay varios tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras, que han sido recibidos con éstas de acuerdo a las normas del Instrument Society of America (ISA). Adicionalmente las termocuplas tienen una razón de cambio o sensibilidad por cada grado centígrado de variación. A continuación los diferentes tipos de termocuplas. 1.4.1. Tipo B (PtRh 30% - PtRh 6%) La termocupla Tipo B tiene como característica su capacidad para medir temperaturas más altas, su mayor estabilidad y resistencia mecánica. Las desventajas de la termocupla Tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizada en ambientes con presencia de gases reductores (como son el hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (de plomo o zinc) o no metálicos (de arsénico, fósforo o azufre). 1.4.2. Tipo R (PtRh 13% - Pt) Las termocuplas Tipo R tienen como característica que pueden ser utilizadas en forma constante en ambientes inertes hasta 1.400º C. No son tan estables como las Tipo B en vacío. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor fem de salida. La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso de las termocuplas Tipo R: 1.4.3. Tipo S (PtRh 10% - Pt) La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Es el estándar internacional para la determinación de temperaturas


49

entre el punto de solidificación del antimonio 630,74º C (1.167,33º F) y el punto de solidificación del oro 1.064,43º C (1.917º F). 1.4.4. Tipo J (Fe - CuNi) La termocupla Tipo J, conocida como la termocupla hierro constantán, es la segunda más utilizada en los EE.UU. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel (constantán). Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo. 1.4.5. Tipo K (NiCr Ni) La termocupla Tipo K (Chromel-Alumel). El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo. La Tipo K es la termocupla que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de trabajar a mayores temperaturas que la termocupla Tipo J. Las termocuplas Tipo K pueden utilizarse en forma constante en ambientes inertes hasta 1.260º C. 1.4.6. Tipo T (Cu - CuNi ) La termocupla Tipo T se conoce como la termocupla de cobre constantán. Resulta satisfactoria para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370º C. „

1.4.7. Tipo E (NiCr - CuNi) La termocupla Tipo E, o Chromel-Constantán, posee la mayor fem de salida de todas las termocuplas estándar, el rango de trabajo recomendado es - 200º C a 980º C.

Coeficientes de Variación

Coeficientes de Seebeck Type

S (µV/°C)

S R B E J K T

6.02 5.93 0.05 60.93 51.71 40.46 40.69

50

1.5.

Código de Colores. El alambrado de las termocuplas esta codificado dependiendo del tipo. Diferentes países utilizan códigos diferentes para los colores. Los códigos más comunes son:

United States ASTM:

British BS1843: 1952:

British BS4937: Part 30: 1993:

French NFE:


German DIN:

51

52

2.

Tipos Resistivos (RTD´s) 2.1. Teoría de operación. Una característica física elemental de un metal es que su resistencia eléctrica varía con la temperatura. Todos los RTD's se basan en este principio. El núcleo del RTD es la resistencia interna. Hay varios tipos de alambre (metales conductores) con los cuales está formado un RTD. Algunos metales tienen una razón de cambio muy estable de su resistencia interna, para una variación de temperatura en un medio.

2.2.

Especificaciones de los RTD´s. Hay varios parámetros que se deben tomar en cuenta para la selección de un RTD. La mayoría de estos parámetros serán especificados por el fabricante. Los materiales son níquel, cobre, balco (una aleación del hierro-níquel), tungsteno, e iridio. 2.2.1. Coeficiente de la temperatura. El coeficiente de la temperatura (TC), o el alfa de un RTD va a depender de la aleación del metal, de acuerdo a esta aleación el RTD va a tener una respuesta. El coeficiente alfa nos indica el cambio de la resistencia interna del RTD cuando este es sometido a una temperatura. Rt = R0 (1 + a t) En la que: R0 = Resistencia en ohmios a 0°C. Rt = Resistencia en ohmios t °C. a = Coeficiente de temperatura de la resistencia.


53

2.2.2. Resistencia Nominal. Es el valor de la resistencia a una temperatura dada. La Comisión electrotécnica internacional (IEC) especifica el estándar basado en 100,00 ohmios en 0°C, pero la otra resistencia nominal es absolutamente común. Las resistencias nominales son de 500, 1000, y 2000 ohmios. 2.2.3. Configuración del Cableado. El cableado es uno de los parámetros especificados típicamente por el fabricante, aunque el diseñador del sistema tiene cierto control basado en la aplicación. Un RTD es básicamente un dispositivo de dos hilos. Pero con esta configuración se tiene una buena sensibilidad, por eso en la mayoría de configuraciones le agregan un tercer alambre y proporcionan así una indicación más verdadera de la temperatura medida. Los RTD's de cuatro cables proporcionan una prestación mucho mejor. 2.2.3.1.

Circuito dos hilos. El RTD simplemente reemplaza uno de los elementos del puente y causa. La salida se lee directamente o es usada para manejar otro circuito en el transmisor. Hay que tener en consideración que una de las limitaciones de esta configuración es que puede causar errores de lectura.

Circuito dos hilos

2.2.2.2.

Circuito tres hilos. Con esta configuración se puede eliminar el error inducido por los hilos conectores, se usa esta configuración de tres hilos con este propósito. Los efectos de la resistencia de cada uno de los hilos conductores (A y B) son eliminados por el puente, debido a que cada uno es la conexión opuesta del puente. El tercer hilo (C) es un conductor de equilibrio.

Circuito tres hilos

54

2.2.2.3.

Circuito cuatro hilos. Esta es la configuración más efectiva para la eliminación de los efectos de los hilos conductores. Es una configuración que no requiere puente, como se indica en la figura. En este método una corriente constante es conectada a dos de los hilos de la RTD. La caída del voltaje en la RTD es medida en los otros dos conductores y ésta es independiente de los efectos de los hilos conductores.


3.

55

TERMISTORES 3.1.

Definición. es un dispositivo semiconductor compuesto de una mezcla de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativa de valor muy elevado. Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient) habiendo casos especiales de coeficiente positivo, cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient).

3.2.

Configuraciones. Las configuraciones de fabricación de los termistores de uso más común son los de tipo lenteja, las sondas y los discos. Las lentejas se fabrican formando pequeños elipsoides de material de termistor. Normalmente recubiertos con vidrio por razones de protección.

Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con diferentes tipos de terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra

3.3.

Características. En comparación con las termocuplas y los RTD´s, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante esté en la extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura. Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances amplios, puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento. Alcances de alrededor de 100K suelen ser lo máximo admisible. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales, que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente, cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.

56

Resumen

 Los coeficientes de variación de las termocuplas son los siguientes : Coeficientes de Variación

Coeficientes de Seebeck Type S (µV/°C) S R B E J K T

6.02 5.93 0.05 60.93 51.71 40.46 40.69

 Las aleaciones y los rangos de temperatura de las termocuplas son las siguientes: Termocupla

Rango

Termocupla

Rango

Cobre vs. Cobre-níquel, Tipo T -40 a + 350°C Hierro vs. cobre- níquel, Tipo J -40a+ 750 °C Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K - 40 a 1.000 °C Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R. 0 a + 1.600°C Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S 0 a + 1. 600°C Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, -Tipo B Cobre vs. cobre-níquel, Tipo T Hierro vs. cobre-níquel, Tipo J Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R Platino- rodio 10% vs. platino, Tipo S Platino- rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B

Termocupla

-40a+ 350°C -40a+ 750 °C - 40 a + 1.200°C 0 a + 1.600 °C 0 a + 1.600 °C + 600 a + 1700 °C

Rango

Cobre vs. Cobre-níquel, Tipo T -200 a + 40 °C Hierro vs. cobre- níquel, Tipo J -200 a + 40 °C Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K -200 a + 40 °C Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R -Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S -Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, +600 a + 1.700 °C Tipo B


57

 Los cables de las termocuplas se le han asignado diferentes colores, según el tipo de las termocuplas. La clasificación es la siguiente: United States ASTM:

British BS1843: 1952:

German DIN:

 El núcleo del RTD es la resistencia interna. Hay varios tipos de alambre (metales conductores) con los cuales está formado un RTD. Algunos metales tienen una razón de cambio muy estable de su resistencia interna, para una variación de temperatura en un medio.  Los termistores son dispositivos semiconductores que estan compuestos de una mezcla de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativa de valor muy elevado.

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 Tabla General

RTD

Termistor

Sensor de IC

Termopar Autoalimentado

Ventajas

Más estable.

Alto rendimiento

El más lineal

Más preciso.

Rápido

El de más alto rendimiento

Más lineal que los Termopares.

Medida de dos hilos

Económico

Robusto Económico Amplia variedad de formas físicas Amplia gama de temperaturas

Caro. Lento. Precisa fuente de alimentación. Desventajas Pequeño cambio de resistencia. Medida de 4 hilos Autocalentable

No lineal. Rango de temperaturas limitado. Frágil. Precisa fuente de alimentación. Autocalentable

Limitado a < 250 ºC No lineal Precisa fuente de alimentación

Baja tensión

Lento

Precisa referencia

Autocalentable

El menos estable

Configuraciones limitadas

El menos sensible

 Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3. 4. 5.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org www.unirioja.es/cu/lzorzano/jk.htm www.silge.com.ar/hojtec/redlion/castell/termocuplas.doc Apuntes de la Universidad de Vigo


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2 semana

6 PRINCIPIO DE MEDICIÓN (CALOR, ELECTRICO Y CAMPO MAGNETICO)

CAMPO


Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Sensores Capacitivos 2. Sensores Inductivos




1.

61

SENSORES CAPACITIVOS 1.1.

DEFINICIÓN. Los sensores capacitivos pueden detectar materiales conductores y no conductores, en forma líquida o sólida. Existen distintas aplicaciones, incluso control de niveles en depósitos, también para detectar el contenido de contenedores, o en máquinas empaquetadoras. Otras aplicaciones incluyen el posicionado y contaje de materiales en sistemas de transporte y almacenaje, por ejemplo cintas transportadoras y mecanismos de guía. Materiales típicos que pueden ser detectados: Sólidos: Madera, cerámica, vidrio, apilamientos de papel, plástico, piedra, goma, hielo, materiales no férricos, y materias vegetales. Líquidos: Agua, aceite, adhesivo y pinturas. Granulados: Granulados plásticos, semillas, alimentos, y sal. Polvos: Tintas, polvo de jabón, arena, cemento, fertilizantes, azúcar, harina y café. Los sensores capacitivos son dispositivos que están conformados por uno o varios condensadores eléctricos, esto quiere decir que en su parte constitutiva tiene dos placas metálicas y estas están separadas por un dieléctrico (sólido, líquido o gaseoso), o el vacío. La relación entre la carga, Q, y la diferencia de potencial, V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C=Q/V.

Configuración Básica

62

Otras configuraciones de Sensores Capacitivos


1.2.

63

Aplicaciones. Con este método se pueden medir diferentes tipos de señales o variables de proceso, por ejemplo: 1.2.1.

1.2.2. 1.2.3.

1.2.4.

Distancia o proximidad. Se puede medir esta variable, teniendo en cuenta la separación de las placas eléctricas del condensador, con esta separación se obtiene un voltaje de salida, y este voltaje puede determinar la distancia o cercanía de un objeto. Nivel. De la misma forma que el anterior, por el método de la separación de placas. Caudal. Debido al menor o mayor flujo de un determinado fluido se podrá determinar la cantidad de material que está pasando por unidad de tiempo. Presión. Al ejercer una fuerza en una de las placas metálicas, el espacio entre ellas disminuye, por consiguiente ya se tiene un voltaje por la fuerza ejercida sobre una de éstas.

64

2.

Sensores Inductivos. 2.1.

Definición. Los sensores inductivos son detectores electrónicos de piezas metálicas o de algún tipo de fluido que contenga en su composición algún tipo de material metálico. La ventaja de este tipo de sensor es que no hay la necesidad de contacto físico, que se basa en la variación de los campos electromagnéticos.

2.2.

Conceptos Generales. 2.2.1.

Teoría Electromagnética. Con los experimentos que realizo Oersted demostraron que una corriente eléctrica, produce efectos magnéticos (por ejemplo, es capaz de desviar una brújula).

2.2.2.

Campo Magnético. Es la región del espacio en la que se manifiestan los fenómenos magnéticos. Estos actúan según unas imaginarias "líneas de campo" que son el camino que sigue la fuerza magnética. Se pueden visualizar colocando un imán bajo una cartulina espolvoreada con limaduras de hierro, éstas se colocan siguiendo las líneas de fuerza.

2.2.3.

Materiales Paramagnéticos. Parte de los electrones de estos materiales se orientan con el campo magnético, reforzándolo débilmente. Materiales de este tipo son: aluminio, platino, cromo, etc.

2.2.4.

Materiales diamagnéticos. En este tipo de materiales como zinc, plomo, cobre,..., algunos de sus electrones se orientan de forma que contrarrestan débilmente el campo magnético, evitando que parte de las líneas de campo se cierren a través de ellos.

2.2.5.

Materiales ferromagnéticos. En estos materiales como hierro, níquel, cobalto, los electrones están preorientados por zonas, llamadas dominios magnéticos, así éstos se orientan con el campo magnético externo reforzándolo fuertemente.


65

2.2.6.

Campo Magnético creado por una corriente rectilínea. Una corriente rectilínea I crea un campo magnético, cuyas líneas de fuerza son circunferencias que están contenidas en un plano perpendicular a I y siguen el sentido del sacacorchos, que avanza en el sentido de la I.

2.2.7.

Campo magnético creado por una espira plana. Una espira plana recorrida por una corriente I crea un campo magnético perpendicular a la espira, cuya dirección es la del sacacorchos que gira en el sentido de la corriente.

2.2.8.

Campo magnético creado por un solenoide. Por medio de solenoides se construyen los electroimanes: bobinas que, al ser excitadas por una corriente eléctrica, atraen los cuerpos ferromagnéticos. Un caso típico de aplicación es el relé.

2.2.9.

Núcleos de chapa. Para frecuencias bajas se utilizan los núcleos de chapa. Estos consisten en una serie de chapas de material ferromagnético de pequeño grosor apiladas, recubiertas cada una de ellas de barniz aislante. Las chapas permiten el paso del flujo magnético, pero no el de las corrientes de Foucault, ya que éstas son perpendiculares a aquél.

66

2.3.

2.2.10.

Núcleos de ferrita. Para frecuencias altas es insuficiente el aislamiento que se consigue con los núcleos de chapa y se recurre a unos materiales especiales denominados ferritas; éstos están formados por gránulos de material ferromagnético separados por un cemento cerámico.

2.2.11.

Núcleos de aire. Para frecuencias muy altas se recurre a dejar la bobina sin núcleo ferromagnético, y se dice que tiene núcleo de aire. Como éste es un buen aislante eléctrico, la pérdida por corrientes de Foucault en este tipo de bobinas es prácticamente nula.

Aplicaciones. Con este método se pueden medir diferentes tipos de señales o variables de proceso, por ejemplo, distancia, proximidad, cuadal, nivel y presión.


Proximidad

Distancia

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68

Resumen

 Los sensores capacitivos pueden detectar materiales conductores y no conductores, en forma líquida o sólida. Existen distintas aplicaciones, incluso control de niveles en depósitos, también para detectar el contenido de contenedores, o en máquinas empaquetadoras.  Los sensores inductivos son detectores electrónicos de piezas metálicas o de algún tipo de fluido que contenga en su composición algún tipo de material metálico. La ventaja de este tipo de sensor es que no hay la necesidad de contacto físico, que se basa en la variación de los campos electromagnéticos.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org Apuntes. Universidad de Vigo.


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2 semana

7 PRINCIPIO DE MEDICIÓN (CALOR, ELECTRICO Y CAMPO MAGNETICO)

CAMPO


Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Sensores de Efecto Hall 2. Tratamiento de la Señal




1.

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Sensores de Efecto Hall 1.1.

Definición. El efecto Hall, descubierto por E. H. Hall en 1879, consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta.

El sentido de la tensión obtenida para el caso de un semiconductor, depende del tipo de portadores de corriente mayoritarios, sobre estos actúa una fuerza (Fuerza de Lorentz).

Se produce así una acumulación de cargas en las superficies que dan origen a una tensión tal, que la fuerza sobre los portadores equilibra la fuerza debida al campo magnético. Como la dirección de la fuerza depende del tipo de portadores mayoritarios, la tensión de Hall (VH) tiene distinto signo para un material semiconductor tipo P que para uno tipo N.

Donde: t es el grosor del material en la dirección del campo magnético aplicado. I es la corriente que circula por el material. B es el campo magnético aplicado. RH es el coeficiente de Hall, que recoge propiedades eléctricas del material (densidad de carga y movilidad de los portadores). No obstante, este comportamiento descrito es un tanto ideal, en la práctica, y en lo que concierne a los sensores la tensión de Hall también depende de otros factores como son: Presión: la dependencia de ésta es un factor a tener en cuenta por el fabricante al encapsular el componente. Temperatura: por una parte afecta a la resistencia del material y por otra a la movilidad de los portadores mayoritarios

72

1.2.

Aplicaciones. En el mercado existe gran cantidad de sensores industriales para diversos usos, basados en el efecto que descubrió el científico Edwin Herbert Hall. El nombre de Hall, físico norteamericano, ha pasado a la posteridad debido a una singularidad electromagnética que descubrió por causalidad en el curso de un montaje eléctrico: el "Efecto Hall". Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla en la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas.

Una de las aplicaciones de los sensores por efecto Hall que más se ha instalado en la industria, en especial en la automotriz, es como reemplazo del sensor inductivo o pickup magnético que describimos más arriba (basado en un imán permanente y una bobina). Dado que en este caso el sensor, por estar implementado por un semiconductor, tiene la capacidad de poseer electrónica integrada, la señal que sale de los sensores por efecto Hall para uso como detectores de proximidad por lo general ya está amplificada y condicionada, de modo que su utilización es mucho más directa, fácil y económica. Otra aplicación es la medición de la corriente que circula por un conductor, con lo que se pueden implementar medidores de seguridad sin necesidad de insertarlos en el circuito eléctrico de un sistema donde se maneja potencia. Los sensores pueden estar construidos en una cápsula de tipo circuito integrado o una de transistor.


2.

73

TRATAMIENTO DE LA SEÑAL Para el tratamiento de estas señales ya en el mercado se disponen de diferentes tipos de acondicionadores y hasta en muchos de los sensores ya vienen integrados los respectivos acondicionadores, de tal manera que se hace mucho más fácil el uso de estos dispositivos ya que sólo se necesita la polarización del mismo. Un claro ejemplo es el El UGN3503, disponible en varias cápsulas de tipo transistor. Transistor: Dispositivo electrónico de material semiconductor (germanio, silicio) capaz de controlar una corriente eléctrica, amplificándola y/o conmutándola. Posee tres conexiones: Colector, Emisor y Base. Adicionalmente hay otros, como por ejemplo, los conversores sincrónicos digitales y digital sincrónico.

74

Resumen

 El efecto Hall, consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta.  Para el tratamiento de estas señales ya en el mercado se disponen de diferentes tipos de acondicionadores y hasta en muchos de los sensores ya vienen integrados los respectivos acondicionadores, de tal manera que se hace mucho más fácil el uso de estos dispositivos ya que sólo se necesita la polarización del mismo.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3. 4.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org Apuntes. Universidad de Vigo. Pagina Web : http://robots-argentina.com.ar


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3 semana

9 SENSORES ÓPTICOS Y QUÍMICOS LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE  Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Fotorresistencias 2. Diodos emisores de LUZ 3. Emisores y receptores de luz (Semiconductores) 4. Encoders




1.

77

FOTORESISTENCIAS (LDR). 1.1.

DEFINICIÓN. Las LDR (Light Dependent Resistor, o Resistor Dependiente de la Luz) son, como su nombre lo indica, resistencias cuyo valor varía de acuerdo al nivel de luz al que están expuestas.

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.

Gráfica de cómo varía la resistencia según la luz.

1.2.

FUNCIONAMIENTO. La amplitud de resistencias. Sin luz, una buena LDR se ha de comportar como un circuito abierto. Y su mínima resistencia ha de ser lo más pequeña posible, en torno a los cien ohmios, o menos si pudiera ser. Se ha de tener en cuenta, el tiempo que emplea una LDR en pasar de un estado de máxima resistencia, a otro de mínima resistencia, es decir, lo que tarda en conmutar desde una posición de circuito "cerrado", a otro estado de circuito "abierto". Este tiempo a de ser lo más pequeño posible, y ha de estar en torno al segundo.

78

Circuito típico 1.3.

Aplicaciones. La mayor parte de las aplicaciones de los resistores LDR se basan en el accionamiento de un relé o de una lámpara, Relés- LDR, con circuitos de retención, Indicador de nivel, Conmutador crepuscular, etc.


2.

79

DIODOS EMISORES DE LUZ. (LED) 2.1.

DEFINICION. Un led es un diodo que emite luz (Light emitting Diode) y el diodo es un semiconductor y éstos a su vez están constituidos por dos capas, una capa N y una capa P.

Símbolo del diodo

2.2.

TIPOS DE DIODOS LEDS. Existen diodos LEDS de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros. Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP).

80

Frecuencia

Color

Material

940

Infrarrojo

GaAs

890

Infrarrojo

GaAlAs

700

Rojo profundo

GaP

660

Rojo profundo

GaAlAs

640

Rojo

AlInGaP

630

Rojo

GaAsP/GaP

626

Rojo

AlInGaP

615

Rojo – Naranja

AlInGaP

610

Naranja

GaAsP/GaP

590

Amarillo

GaAsP/GaP

590

Amarillo

AlInGaP

565

Verde

GaP

555

Verde

GaP

525

Verde

InGaN

525

Verde

GaN

505

Verde turquesa

InGaN/Zafiro

498

Verde turquesa

InGaN/Zafiro

480

Azul

SiC

450

Azul

InGaN/Zafiro

Esquema del circuito de polarización.

2.4.

Aplicaciones. Es utilizado ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Como por ejemplo: se utilizan para desplegar contadores, para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua, para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna, en dispositivos de alarma, etc. Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz.


3.

81

FOTOTRANSISTORES 3.1.

DEFINICIÓN. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 formas diferentes: -Como un transistor normal con la corriente de base Ib (modo común). -Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base Ip (modo de iluminación). Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar. Ib = 0. La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corriente de base (por iluminación): Ibt = Ib + Ip.

Fototransistor

Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz. 3.2.

CIRCUITO EQUIVALENTE. El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante. Como el fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy corto, sólo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor. En el gráfico siguiente se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica ß veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor. Nota: ß es la ganancia de corriente del fototransistor.

82

3.3.

FUNCIONAMIENTO. El foto transistor y el transistor de carga (NPN de pequeña señal) se colocan en serie, la resistencia de auto polarización, del transistor de carga (entre colector y base del mismo) debe llevar a éste casi al punto de saturación, unos 600 a 800 mV en colector. La incidencia de la iluminación ambiente sobre el foto transistor, determina una corriente sobre el mismo, que se equilibra con el transistor de carga auto polarizado y mantiene cargado el capacitor que está en la base del mismo. En el momento que se reciben pulsos de luz, el circuito no puede responder con la suficiente rapidez, por el efecto del capacitor de base y éstos se manifiestan a la salida.

3.3.

APLICACIONES. Alarmas de presencia y ausencia de Luz, Cámaras fotográficas para regular la membrana del objetivo automáticamente, para conductores y receptores de fibra óptica, Para hacer circuito optoaisladores y Montaje de circuitos opto acopladores.


4.

83

OPTO ACOPLADORES. 4.1.

DEFINICION. Un opto acoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado mediante la luz. La mencionada luz es emitida por un diodo LED que satura un componente opto electrónico, normalmente en forma de fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar como medio de protección para dispositivos muy sensibles.

OPTO ACOPLADOR. 4.2.

FUNCIONAMIENTO. La figura de arriba muestra un opto acoplador 4N35 formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto. Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida. La ventaja fundamental de un opto acoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el opto acoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión, en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

84

4.3.

TIPOS. Existen varios tipos de opto acopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes tipos:

4.3.1. Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos y audio.

4.3.2. Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red.

4.3.3. Optotriac: Al igual que el Optotiristor, se utiliza para aislar una circuitería de baja tensión a la red.

4.4.

APLICACIÓN. En general pueden sustituir a relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.


5.

85

ENCODERS. 5.1.

DEFINICIÓN. En el mundo de la automatización industrial vamos a ver que para ciertas aplicaciones donde se tenga que tratar de medir algunas distancias o desplazamientos, tenemos que utilizar de un transductor que convierte una magnitud de un mecanismo, tanto posición lineal como angular a una señal digital (a través de un potencial). El encoder estará operando en relación al eje del elemento cuya posición deseamos determinar. Y su fundamento viene dado por la obtención de la medida en base a la luz que traspasa una serie de discos superpuestos que codificarán la salida digital.

5.2.

FUNCIONAMIENTO. El principio de operación de un encoder se basa en los llamados fotoacopladores. Éstos son pequeños chips que consisten en un diodo en forma de fotoemisor y un transistor que realiza las tareas de fotorreceptor. Este elemento se encarga de detectar la presencia/ausencia de la luz a través de los discos concéntricos al eje, los cuales están fabricados con unas ranuras que dejan pasar la luz en función de una codificación utilizada para obtener la medida final. Tal como se observa en la Figura.

5.3.

TIPOS DE ENCODERS. Según la tarea que necesitemos llevar a cabo va a precisar un encoder que nos ofrezca salida en cualquier momento, es decir, aquellos llamados absolutos, mientras el otro tipo, el cual nos dará información del estado del eje cuando se encuentre en movimiento se denomina incremental. Por lo tanto se van a dividir fundamentalmente en estos dos grupos.

86

5.3.1. INCREMENTALES. Los codificadores incrementales constan de un disco transparente al cual superponemos la plantilla de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. De esta manera, a medida que el eje comience a girar se irán produciendo pulsos eléctricos en el receptor cada vez que la luz atraviese una marca de los discos. Si llevamos la cuenta de estos pulsos a través de la adquisición de la señal en el foto receptor, podremos conseguir una medida real de la posición del eje.

También necesitaremos disponer de una marca adicional que nos indique cuando se ha dado una vuelta completa y que por tanto comienza la cuenta de nuevo. Esta marca también nos va a servir para poder comenzar a contar de nuevo donde nos habíamos quedado tras una caída de la tensión. 5.3.1.1 ENCODERS UNIDIRECCIONALES. dan una salida y no se puede determinar el sentido de giro. Sólo nos servirá para obtener valores absolutos. Por ejemplo, para obtener velocidades absolutas sin importar el sentido de giro.

5.3.1.2 ENCODERS BIDIRECCIONALES. nos ofrece dos salidas A y B. El sentido se va a distinguir por la diferencia de fase cita anteriormente. Será útil cuando necesitemos saber coordenadas exactas, tanto positivas como negativas.

5.3.2. ABSOLUTO. Los encoders absolutos van a funcionar en todo momento dando la posición angular del eje. El funcionamiento básico es muy similar al incremental. Tenemos las lentes de adaptación correspondientes, el disco graduado y los fotorreceptores. El disco transparente se deviene en un número


87

de sectores potencia de 2, codificándose de forma binaria en cualquiera de las formas posibles que se comentará más adelante, lo cual queda representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente. En los encoders absolutos no necesitamos ninguna herramienta especial para obtener el sentido de giro, ya que cada sector está codificado de manera absoluta. La resolución es fija y vendrá dada por el número de anillos concéntricos que contenga el disco. Las resoluciones habituales van desde 28 a 219 posiciones diferentes.

5.3.2.1 ENCODER CON SALIDA BCD. binario codificado a decimal. Se trata del código binario normal pero aplicado a cada dígito. Es decir se codifica 0000 a 1001. Del 0 al 9. 5.3.2.2 ENCODER CON SALIDA GRAY. es un código binario especial muy útil para evitar errores, ya que su funcionamiento de pulsos sólo varía un bit, de esta manera los cambios sólo se producirán de uno en uno y la detección será más sencilla. Los discos codifican la salida mediante la anchura y la distribución de las ranuras.

5.3.3

88

Resumen

 E Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz.  Un led es un diodo que emite luz (Light emitting Diode) y el diodo es un semiconductor y éstos a su vez están constituidos por dos capas, una capa N y una capa P.  Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz.  Un opto acoplador es un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado mediante la luz. La mencionada luz es emitida por un diodo LED que satura un componente opto electrónico, normalmente en forma de fototransistor.  El principio de operación de un encoder se basa en los llamados fotoacopladores. Éstos son pequeños chips que consisten en un diodo en forma de fotoemisor y un transistor que realiza las tareas de fotorreceptor. Este elemento se encarga de detectar la presencia/ausencia de la luz a través de los discos concéntricos al eje, los cuales están fabricados con unas ranuras que dejan pasar la luz en función de una codificación utilizada para obtener la medida final.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

7.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org Apuntes. Universidad de Vigo. Pagina Web : http://robots-argentina.com.ar Apuntes de Encoders Rafael Taberner. Pagina Web. http://www.dccia.ua.es/dccia/inf/asignaturas/ROB/optativos/Sensores/internos. html Pagina Web. http://www.fisicanet.com.ar/quimica/industrial/ap02_sensores.php


89

90


3 semana

10 SENSORES ÓPTICOS Y QUÍMICOS LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE  Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Sensor de pH 2. Sensor de Conductividad

ACTIVIDADES PROPUESTAS  Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta consideraciones para la toma de decisiones del tipo de sensor a utilizar.


1.

91

SENSORES DE PH 1.1.

DEFINICION. El pH es una medida del grado de acidez o alcalinidad que tiene el agua con algunos compuestos químicos disueltos. La expresión de esta magnitud física esta dada por:

Desde entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno. Algunos valores comunes del pH Sustancia/Disolución pH 0,0 Disolución de HCl 1 M 1,5 Jugo gástrico 2,4 Jugo de limón 2,5 Refresco de cola 2,9 Vinagre Jugo de naranja o manzana 3,0 4,5 Cerveza 5,0 Café 5,5 Té < 5,6 Lluvia ácida Saliva (pacientes con cáncer) 4,5 a 5,7 5,5-6,5 Orina 6,5 Leche 7,0 Agua pura 6,5 a 7,4 Saliva humana 7,35 a 7,45 Sangre 8,0 Agua de mar 9,0 a 10,0 Jabón de manos 11,5 Amoníaco 12,5 Hipoclorito de sodio 13,5 a 14 Hidróxido sódico

1.2.

FUNCIONAMIENTO. El pHmetro es un sensor que utiliza el método electroquímico para medir el pH de una disolución. La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio, que separa dos soluciones con diferente concentración de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio ante el pH.

92

Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel (mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución en la que queremos encontrar el pH. La barita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, esta formado por un vidrio polarizable (sensible de pH). Se llena el bulbo con la solución de acido clorhídrico 0.1N saturado con cloruro de plata. El voltaje al interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial sólo depende del pH del medio externo. El alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador.

1.3.

MANTENIMIENTO. El electrodo de vidrio es relativamente inmune a las interferencias del color, turbidez, material coloidal, cloro libre, oxidante y reductor. La medida se afecta cuando la superficie de la membrana de vidrio está sucia con grasa o material orgánico insoluble en agua, que le impide hacer contacto con la muestra, por lo tanto, se recomienda la limpieza escrupulosa de los electrodos. Los electrodos tienen que ser enjuagados con agua destilada entre muestras. No se tienen que secar con un trapo, porque se podrían cargar electrostáticamente. Luego se deben colocar suavemente sobre un papel, sin pelusa, para quitar el exceso de agua.

1.4.

CALIBRADO. Como los electrodos de vidrio de pH mesuran la concentración de H+ relativa a sus referencias, tienen que ser calibrados periódicamente para asegurar la precisión. Por eso se utilizan buffers de calibraje (disoluciones reguladoras de pH conocido).


1.5.

93

PRECAUCIONES. El electrodo debe mantenerse humedecido siempre. Se recomienda que se guarde en una solución de 4M KCl; o en un buffer de solución de pH 4 o 7. No se debe guardar el electrodo en agua destilada, porque eso causaría que los iones resbalaran por el bulbo de vidrio y el electrodo se volvería inútil.

94

2.

SENSOR DE CONDUCTIVIDAD 2.1.

DEFINICION. Se puede utilizar para medir la conductividad en una solución o la concentración total de iones en muestras acuosas. El sensor de conductividad nos permite determinar el rango en el cual una especie iónica se difunde a través de una solución.

2.2.

FUNCIONAMIENTO. mide la capacidad de una solución de conducir una corriente eléctrica entre dos electrodos. En la solución, la corriente fluye por el transporte del ion. Por lo tanto, una gran concentración de iones en la solución dará lugar a valores más altos de conductividad. El sensor de conductividad está midiendo realmente la conductancia, definida como el recíproco de la resistencia. Cuando la resistencia se mide en ohms, la conductancia se mide utilizando la unidad SI, Siemens (formalmente conocida como mho). Puesto que los Siemens es una unidad muy grande, las muestras acuosas son medidas comúnmente en microsiemens.

2.3.

APLICACIÓN. Una de las aplicaciones más comunes del sensor de conductividad es encontrar la concentración de sólidos disueltos totales, o T.D.S., en una muestra de agua. Esto puede ser logrado porque se genera una relación entre conductividad y concentración iónica en una solución, como aquí se muestra. La relación persiste hasta que se alcanzan concentraciones iónicas muy grandes. El sensor de conductividad tiene tres configuraciones del rango de sensibilidad: - 0 a 200 uS (0 a 100 mg/L T.D.S.) - 0 a 2000 uS (0 a 1000 mg/L T.D.S.) - 0 a 20,000 uS (0 a 10,000 mg/L T.D.S.)


95

Resumen

 El pH es una medida del grado de acidez o alcalinidad que tiene el agua con algunos compuestos químicos disueltos. La expresión de esta magnitud física esta dada por:

 El pHmetro es un sensor que utiliza el método electroquímico para medir el pH de una disolución. La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio, que separa dos soluciones con diferente concentración de protones.  El sensor de conductividad nos permite determinar el rango en el cual una especie iónica se difunde a través de una solución.  Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org Pagina Web. http://www.fisicanet.com.ar/quimica/industrial/ap02_sensores.php

96


3 semana

11 SENSORES ÓPTICOS Y QUÍMICOS LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE 

Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los sensores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de los instrumentos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada sensor, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de estos.

TEMARIO 1. Sensores de Gas 2. Tratamiento de la Señal

ACTIVIDADES PROPUESTAS  Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta consideraciones para la toma de decisiones del tipo de sensor a utilizar.


1.

97

SENSOR DE GAS MONOXIDO DE CARBONO 1.1

Características del sensor Alta sensibilidad y buena selectividad a concentraciones bajas de Monóxido de carbono. Vida de uso prolongado con una estabilidad confiable. La capa de carbón activada reduce la interferencia de gases NOx, alkanos, etc. El sensor de gas Monóxido de carbono SCM134 tiene 6 patas, 4 de ellas se usan para las señales de detección, las otras dos pertenecen al circuito de calefacción.

1.2

Condiciones de operación del sensor. En la figura 2 se muestra el circuito estándar de medición del HS-234. Como se puede ver, el circuito esta dividido en dos partes; la primera, es el circuito de calefacción, que controla el tiempo de calentamiento según se use el circuito de alto voltaje ó el de bajo voltaje. La segunda, es el circuito de la señal de salida, el cual reproduce fielmente cualquier variación de la resistencia superficial del sensor (RS). Esta última se obtiene de la caída de voltaje a través de la resistencia RL. La relación entre ambas es como sigue: Rs\RL = (Vc-VRL) / VRL

1.3

Parámetros eléctricos: Símbolo

Descripción

Valor de operación

Comentario

VC

Voltaje de alimentación

5V

VH

Voltaje de calefacción

5V

RL

Resistencia de carga

Ajustable

Ps < 25 mW

RH

Resistencia del calefactor

33Ω ± 5%

A 21 °C

PH

Consumo de potencia

Menos que 800 Mw.

TH (H)

Tiempo de calentamiento (Alta vel.)

60 ± 1 Seg..

TH (L)

Tiempo de calentamiento (Baja vel.)

90 ± 1 Seg..

PS

Consumo calorífico

Menos de 25 mW

Indistintamente corriente alterna o directa.

98

1.4

1.5

1.6

Condiciones ambientales de operación del sensor Símbolo

Descripción

Condición técnica

Tao

Temperatura de operación

De -20 °C a +50 °C

Tas

Temperatura de almacenamiento

De -20 °C a +70 °C

RH

Humedad Relativa

Menor a 95% Rh

O2

Concentración de Oxigeno

21% (a condiciones estándar) La concentración de oxigeno puede afectar la sensibilidad

Comentario

Rangos de uso recomendados

El valor mínimo esta por arriba del 2%

Características de sensibilidad Símbolo

Descripción

Parámetro

Comentario

Rs

Resistencia del sensor

2 KΩ - 20 KΩ (100 ppm monóxido de carbón)

Α (300/100 ppm)

Pendiente de la concentración

≤ 0.5

Rangos de detección: 20 – 1000 ppm de Monóxido de Carbón

Condicione s estándar de detección

Temp. 20 °C ± 2 °C, Vc. 5V ± 0.1 Humedad 65% ± 5% Vh. 5V ± 0.1

Tiempo de precalenta miento

No menos de 48 Horas

Sensibilidad relativa del sensor SCM134 a diferentes gases Gas

Con filtro de carbón activado Rs(100 ppm) / (Rs 100 ppm)

Sin filtro de carbón activado Rs(100 ppm) / (Rs 100 ppm)

Metano

No se puede medir

No se puede medir

Propano

No se puede medir

6.58

Isobutano

No se puede medir

No se puede medir

Hidrógeno

6.25

6.00

Alcohol

No se puede medir

2.56

Isopropanol

No se puede medir

3.48

MetilBenceno

No se puede medir

20.98

Acetato de etilo

No se puede medir

3.28

Benceno

No se puede medir

31.20

Heptano

No se puede medir

3.60

Dióxido de Carbón

No se puede medir

No se puede medir

Sulfuro de hidrógeno

No se puede medir

0.02


99

Curvas características para el sensor SCM134.

Efecto de la temperatura sobre la sensibilidad. 1.7

Ajuste de la sensibilidad Para diferentes concentraciones de monóxido de carbono, la resistencia del SCM134 es diferente, por lo tanto es necesario ajustar la sensibilidad de acuerdo a los siguientes pasos: 1.7.1 Conectar el sensor al circuito de medición 1.7.2 Si el sensor ha estado almacenado por un período largo, precaliente el sensor por lo menos 48 horas, esto con el fin de garantizar que el sensor este completamente estabilizado. 1.7.3 Al estar detectando la concentración del gas de prueba, ajuste la resistencia hasta obtener una salida apropiada.

100

2.

SENSOR DE GAS COMBUSTIBLE 2.1

Características del sensor Estabilidad por períodos largos de trabajo. Amplio espectro de detección.

2.2

Aplicaciones En equipo para detección de fugas de gas. Detección de Isobutano, propano, alcohol, hidrógeno.

2.3

Condiciones de almacenamiento y de trabajo

2.4

Símbolo VC

Descripción Voltaje de alimentación

Condición 5V

VH


5V

PL RH PH

Resistencia de carga Resistencia del calefactor Consumo de potencia

Ajustable 33Ω ± 5% Menos que 800 Mw.

Condiciones ambientales de operación Símbolo Tao Tas RH O2

2.5

Comentario Indistintamente corriente alterna o directa. Indistintamente corriente alterna o directa. A 25 °C Ps

Descripción Temperatura de operación Temperatura de almacenamiento Humedad Relativa Concentración de Oxigeno

Condición técnica De 20 °C a 50 °C De 20 °C a 70 °C Menor a 95% Rh 21% (a condiciones estándar) La concentración de oxigeno puede afectar la sensibilidad

Comentario

El valor mínimo esta por arriba del 2%

Características de sensibilidad Símbolo Rs

Descripción Resistencia del sensor

Parámetro 1 KΩ - 10 KΩ (1000 ppm isobutano)

α (3000/1000)

Velocidad de cambio en la concentración

Isobutano

Condiciones estándar de detección Tiempo de precalentamiento

Comentario También esta disponible para 3000 ppm de LPG y propano ≤ 0.6

Comentario Rangos de detección: 300 – 5000 ppm en gas LP, propano e isobutano

5000 – 20000 ppm de metano Temp. 20 °C ± 2 °C, Vc. 5V ± 0.1 Humedad 65% ± 5% Vh. 5V ± 0.1 Mayor a 24 Horas


2.6

101

Características del sensor

Variable Vibración

Condiciones Puede someterse a vibración de 100 cps hasta por una hora Con una aceleración de hasta 100G y 5 veces

Golpes

2.7

Curvas características de sensibilidad para el sensor SCM129 Las curvas se caracterizaron bajo las siguientes condiciones: Temperatura 20 °C, Humedad 65%, Concentración de Oxigeno 21%, RL= %KΩ

La figura 1 es la relación de VRL y la concentración del gas, mientras que la figura 2 es la relación de la resistencia superficial y la humedad relativa. 2.8

Componentes

Parte

Descripción

1 2 3 4 5 6

Capa sensora Electrodo de medición Electrodo de medición el la línea de encendido Calefactor Tubo cerámico Red antiexplosión

7 8 9

Anillo de sujeción Base Perno

Material SnO2 Au Pt Aleación Ni-Cr Al2O3 100 doble capa de acero inoxidable (SUS 316) Ni platinado Baquelita Ni platinado

102

2.9

Parámetros eléctricos del circuito de medición

2.10 Ajuste de la sensibilidad

El valor de la resistencia del SCM129 puede cambiar debido a la variación de los sensores de medición y a la concentración del gas. Por lo tanto cuando se cambian componentes, es necesario ajustar la sensibilidad. Sugerimos que se use gas LP en concentraciones de 300 a 3000 ppm ó isobutano en concentraciones de 300 a 1000 ppm. Pasos para el ajuste: 2.10.1 2.10.2

2.10.3

Haga circular el gas por el medidor Si el sensor ha estado almacenado por un periodo largo, precaliente el sensor por lo menos 24 horas, esto con el fin de garantizar que el sensor este completamente estabilizado. Al estar detectando la concentración del gas de prueba, ajuste la resistencia hasta obtener una salida apropiada.


3.

103

DETECTOR DE ALCOHOL – ETANOL 3.1

Características Respuesta rápida. Alta sensibilidad. Vida de uso prolongado.

3.2

Aplicaciones En equipo de detección de fugas.

3.3

Dimensiones

3.4

Condiciones de operación. Símbolo VC

Descripción

Condición técnica

Voltaje de alimentación

5V

V


5V

RL RH

Resistencia de carga

100 KΩ Ajustable

Resistencia del calefactor

33Ω ± 5%

PH

Consumo de potencia

Menos que 800 Mw.

Comentario Indistintamente corriente alterna o directa. Indistintamente corriente alterna o directa. A temperatura ambiente

104

3.5

Condiciones ambientales de operación Símbolo Tao Tas RH O2

3.6

Descripción

Condición técnica

Temperatura de operación

De -20 °C a +50 °C

Temperatura de almacenamiento Humedad Relativa

De -20 °C a +70 °C

Concentración de Oxigeno

21% (a condiciones estándar) La concentración de oxigeno puede afectar la sensibilidad

Comentario Rangos de uso recomendados

Menor a 95% Rh El valor mínimo esta por arriba del 2%

Características de sensibilidad Símbolo Rs Condiciones estándar de detección Tiempo de precalentamiento

Descripción Resistencia del sensor

Parámetro

Comentario

100 KΩ - 500 KΩ

(1000 ppm Alcohol) Temp. 20 °C ± 2 °C, Vc. 5V ± 0.1

Comentario Rangos de detección: 50 – 1000 ppm

Humedad 65% ± 5% Vh. 5V ± 0.1 Mayor a 24 Horas

RS/ RL= (RS- VRL)/ ( VRL) 3.7

Curvas características para el sensor SCM130

Figura 1: Gráfica de la relación de R0/Rs con respecto de la concentración. Las condiciones de la prueba fueron: 20°C de temperatura, 65% de Humedad Relativa, 21% de concentración de O2, RL= 100 KΩ, R0 es la resistencia medida con aire limpio

Figura 2: Gráfica de la relación entre el voltaje y la concentración.


105

Figura 3: Gráfica de la Resistencia superficial vs. La humedad ambiental. Comentario: RS es la resistencia a 20°C y 0% de Humedad Relativa.

3.8

Ajuste de la sensibilidad Sugerimos que se use alcohol en concentraciones de 100 a 300 ppm. Pasos para el ajuste: 3.8.1 Haga circular el gas por el medidor. 3.8.2 Si el sensor ha estado almacenado por un periodo largo, precaliente el sensor por lo menos 24 horas, esto con el fin de garantizar que el sensor este completamente estabilizado. 3.8.3 Al estar detectando la concentración del gas de prueba, ajuste la resistencia hasta obtener una salida apropiada.

106

Resumen

 El sensor de gas Monóxido de carbono SCM134 tiene 6 patas, 4 de ellas se usan para las señales de detección, las otras dos pertenecen al circuito de calefacción.  Para diferentes concentraciones de monóxido de carbono, la resistencia del IC SCM134 es diferente, por lo tanto es necesario ajustar la sensibilidad.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, 2. en.wikipedia.org 3. Pagina Web. http://www.fisicanet.com.ar/quimica/industrial/ap02_sensores.php


107

108


4 semana

13 ACTUADORES LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE 

Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los actuadores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de éstos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada actuador, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Contactos Electro mecánicos 2. Válvulas 3. Sistemas Neumáticos


Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta consideraciones para la toma de decisiones del tipo de actuador a utilizar.


1.

109

RELAYS 1.1.

DEFINICION. Un relé es un sistema mediante el cuál se puede controlar una potencia mucho mayor, con un consumo en potencia muy reducido.

1.2.

ESTRUCTURA. En general, podemos distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques: 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3.

1.3.

CARACTERÍSTICAS GENERALES. Las características generales de cualquier relé son: 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.3.4.

1.4.

Circuito de entrada, control o excitación Circuito de acoplamiento Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por: 1.2.3.1. circuito excitador 1.2.3.2. dispositivo conmutador de frecuencia 1.2.3.3. protecciones

El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida Adaptación sencilla a la fuente de control Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por: 1.3.4.1. En estado abierto, alta impedancia 1.3.4.2. En estado cerrado, baja impedancia

TIPOS 1.4.1.

Relés de tipo armadura. Son los más antiguos y también los más utilizados. El esquema siguiente nos explica prácticamente su constitución y funcionamiento. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o cerrado).

110

1.4.2.

Relés de Núcleo Móvil. Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes).

1.4.3.

Relé tipo Reed o de Lengüeta. Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior están situados los contactos (pueden ser múltiples) montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina, que está situada alrededor de dicha ampolla.

1.4.4.

Relés Polarizados. Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito (ó varios).


1.5

111

SIMBOLOGÍA

Relé con bobina y contacto

Relé con bobina y contacto

Mando electromagnético

Mando electromagnético

Relé ( bobina )

Relé con doble bobinado

Relé rápido *

Relé rápido

Relé de desactivación rápida

Relé de desactivación lenta

Relé lento a la excitación

Relé polarizado magnéticamente

Relé de corriente alterna

Relé de apoyo

Relé para desenganche por corriente máxima

Relé de láminas - Reed

Relé para desenganche por tensión defectuosa

Electroimán

112

2.

VALVULAS. 2.1.

DEFINICIÓN. Estos dispositivos tienen como finalidad controlar, restringir, modular, etc. el flujo de un determinado proceso. Los fluidos puede ser agua, gases y/o vapores. Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:   

Distribuir el fluido Regular caudal Regular presión

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica, o almacenado en un depósito. En lenguaje internacional, el término "válvula" o "distribuidor" es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc. Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oiéohydrauliques et Pneumatiques). 2.2.

Tipos de Válvulas. Según su función, las válvulas se subdividen en 5 grupos: 2.2.1. Válvulas de vías o distribuidoras 2.2.2. Válvulas de bloqueo 2.2.3. Válvulas de presión 2.2.4. Válvulas de caudal 2.2.5. Válvulas de cierre 2.2.1. Válvulas distribuidoras. Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro (Start-Stop).Son válvulas de varios orificios (vías) los cuales determinan el camino que debe seguir el fluido bajo presión para efectuar operaciones tales como puesta en marcha, paro, dirección, etc. Pueden ser de dos, tres, cuatro y cinco vías correspondientes a las zonas de trabajo y, la aplicación de cada una de ellas, estará en función de las operaciones a realizar. 2.2.1.1. Representación esquemática de las válvulas. Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula;


113

solamente indican su función. Hay que distinguir, principalmente: 1. Las vías, número de orificios correspondientes a la parte de trabajo. 2. Las posiciones, las que puede adoptar el distribuidor para dirigir el flujo por una u otra vía, según necesidades de trabajo. Las posiciones de representan por

las válvulas distribuidoras se medio de cuadrados.

La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.

El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).

Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido.

Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales.

Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla, que esquematizan la posición de reposo o inicial.

114

La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan.

Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c... y 0.

Válvula de 3 posiciones. Posición intermedia = Posición de reposo.

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición, por ejemplo, un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada. La posición inicial es la que tienen las piezas móviles de la válvula después del montaje de ésta, establecimiento de la presión y, en caso dado conexión de la tensión eléctrica. Es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido. Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera). Triángulo directamente junto al símbolo.

Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo.

Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas:


115

Rige lo siguiente: Tuberías o conductos de trabajo A, B, C........................ Empalme de energía P................................... Salida de escape R, S, T .......................... Tuberías o conductos de pilotaje Z, Y, X ........................... 2.2.2. Válvulas de bloqueo. Son elementos que bloquean el paso M caudal preferentemente en un sentido y lo permiten únicamente en el otro sentido. La presión de¡ lado de salida actúa sobre la pieza obturadora y apoya el efecto de cierre hermético de la válvula. 2.2.2.1. Válvula anti retorno. Las válvulas anti retorno impiden el paso absolutamente en un sentido; el contrario, donde el aire circula con una pérdida de presión mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una bola, un disco o una membrana. Símbolo:

Válvula anti retorno, que cierra por el efecto de una fuerza que actúa sobre la parte a bloquear. Válvula anti retorno con cierre por contrapresión, por ejemplo, por muelle. Cierra cuando la presión de salida es mayor o igual que la de entrada.

Válvula anti retorno 2.2.2.2. Válvula selectora de circuito. También se llama válvula anti retorno de doble mando o anti retorno doble. Esta válvula tiene dos entradas X e Y, y una salida A. Cuando el aire comprimido entra por la entrada X, la bola obtura la entrada Y, y el aire circula de X a A. Inversamente, el aire pasa de Y a A, cuando la entrada X está cerrada. Cuando el aire regresa, es decir,

116

cuando se desairea un cilindro o una válvula, la bola, por la relación de presiones, permanece en la posición en que se encuentra momentáneamente.

Válvula selectora de circuito Esta válvula se denomina también «elemento 0 (OR)»; aísla las señales emitidas por válvulas de señalización desde diversos lugares e impide que el aire escape por una segunda válvula de señalización. Si se desea mandar un cilindro o una válvula de mando desde dos o más puntos, será necesario montar esta válvula.

2.2.2.3. Válvula anti retorno y de estrangulación. También se conoce por el nombre de regulador de velocidad o regulador unidireccional. Estrangula el caudal de aire en un solo sentido. Una válvula anti retorno cierra el paso de¡ aire en un sentido, y el aire puede circular sólo por la sección ajustada. En el sentido contrario, el aire circula libremente a través de la válvula anti retorno abierta. Estas válvulas se utilizan para regular la velocidad de cilindros neumáticos. Para los cilindros de doble efecto, hay por principio dos tipos de estrangulación. Las válvulas anti retorno y de estrangulación deben montarse lo más cerca posible de los cilindros.


117

Regulador unidireccional 2.2.2.4. Válvula de simultaneidad. Esta válvula tiene dos entradas X e Y, y una salida A. El aire comprimido puede pasar únicamente cuando hay presión en ambas entradas. Una señal de entrada en X ó Y interrumpo el caudal, en razón M desequilibrio de las fuerza que actúan sobre la pieza móvil. Cuando las señales están desplazadas cronológicamente, la última es la que llega a la salida A. Si las señales de entrada son de una presión distinta, la mayor cierra la válvula y la menor se dirige hacia la salida A. Esta válvula se denomina también »módulo Y (AND)». Se utiliza principalmente en mandos de enclavamiento, funciones de control y operaciones lógicas.

118

2.2.3. Reguladores de presión. La operación segura y eficiente de los sistemas de potencia fluidos, de los componentes de sistema, y del equipo relacionado requiere medios para controlar la presión. Hay muchos tipos de válvulas de control automáticas de presión. Algunas de ellas proporcionan simplemente un escape para la presión que excede un ajuste de presión del sistema; algunos reducen solamente la presión a un sistema o subsistema de menor presión; y algunos mantienen la presión un sistema dentro de una gama requerida. Estas válvulas Influyen principalmente sobre la presión, o están acondicionadas al valor que tome ésta. Se distinguen: - Válvulas de regulación de presión - Válvulas de limitación de presión 2.2.3.1. Válvula de regulación de presión (Válvulas manorreductoras). Las válvulas manorreductoras proporcionan una presión constante en un sistema que funcione a una presión más baja que el sistema de suministro. Una válvula de reducción puede normalmente ser ajustada para cualquier presión reducida deseada dentro de los límites del diseño de la válvula. Una vez que se ajusta la válvula, la presión reducida será mantenida sin importar los cambios en el suministro de presión (en tanto la presión de la fuente sea por lo menos tan alta como la presión reducida deseada) y sin importar la carga de sistema, previendo que ésta no exceda la capacidad de diseño del reductor. Hay varios diseños y tipos de válvulas manorreductoras. El reductor por resorte y la válvula controlada por piloto se discuten en este texto.

Válvula manorreductora 2.2.3.2.

Válvula manorreductora controlada por piloto. La figura adjunta ilustra la operación de una válvula manorreductora controlada por piloto. Esta válvula


119

consiste en una válvula piloto ajustable, que controla la presión de funcionamiento de la válvula, y una válvula carrete, que reacciona a la acción de la válvula piloto. La válvula piloto consiste en una válvula de husillo vertical ( tipo "poppet") (1), un resorte (2), y un tornillo de reglaje (3). El montaje del carrete de la válvula consiste en un carrete de válvula (10) y un resorte (4). El líquido bajo presión principal entra en el puerto de entrada (11) y bajo todas las condiciones es libre de atravesar la válvula y el puerto de salida (5). (Tanto el puerto 5 como el puerto 11 pueden ser usados quizá como el puerto de alta presión.)

Válvula manorreductora controlada por piloto. 1. Válvula de husillo vertical ( tipo “poppet”) 2. Resorte de válvula piloto 3. Tornillo de ajuste 4. Resorte de válvula carretel 5. Puerto de salida de alta presión 6. Puerto de salida de presión reducida 7. Abertura 8. Pasaje de fluido 9. Pasaje de fluido 10. Carretel de válvula 11. Puerto de entrada de alta presión 12. Cámara de fluido 13. Pasaje de fluido 14. Cámara de fluido 15. Drenaje 2.2.3.3. Válvula limitadora de presión (también válvula de alivio, sobrepresión o de seguridad). Algunos sistemas de potencia fluidos, incluso cuando funcionan normalmente, pueden desarrollar temporalmente una presión excesiva; por ejemplo, cuando se encuentra una resistencia de trabajo inusualmente elevada. Estas válvulas se utilizan, sobre todo, como válvulas de seguridad (válvulas de sobrepresión). No admiten que la presión en el sistema sobrepase un valor máximo admisible. Al alcanzar en la entrada de la válvula el

120

valor máximo de presión, se abre la salida y el aire sale a la atmósfera. La válvula permanece abierta, hasta que el muelle incorporado, una vez alcanzada la presión ajustada en función de la característica del muelle, cierra el paso. Estas válvulas se utilizan para controlar esta superpresión. Las válvulas de alivio son válvulas automáticas usadas en las líneas del sistema y el equipo para prevenir un exceso de presurización. La mayoría de las válvulas de alivio simplemente levantan (abren) a una presión ajustada y retornan a su posición (cerrada) cuando la presión cae levemente debajo de la presión de elevación. No mantienen flujo o presión en una cantidad dada, si no que evitan que la presión se eleve sobre un nivel específico cuando el sistema se sobrecarga temporalmente.

2.2.4. Válvulas de caudal. Estas válvulas influyen sobre la cantidad de circulación de aire comprimido; el caudal se regula en ambos sentidos de flujo.


121

Válvula de estrangulación. En esta válvula, la longitud del tramo de estrangulación es de tamaño superior al diámetro.

Válvula de restricción de turbulencia. En esta válvula la longitud del tramo de estrangulación es de tamaño inferior al diámetro.

Válvulas reguladoras de caudal, de estrangulación variable: Válvula de estrangulación regulable

Válvula de estrangulación de accionamiento mecánico, actuando contra la fuerza de un muelle. Resulta más conveniente incorporar las válvulas de estrangulación al cilindro.

2.2.5. Válvulas de cierre. Son elementos que abren o cierran el paso del caudal, sin escalones. Utilización sencilla: Grifo de cierre

122

3.

SISTEMAS NEUMÁTICOS. 3.1.

DEFINICIÓN. Un sistema de potencia fluida es el que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado. En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se reduce en volumen por compresión, aumentando así su presión. El aire comprimido se utiliza principalmente para trabajar actuando sobre un émbolo o paleta. Aunque esta energía se puede utilizar en muchas facetas de la industria es el campo de la neumática industrial el que nos ocupa. La utilización correcta del control neumático requiere un conocimiento adecuado de los componentes neumáticos y de su función para asegurar su integración en un sistema de trabajo eficiente.

3.2.

APLICACIONES. Las aplicaciones del aire comprimido no tiene límites: desde la utilización, por parte del óptico, de aire a baja presión para comprobar la presión del filtro en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en máquinas con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y taladros neumáticos que rompen el hormigón. La breve lista y los diagramas indicados más abajo sirven solamente para indicar la versatilidad y variedad del control neumático en funcionamiento en una industria en continua expansión.                  

Accionamiento de válvulas de sistema para aire, agua o productos químicos. Accionamiento de puertas pesadas o calientes. Descarga de depósitos en la construcción, fabricación de acero, minería e industrias químicas. Apisonamiento en la colocación de hormigón. Elevación y movimiento en máquinas de moldeo. Pulverización de la cosecha y accionamiento de otros equipos del tractor. Pintura por pulverización. Sujeción y movimiento en el trabajo de la madera y la fabricación de muebles. Montaje de planillas y fijaciones en la maquina de ensamblado y máquinas herramientas. Sujeción para encolar, pegar en caliente o soldar plásticos. Sujeción para soldador fuerte y normal. Operación de conformado para curvado, trazado y alisado. Máquinas de soldadura fuerte y normal. Ribeteado. Accionamiento de cuchillas de guillotina. Máquinas de embotellado y envasado. Accionamiento y alimentación de maquinaria para trabajar la madera. Plantillas de ensayo.


      

3.3.

123

Máquinas herramientas, mecanizado o alimentación herramientas. Transportadores de componentes y materiales. Robots neumáticos. Calibrado automático. Extracción del aire y elevación por vacío de placas finas. Tornos de dentista. y mucho más...

de

PARTES DE UN SISTEMA NEUMATICO Un sistema neumático básico, ilustrado en la figura, se compone de dos secciones principales: 3.3.1. 3.3.2.

El sistema de producción El sistema de consumo de aire

El Sistema Neumático Básico

3.3.1. SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AIRE Las partes componentes y sus funciones principales son: 3.3.1.1.

Compresor. El aire tomado a presión atmosférica se comprime y entrega a presión más elevada al sistema neumático. Se transforma así la energía mecánica en energía neumática.

3.3.1.2.

Motor eléctrico. Suministra la energía mecánica al compresor, transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

3.3.1.3.

Presostato. Controla el motor eléctrico detectando la presión en el depósito. Se regula a la presión máxima a la que desconecta el motor y a la presión mínima a la que vuelve a arrancar el motor.

124

3.3.1.4.

Válvula anti-retorno. Deja el aire comprimido del compresor al depósito e impide su retorno cuando el compresor está parado.

3.3.1.5.

Tanque. Almacena el aire comprimido. Su tamaño está definido por la capacidad del compresor. Cuanto más grande sea su volumen, más largos son los intervalos entre los funcionamientos del compresor.

3.3.1.6.

Manómetro. Indica la presión del depósito.

3.3.1.7.

Purga automática. Purga toda el agua que se condensa en el depósito sin necesidad de supervisión.

3.3.1.8.

Válvula de seguridad. Expulsa el aire comprimido si la presión en el depósito sube encima de la presión permitida.

3.3.1.9.

Secador de aire refrigerado. Enfría el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de congelación y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema.

3.3.1.10. Filtro de línea. Al encontrarse en la tubería principal, este filtro debe tener una caída de presión mínima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspensión. Sirve para mantener la línea libre de polvo, agua y aceite. 3.3.2. SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE Consta de las siguientes partes: 3.3.2.1.

Purga del aire. Para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática eliminando así el condensado.

3.3.2.2.

Purga automática. Cada tubo descendiente debe de tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática pie, que impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual.

3.3.2.3.

Unidad de acondicionamiento del aire. Acondiciona el aire comprimido para suministrar aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los componentes del sistema neumático que necesitan lubricación.


3.4.

125

3.3.2.4.

Válvula direccional. Proporciona presión y pone a escape alternativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la dirección del movimiento.

3.3.2.5.

Actuador. Transforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. En la figura se ilustra un cilindro lineal, pero puede ser también un actuador de giro o una herramienta neumática, etc.

3.3.2.6.

Controladores de velocidad. Permiten una regulación fácil y continua de la velocidad de movimiento del actuador.

TEORÍA DEL AIRE COMPRIMIDO Para la aplicación práctica de los accesorios neumáticos, es necesario estudiar las leyes naturales relacionadas con el comportamiento del aire como gas comprimido y las medidas físicas que se utilizan normalmente. El sistema Internacional de unidades está aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EE.UU., el Reino Unido y Japón siguen utilizando en gran medida el Sistema legal de pesas y medidas. Símbolo

Magnitud

Unidad SI

Nombre

1. UNIDADES BÁSICAS Masa

m

kg.

kilogramo

Longitud

s

m

metro

Tiempo

t

s

segundo

Temperatura Absoluta

T

2 °K

Grado Kelvin

Temperatura (Celsius)

t,0

2 °C

Grado Celsius O °C = 273.16 °K

2. UNIDADES COMPUESTAS Radio

r

Ángulo

, β, τ, δ, ε, ω

Área, Sección

m

metro

1

radian (m/m)

A.S

m2

metro cuadrado

V

m3

metro cúbico

Velocidad

v

m s-1

Velocidad angular

W

s-1

Aceleración

a

m s-2

Inercia

J

m2 kg.

Fuerza

F

N

Newton

Peso

G

N

Aceleración de la gravedad

Trabajo

W

J

Joule = metro Newton

Energía

E.W

J

Joule

Energía cinética

E.W

J

Joule

Momento de torsión

M

J

Joule

Potencia

P

W

Watt

Volumen

metro por segundo radianes por segundo metro por segundo por segundo

3. RELACIONADAS CON EL AIRE COMPRIMIDO Presión Volumen estándar

P

Pa

Vn

m3 n

Pascal metro cúbico estándar

126

Gasto volumétrico Energía, trabajo Potencia

3.5.

metros Segundo

Q

m3 n s-1

E:W

N•m

Joule

P

W

watio

cúbicos

estándar

PRESIÓN Y CAUDAL La relación más importante para los componentes neumáticos es la que existe entre presión y caudal. Si no existe circulación de aire, la presión en todos los puntos del sistema será la misma, pero si existe circulación desde un punto hasta otro, esto querrá decir que la presión en el primer punto es mayor que en el segundo punto, es decir, existe una diferencia de presión. Esta diferencia depende de tres factores:   

La presión inicial El caudal de aire que circula La resistencia al flujo existente entre ambas zonas

La resistencia a la circulación de aire es un concepto que no tiene unidades propias (como el ohmio en electricidad) si no que en neumática se usa el concepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad o la aptitud de un elemento para que el aire circule a través de él. 3.6.

COMPRESIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE 3.6.1. COMPRESORES. Un compresor convierte la energía mecánica de un motor eléctrico o de combustión en energía potencial de aire comprimido. Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales: alternativos y rotativos. Los tipos principales de compresores incluidos en estas categorías se indican en la figura.

Tipos principales de compresores utilizados en los sistemas neumáticos 3.6.1.1. COMPRESORES ALTERNATIVOS. Compresor de émbolo de una etapa. El aire recogido a presión atmosférica se comprime a la presión deseada con una sola compresión.


127

El movimiento hacia abajo del émbolo aumenta el volumen para crear una presión más baja que la de la atmósfera, lo que hace entrar el aire en el cilindro por la válvula de entrada. Al final de la carrera, el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de entrada se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la válvula de salida a abrirse para descargar el aire en el depósito de recogida. Este tipo de compresor se utiliza generalmente en sistemas que requieran aire en la gama de 3-7 bares.

Compresor de émbolo de una sola etapa 3.6.1.2.

Compresor de émbolo de dos etapas. En un compresor de una sola compresión, cuando se comprime el aire por encima de 6 bares, el calor excesivo que se crea reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de émbolo utilizados en los sistemas industriales de aire comprimido son generalmente de dos etapas.

Compresor de émbolo de dos etapas El aire recogido a presión atmosférica se comprime en dos etapas hasta la presión final.

128

Si la presión final es de 7 bares, la primera compresión normalmente comprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda compresión que comprime el aire hasta 7 bares. El aire comprimido entra en el cilindro de segunda compresión a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejorando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de 120 oC. 3.6.1.3. Compresor de diafragma. Los compresores de diafragma suministran aire comprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aceite, por lo tanto se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmacéutica y similares. El diafragma proporciona un cambio en el volumen de la cámara, lo que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la compresión en la carrera hacia arriba .

Compresor de diafragma 3.6.1.4. COMPRESORES ROTATIVOS Compresor rotativo de paleta deslizante Este compresor tiene un rotor montado excéntricamente con una serie de paletas que se deslizan dentro de ranuras radiales. Al girar el rotor, la fuerza centrifuga mantiene las paletas en contacto con la pared del estator y el espacio entre las paletas adyacentes disminuye desde la entrada de aire hasta la salida, comprimiendo así el aire.


129

Compresor de paleta La lubricación y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corriente de aire cerca de la entrada. El aceite actúa también como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresión, para limitar la temperatura alrededor de 190ºC. 3.6.1.5. Compresor de tornillo. Dos motores helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, lo que comprime el aire atrapado entre los rotores. El aire lubrica y cierra herméticamente los dos tornillos rotativos. Los separadores de aceite eliminan el mismo aire de salida. Con estas máquinas se pueden obtener caudales unitarios continuos y elevados, de más de 400 m3/min a presiones superiores a 10 bares. Este tipo de compresor, más que el compresor de paletas, ofrece un suministro continuo libre de altibajos.

Principio del compresor de Tornillo El tipo industrial de compresor de aire más común sigue siendo la máquina alternativa, aunque los tipos de tornillo y paletas se están usando cada vez más.

130

3.6.2.1. Distribución del aire comprimido. Como resultado de la racionalización y automatización de los dispositivos de fabricación, las empresas precisan continuamente una mayor cantidad de aire. Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a través de una red de tuberías. El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre él depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). 3.6.2.2. Tuberías principales. Para la elección de materiales brutos, tenemos diversas posibilidades:

los

-Cobre Tubo de acero negro -Latón Tubo de acero galvanizado -Acero fino Plástico Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio módico. Las tuberías que se instalen de modo permanente se montan preferentemente con uniones soldadas. Estas tuberías así unidas son estancas y, además de precio económico. El inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen cascarillas que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden también fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar una unidad de mantenimiento. En las tuberías de acero galvanizado, los empalmes de rosca no siempre son totalmente herméticos. La resistencia a la corrosión de estas tuberías de acero no es mucho mejor que la del tubo negro. Los lugares desnudos (roscas) también se oxidan, por lo que también en este caso es importante emplear unidades de mantenimiento. Para casos especiales se montan tuberías de cobre o plástico. 3.6.2.3. Uniones. Describimos en lo sucesivo los dispositivos de uso común en neumática basándonos básicamente en los modelos Festo, para más información sobre esta marca ingresar a su página web.


131

Racor con anillo de sujeción para tubos de acero y cobre, con anillo interior especial (bicono) también para tubos de plástico.

Base de enchufe rápido

Boquilla con tuerca de racor.

Boquilla

3.7.

Reguladores de presión 3.7.1. Regulador de presión con orificio de escape. El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire. La presión primaria siempre ha de ser mayor que la secundaria. Es regulada por la membrana (1), que es sometida, por un lado, a la

132

presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable por medio de un tornillo (3). A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es regulada por el caudal que circula. Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula. La regulación de la presión de salida ajustada consiste, pues, en la apertura y cierre constantes de la válvula. Al objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de válvula (6) hay dispuesto un amortiguador neumático o de muelle (5). La presión de trabajo se visualiza en un manómetro. Cuando la presión secundaria aumenta demasiado, la membrana es empujada contra el muelle. Entonces se abre el orificio de escape en la parte central de la membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape existentes en la caja. Regulador de presión con orificio de escape.

3.8.

Lubricador de aire comprimido. El lubricador tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión. Son aparatos que regulan y controlan la mezcla de aire-aceite. Los aceites que se emplean deben ser:


133

•

Muy fluidos

•

Contener aditivos antioxidantes

•

Contener aditivos antiespumantes

•

No perjudicar los materiales de las juntas

•

Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50° C

•

No pueden emplearse aceites vegetales (Forman espuma)

Los lubricadores trabajan generalmente según el principio "Venturi". La diferencia de presión Ap (caída de presión) entre la presión reinante antes de la tobera y la presión en el lugar más estrecho de ésta se emplea para aspirar líquido (aceite) de un depósito y mezclarlo con el aire. 3.8.1. Funcionamiento de un lubricador El lubricador mostrado en este lugar trabaja según el principio Venturi.

El aire comprimido atraviesa el aceitador desde la entrada (1) hasta la salida (2). Por el estrechamiento de sección en la válvula (5), se produce una caída de presión. En el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una depresión (efecto de succión). A través del canal (6) y del tubo elevador (4) se aspiran gotas de aceite. Estas llegan, a través de la cámara de goteo (7) y del canal (8) hasta el aire comprimido, que afluye hacia la salida (2). Las gotas de aceite son pulverizadas por el aire comprimido y llegan en este estado hasta el consumidor. La sección de flujo varía según la cantidad de aire que pasa y varía la caída de presión, o sea, varía la cantidad de aceite. En la parte superior del tubo elevador (4) se puede realizar otro ajuste de la cantidad de aceite, por medio de un tornillo.

134

Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que se encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).

3.9.

Unidad de mantenimiento La unidad de mantenimiento representa una combinación de los siguientes elementos: - Filtro de aire comprimido - Regulador de presión - Lubricador de aire comprimido Deben tenerse en cuenta los siguientes puntos: 



El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad, y la temperatura no deberá ser tampoco superior a 50°C (valores máximos para recipiente de plástico).


135

Unidad de mantenimiento

Símbolo de la unidad de mantenimiento 3.9.

Elementos neumáticos de trabajo. Lo energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro. 3.9.1. Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo. A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable. 3.9.1.1. Cilindros de simple efecto. Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

136

3.9.1.2. Cilindro de émbolo. La estanqueidad se logra con un material flexible (perbunano), que recubre el pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro. En la segunda ejecución, aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial. Aplicación: frenos de camiones y trenes. Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

3.9.1.3. Cilindros de doble efecto. La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno. Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

Cilindro de doble efecto.


137

3.9.1.4. Ejecuciones especiales de cilindros Cilindros de vástago reforzado

Juntas de émbolo, para presiones elevadas

Cilindros de juntas resistentes a altas temperaturas

Camisa de cilindro, de latón

Superficies de deslizamiento, de cromo

Vástago de acero anticorrosivo

Cuerpo recubierto de plástico y vástago de acero anticorrosivo

138

Resumen

 Un relé es un sistema mediante el cuál se puede controlar una potencia mucho mayor, con un consumo en potencia muy reducido.  Las válvulas son actuadores que tienen como finalidad controlar, restringir, modular, etc. el flujo de un determinado proceso. Los fluidos puede ser agua, gases y/o vapores.  Un sistema Neumático es el que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado. En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se reduce en volumen por compresión, aumentando así su presión.  Las aplicaciones del aire comprimido no tiene límites: desde la utilización de aire a baja presión para comprobar la presión del filtro en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en máquinas con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y taladros neumáticos que rompen el hormigón.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3. 4.

5. 6.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, en.wikipedia.org Pagina Web. http://www.uv.es/marinjl/electro/reles.html Pagina Web. http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/Usrn/fisica/Recursos/flash2/r ele.swf Pagina Web. http://www.exatecno.net/ampliacion/rele/rele.swf Pagina Web. http://www.techniforum.com/central_neuma_01.htm


139

140


4 semana

14 ACTUADORES LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE 

Al final de la unidad, los alumnos comprenderán la clasificación de los actuadores e interpretarán rigurosamente las especificaciones de éstos. Identificarán y explicarán el principio de funcionamiento de cada actuador, reconociendo la importancia de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

TEMARIO 1. Sistemas Hidráulicos 2. Sistemas de Refrigeración 3. Sistemas de Calefacción


Los alumnos reconocerán los sensores en forma física y tendrán en cuenta consideraciones para la toma de decisiones del tipo de actuador a utilizar.


1.

141

SISTEMAS HIDRÁULICOS. 1.1.

DEFINICION. La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydor" que significa "agua", cubrió originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan éstos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite.

1.2.

APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA. Las aplicaciones de la oleohidráulica son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad. Se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas herramientas y mecanismos. Por ejemplo, la pala de una niveladora es accionada normalmente por energía hidráulica. Los elevadores en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa. En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros: • • • • • • • •

1.3.

Maquinaria para la industria plástica Máquinas herramientas Maquinaria para la elaboración de alimentos Equipamiento para robótica y manipulación automatizada Equipo para montaje industrial Maquinaria para la minería Maquinaria para la industria siderúrgica Etc.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA HIDRAULICA Y NEUMATICA. Los sistemas de transmisión de energía oleohidráulicos y neumáticos son una garantía de seguridad, calidad y fiabilidad a la vez que reducen costos. La flexibilidad extrema de los elementos de potencia fluida presenta un número de problemas a tener en cuenta. Puesto que los fluidos no tienen ninguna forma propia, éstos deben ser confinados seguramente a lo largo de todo el sistema. Consideraciones especiales se deben dar a la integridad estructural de las partes de un sistema de potencia fluido. El sistema deberá estar compuesto por cañerías y envases resistentes. Las pérdidas deberán ser evitadas. Esto es un problema grave con la alta presión obtenida en muchas instalaciones de potencia fluida. La operación del sistema implica el movimiento constante del líquido dentro de las líneas y de los componentes. Este movimiento causa fricción dentro del líquido mismo y contra las superficies que lo contienen que, si son excesivas, pueden llevar a las pérdidas serias en eficiencia. No se debe permitir que materiales extraños se acumulen en

142

el sistema, donde éstos pueden taponar los pequeños pasos o trabar piezas con ensamble muy preciso. La acción química puede causar la corrosión. Cualquier persona que trabaje con sistemas de potencia fluida debe saber cómo funcionan dichos sistemas y sus componentes, tanto en términos de principios generales comunes a todos los mecanismos físicos, así como las particularidades del dispositivo actual en uso. La Fiabilidad y la Precisión son necesarias en una amplia gama de aplicaciones industriales en las que los usuarios exigen cada vez más una mayor calidad. Los sistemas oleohidráulicos y neumáticos utilizados en la manipulación, sistemas de fijación y robots de soldadura aseguran un rendimiento y una productividad elevadas, por ejemplo, en la fabricación de automóviles. 1.4.

VENTAJAS DE LA OLEOHIDRÁULICA  Permite trabajar con elevados niveles de fuerza o mementos de giro  El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable  Velocidad de actuación fácilmente controlable  Instalaciones compactas  Protección simple contra sobrecargas  Cambios rápidos de sentido  Desventajas de la Oleohidráulica  El fluido es más caro  Perdidas de carga  Personal especializado para la mantención  Fluido muy sensible a la contaminación

1.5.

OPERACIÓN DE COMPONENTES HIDRÁULICOS. Para transmitir y controlar potencia a través de los líquidos a presión, se requiere un conjunto de componentes interconectados. Se refiere comúnmente al conjunto como sistema. El número y el conjunto de componentes varían de sistema a sistema, dependiendo del uso particular. En muchas aplicaciones, un sistema principal de potencia alimenta a varios subsistemas, que se refieren a veces como circuitos. El sistema completo puede ser una pequeña unidad compacta; más a menudo, sin embargo, los componentes se ubican en puntos extensamente separados para un conveniente control y operación del sistema. Los componentes básicos de un sistema de potencia fluida son esencialmente iguales, sin importar si el sistema utiliza un medio hidráulico o neumático. Hay cinco componentes básicos usados en un sistema hidráulico. Estos componentes básicos son: 1.5.1. 1.5.2. 1.5.3. 1.5.4. 1.5.5.

Depósito o receptor Bomba o compresor Líneas (cañerías, tubería, o manguera flexible) Válvula de control direccional Dispositivo de impulsión


143

1.5.1. Tanques y Depósitos. La función natural de un tanque hidráulico es contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico. Los tanques hidráulicos consisten de cuatro paredes (normalmente de acero), un fondo con desnivel, una tapa plana con una placa para montaje, cuatro patas, líneas de succión, retorno y drenaje; tapón de drenaje, indicador de nivel de aceite; tapón para llenado y respiración; una cubierta de registro para limpieza y un tabique separador o placa deflectora.

Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de retorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de suciedad, que el aire alcance en la superficie del fluido y da oportunidad de que el calor se disipe hacia las paredes del tanque. La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto al de la línea de succión.

La posición de los bafles dentro del tanque es muy importante. En primer lugar, se debe establecer la separación entre la línea de succión y la descarga de retorno.

Tener un tanque muy grande a veces puede ser una desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en condiciones de bajas temperaturas.

144

1.5.2. BOMBAS. Una bomba hidráulica es un dispositivo tal, que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través de un líquido cuyas moléculas estén sometidas precisamente a esa presión. Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica. El proceso de transformación de energía se efectúa en dos etapas: aspiración y descarga. 1.5.2.1. Aspiración. Al comunicarse energía mecánica a la bomba, ésta comienza a girar y con esto se genera una disminución de la presión en la entrada de la bomba, como el depósito de aceite se encuentra sometido a presión atmosférica, se genera entonces una diferencia de presiones lo que provoca la succión y con ello el impulso del aceite hacia la entrada de la bomba. 1.5.2.2. Descarga. Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por la forma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrará más alternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra el espacio disponible, consiguiéndose así la descarga. 1.5.2.3. Clasificación de las Bombas

El resto de los componentes como líneas y válvulas tienen las mismas características que en los sistemas neumáticos, la diferencia radica que el fluido cambia, con lo cual estos componentes soportan mayores presiones y temperaturas de trabajo.


2.

145

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN. 2.1.

DEFINICIÓN. La temperatura es un factor importante en el mantenimiento de la calidad de los alimentos, así como del confort de personas y animales. En este tema nos referiremos a la conservación de alimentos en cámaras de refrigeración. En un principio se lograban estas bajas temperaturas mediante el uso del hielo. Con el crecimiento de la industria eléctrica, los refrigeradores domésticos se desarrollaron sustituyendo las cajas de hielo, que requerían un bloque de hielo diariamente.

2.2.

REFRIGERACIÓN. Producción o mantenimiento en un medio de una temperatura inferior a la temperatura ambiente.

2.3.

APLICACIONES La refrigeración puede utilizarse para tres fines, principalmente: 2.3.1. Refrigeración para CONSERVACIÓN 2.3.2. Refrigeración para CONGELACIÓN 2.3.3. Refrigeración para CLIMATIZACIÓN Las dos primeras se aplican generalmente a alimentos, mientras que la última se refiere a la refrigeración de locales o vehículos para animales, personas o plantas. Además de las aplicaciones más conocidas, tales como el acondicionamiento de aire para comodidad, así como el proceso de congelación, almacenamiento, transporte y exhibición de productos, se usa actualmente también en el proceso de manufacturas de casi todos los artículos que se encuentran en el mercado.

Por conveniencia en el estudio, las aplicaciones de refrigeración se pueden agrupar en las siguientes categorías: 2.4.

REFRIGERACIÓN DOMÉSTICA. Tiene un campo de aplicación relativamente limitada y trata principalmente de refrigeradores y congeladores domésticos. Sin embargo, debido a la cantidad de unidades en servicio, la refrigeración doméstica representa una porción muy significativa de la industria de la refrigeración. Las unidades domésticas son generalmente de tamaño pequeño, con potencias entre 40 W y 400 W.

2.5.

REFRIGERACIÓN COMERCIAL. Trata del diseño, instalación y mantenimiento de aparatos de refrigeración del tipo usado por almacenes y tiendas, restaurantes, hoteles e instituciones, para el almacenaje, exhibición, procesado y expedición de artículos de todos los tipos que estén sujetos a deterioro.

2.6.

REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL. Se confunde frecuentemente con la refrigeración comercial ya que la división de las dos áreas no se ha definido claramente. Por regla general, las aplicaciones industriales son de mayor tamaño y tienen la característica de requerir un operario para su atención. Entre las aplicaciones industriales típicas se encuentran: plantas de hielo, plantas empacadoras de alimentos (carne, pescado, aves, alimentos congelados, etc.), cervecerías, cremerías y plantas industriales tales como: refinerías de aceite, plantas químicas, plantas de hule, etc.

146

2.7.

REFRIGERACIÓN MARINA Y DE TRANSPORTE: Las aplicaciones que caen dentro de esta categoría, se pueden clasificar particularmente bajo refrigeración comercial e industrial. Sin embargo ambas áreas han crecido lo suficientemente para requerir mención especial. La refrigeración marina se refiere a refrigeración a bordo de barcos e incluye por ejemplo, refrigeración para botes de pesca y embarcaciones de transporte y de cargamento sujeto a deterioro, así como refrigeración de los almacenes del barco, en toda clase de embarcaciones. La refrigeración de transporte se refiere a los equipos aplicados a transportes de cargas y pasajeros.

2.8.

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS. La conservación de artículos sujetos a deterioro, particularmente alimentos, es una de las aplicaciones más comunes de la refrigeración. La conservación de alimentos es más importante en la historia del hombre. Las poblaciones urbanas requieren grandes cantidades de alimentos que, en su mayor parte deben ser producidas y procesadas en áreas distintas. Por ejemplo, las frutas y legumbres que solamente se producen en ciertas estaciones del año deben almacenarse y conservarse para poder ser consumidas durante todo el año.

2.9.

MÉTODOS DE REFRIGERACIÓN


2.10.

147

REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECÁNICA. En la actualidad el frío se produce principalmente mediante sistemas de refrigeración por compresión mecánica, de forma que el calor se transmite desde la cámara de refrigeración hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente. La transferencia de calor se realiza mediante un fluido “refrigerante” que cambia de estado, de líquido a vapor, a una temperatura de ebullición muy baja y con una entalpía o calor latente de vaporización alto. Una vez que el refrigerante está en estado de vapor se comprime mecánicamente (aumentando su presión) de forma que vuelve al estado líquido y vuelve a utilizarse cíclicamente. 2.10.1. Refrigerantes. Existe una amplia gama de refrigerantes comerciales que pueden utilizarse en los sistemas de compresión de vapor. La elección de uno de ellos dependerá de sus características, de las temperaturas de trabajo previstas, de su posible influencia en el medio ambiente, etc. En cualquier caso, será necesario conocer sus propiedades termodinámicas y habrá que disponer de tablas o diagramas similares a los utilizados en el caso del agua. Algunos de éstos refrigerantes son el Freón, el Amoníaco y los clorofluorocarbonos (CFC), actualmente sustituidos por los hidrofluorocarbonos (HFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC), y se denominan como R-12, R-717, etc. En este tema, sin embargo, no entraremos en el estudio de los refrigerantes ni de los sistemas de refrigeración.

2.11.

REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN. Otro método que se está implantando es el de refrigeración por absorción. Se trata, en realidad, de un proceso bien conocido. De hecho la primera máquina de refrigeración, patentada en 1834 por J. Perkins, consistía en una máquina de absorción que utilizaba éter. La idea básica de la refrigeración por absorción consiste en sustituir la compresión mecánica del vapor por una absorción de éste en una disolución. Una de las ventajas de éste método es que el coste energético es mucho menor. Para liberar el vapor de la disolución comprimida debe suministrarse calor. Esto hace posible el que, por ejemplo, se utilice la energía solar

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como energía primaria (se consigue ENFRIAR a partir del CALOR del Sol). En cambio, el rendimiento es inferior al conseguido mediante el método de compresión. Desde el punto de vista práctico, el conjunto formado por el evaporador, el condensador y la válvula de expansión se mantiene igual que en la máquina de compresión. La única diferencia está en la sustitución del compresor por un sistema absorbedor-generador, cuyos componentes básicos se muestran en la figura. En el generador, que suele ser una columna de destilación, existe una mezcla líquida formada por un líquido absorbente y un vapor refrigerante disuelto en él. Preferiblemente dichos fluidos deben tener temperaturas de ebullición diferentes.

Cuando se suministra calor en el generador se producen vapores de ambos fluidos (destilación). Dichos vapores son adecuadamente separados. Así el vapor refrigerante, a alta presión y temperatura, pasa al condensador donde se enfría y pasa a estado líquido. Mediante una válvula se disminuye su presión, y pasa al evaporador donde se vaporiza y extrae calor del medio a refrigerar. El vapor pasa al absorbedor, donde es absorbido por una gran cantidad de líquido absorbente existente en el mismo, que procede del generador mediante una válvula que disminuye su presión. Este aporte de vapor hace que la mezcla líquido-vapor se caliente, y debe ser refrigerada mediante una corriente de agua fría. La mezcla enfriada es enviada de nuevo al generador mediante una bomba, donde vuelve a ser destilada.


3.

149

SISTEMAS DE CALEFACCION. 3.1.

DEFINICIÓN. La regulación de las condiciones ambientales dentro de una vivienda, industria o comercio, son procesos que implican sistemas de ventilación o calefacción. Un sistema de calefacción permite elevar la temperatura de determinado espacio en relación con la temperatura ambiental exterior para generar condiciones cómodas para la habitación de los seres humanos. Con este objetivo esencial de combatir el frío y permitir un grado elevado de calidad de vida se han desarrollado diversos sistemas de calefacción. Al momento de adoptar entre los diferentes sistemas de calefacción existentes es fundamental considerar ciertas variables para que los mismos resulten eficientes. La zona geográfica donde está ubicado el espacio donde se va instalar el sistema de calefacción es la primera de las condiciones que se deben atender; si se halla en una zona climática fría se debe considerar la necesidad de un sistema de calefacción de flujo constante y en lo posible, con combustible de red o que cuente con depósitos.

Componentes básicos del sistema de calefacción eléctrica. 3.2.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS. La instalación de calefacción puede resultar muy tediosa si no se tienen en cuenta diversos factores que la limitan o que pueden volver inútil al artefacto, por ejemplo cuando instalamos acumuladores eléctricos los cuales son similares a estufas debemos disponer de una buena red eléctrica que le permita al climatizador almacenar el calor durante la noche y así ahorrar energía con la tarifa nocturna; justamente allí radica la ventaja de este sistema: libera calor durante el día y lo acumula en las noches. La instalación de calefacción depende también de las dimensiones del lugar que se quiera climatizar; los acumuladores estáticos están diseñados para brindar calor a las habitaciones pequeñas con necesidades permanentes y que no requieren de un control exacto de la temperatura. Mientras que los acumuladores dinámicos son los más aconsejables para instalaciones grandes y en dependencias en donde se necesite regular la temperatura. Ambos cuentan con la ventaja de que no necesitan de un mantenimiento continuo y que pueden instalarse en cualquier parte de la vivienda, a su vez, no consumen oxígeno ni generan gases contaminantes, reduciendo los riesgos de contaminación.

3.3.

CALEFACCIÓN POR AIRE. Cuando hacemos referencia a este modo de climatización podemos hablar de dos tipologías básicas: los sistemas

150

de calefacción por aire acondicionado o los caloventores; poseen la misma función pero al mismo tiempo cuentan con varias diferencias. 3.3.3. CALOVENTORES. Podemos decir que un caloventor es un pequeño artefacto o electrodoméstico destinado a proporcionar aire caliente, ustedes rápidamente asociarán esta aplicación con la de una consola de aire acondicionado de “frío-calor”, pero aunque el trabajo que realiza es similar, no es exactamente idéntico. La fuerza de un caloventor no se mide por calorías como sí se hace con un sistema de calefacción por aire, los primeros son pequeños y generalmente están destinados a pequeñas dependencias ya que no fueron diseñados para climatizar grandes ambientes. Este artefacto funciona a base de energía eléctrica pero no es un gran consumidor de la misma, su gran ventaja radica en que luego de estar prendido por un largo período, puede apagarse y el aire caliente se mantendrá dentro de la dependencia.

3.3.4. AIRE ACONDICIONADO. Una consola de aire acondicionado no es un simple sistema de calefacción por aire o de refrigeración, su costo es mucho más elevado que el de un caloventor debido a sus variadas funciones; entre ellas la más popular es la deshumidificación, manteniendo así el aire del ambiente potable y liviano, algo que no puede lograrse con un radiador o caldera. El proceso de tratamiento que realiza un sistema de calefacción por aire es más que complejo, permite modificar ciertas características del mismo, principalmente la temperatura y la humedad, pero también permite regular su pureza y movimiento aunque suene extraño. Los equipos actuales tienen como función controlar las moléculas de aire para así poder bajar o subir la temperatura de éste, generando así ambientes cálidos; los sistemas más modernos incluyen la función de “redirigir”, la cual se encarga de distribuir el aire de forma homogénea por toda la casa, evitando de esta forma las desagradables corrientes.


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Resumen

 Las aplicaciones de la oleohidráulica son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad.  Se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas herramientas y mecanismos. Por ejemplo, la pala de una niveladora es accionada normalmente por energía hidráulica. Los elevadores en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa.  La temperatura es un factor importante en el mantenimiento de la calidad de los alimentos, así como del confort de personas y animales. En este tema nos referiremos a la conservación de alimentos en cámaras de refrigeración. En un principio se lograban estas bajas temperaturas mediante el uso del hielo. Con el crecimiento de la industria eléctrica, los refrigeradores domésticos se desarrollaron sustituyendo las cajas de hielo, que requerían un bloque de hielo diariamente.  Un sistema Neumático es el que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado. En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se reduce en volumen por compresión, aumentando así su presión.  La regulación de las condiciones ambientales dentro de una vivienda, industria o comercio, son procesos que implican sistemas de ventilación o calefacción. Un sistema de calefacción permite elevar la temperatura de determinado espacio en relación con la temperatura ambiental exterior para generar condiciones cómodas para la habitación de los seres humanos. Con este objetivo esencial de combatir el frío y permitir un grado elevado de calidad de vida se han desarrollado diversos sistemas de calefacción.  Si desea saber más acerca de estos temas, puede consultar la siguiente bibliografía:

1. 2. 3.

CREUS, Antonio. 1993 Instrumentación Industrial. España: Editorial Alfaomega Marcombo, Pagina Web. http://www.techniforum.com/central_neuma_01.htm Pagina Web. http://www.sistemascalefaccion.com/tipos/calefaccion-poraire.html

Manual Sensores y Actuadores

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