ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO VICERRECTORADO ACADÉMICO DIRECCIÓN DE DESARROLLO ACADÉMICO
FACULTAD: MECÁNICA CARRERA: INGENIERÍA MECÁNICA GUÍA DE LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL PARALELO: A
PRÁCTICA No. 03- Sensor piezoeléctrico y sensor termoeléctrico .
1. DATOS GENERALES: NOMBRE: (estudiante(s)
CODIGO(S): (de estudiante(s)
Edwin Saca
7141
José Salazar
6455
David Quevedo
6846
Israel Rosero
7007
GRUPO No.: 01 FECHA DE REALIZACIÓN:
FECHA DE ENTREGA:
Miércoles, 24 de octubre del 2018
Martes, 30 de Octubre del 2018
2. OBJETIVO:
Determinar las características de los sensores piezoeléctricos y termoeléctricos. Determinar experimentalmente la correspondencia de las medidas de presión vs tiempo y voltaje vs tiempo la correspondencia de las medidas de temperaturas vs tiempo y voltaje vs tiempo.
Comprobar las capacidades de los instrumentos de medición en cuanto a s u resolución.
Aplicar adecuadamente las normas de seguridad dentro del laboratorio.
3. INSTRUCCIONES Antes de realizar cualquier prueba o procedimiento, revise las hojas técnicas de seguridad de los instrumentos. 3.1 Sensor piezoeléctrico de presión
Encienda el compresor y déjelo que se cargue hasta los 80 psi, esto con la válvula manual de salida cerrada.
Conecte la manguera del compresor al equipo de pruebas neumático.
Encienda el equipo de pruebas neumático.
Abra totalmente la válvula manual de salida del compresor. Deje que el aire comprimido fluya en el sistema aumentando su presión interior. Con un voltímetro mida la señal de voltaje de CC que envía el sensor piezoeléctrico de presión hacia el display del controlador FULLGAUGE PCT100. Hágalo en las borneras de conexión eléctrica. Observe la medida de presión que registra el Manómetro digital de presión ASHCROFT. Abra levemente la válvula de descarga del tanque acumulador. Anote la correspondencia descendente de las medidas de presión vs voltaje en la tabla 1, desde 30 hasta 10 psi. Registre el tiempo de correspondencia descendente de las medidas de presión vs voltaje en la tabla 1, desde 70 hasta 50 psi.
3.2 Sensor Termoeléctrico de temperatura
Conecte una termocupla tipo J al aparato de medición D IGI-SENSE y enciéndalo.
Conecte otra termocupla tipo J al voltímetro y enciéndalo.
Encienda el horno y déjelo que se caliente hasta los 80 ºC. Conecte la manguera del compresor al equipo de pruebas neumático. Anote la correspondencia ascendente de las medidas de temperatura del aparato DIGI SENSE vs voltaje del voltímetro en la tabla 2, desde 30 hasta 50 ºC. Registre el tiempo de correspondencia ascendente de las medidas de temperatura vs voltaje en la tabla 2, desde 30 hasta 50ºC.
4. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: 4.1MARCO TEÓRICO: 4.1.1 Definición de sensor piezoeléctrico y sensor termoeléctrico. Sensor Piezoeléctrico El sensor piezoeléctrico puede estar conformado por materiales cerámicos o cristales iónicos que son capaces de generar una pequeña energía eléctrica cuando estos son deformados. A este efecto se le conoce como efecto piezoeléctrico. ¿Cómo funciona? Para crear un sensor piezoeléctrico y poder generar energía eléctrica con la deformación, primero se debe de tratar el material para reordenar sus cargas, Ya que estas están inicialmente desordenas y no es posible generar electricidad. Para obtener las propiedades de la piezoelectricidad, el material se debe someter a un intenso campo eléctrico para ordenar las cargas eléctricas.
Una vez que se quita el campo eléctrico las cargas quedan libres y cuando se ejerce una presión o deformación se vuelven a ordenar generando la carga eléctrica deseada. Un dato importante sobre este sensor es que no debe sobrepasar una temperatura máxima, llamada “temperatura de curie” ya que al estar por encima de l a temperatura
máxima, las cargas vuelven a su estado inicial en donde están desordenadas y no serán capaces de generar estas cargas eléctricas.
Sensor Termoeléctrico Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos que, a diferencia del efecto Joule, son reversibles. Se trata del efecto Peltier y del efecto Thomson. La acción conjunta de estos dos efectos da lugar al efecto Seebeck, en el que se basan los termopares. 4.1.2 Materiales para la fabricación de sensores piezoeléctricos y termoeléctricos Sensores Piezoeléctricos Los materiales naturales de los que se elaboran los sensores piezoeléctricos son: el cuarzo y la tuemalina.
Las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no sin mono cristales, al contrario, son cerámicas. Las cerámicas como elemento de fabricación brindan una gran estabilidad térmica y física y se pueden fabricar de distintas formas, los más empleados son: titanatos, circonatos de plomo, titanatos de bario y metaniobato de plomo.Por otra parte, los polímeros también son opción para la fabricación de elementos piezoeléctricos se utilizan materiales como: fluoruro de polivinilideno.
Sensores termoeléctricos Para la elaboración de termoeléctricos es necesario un termo pares, es en donde se produce la generación de voltaje a través del diferencial del voltaje, para ello es necesario los materiales adecuados como por ejemplo: aleaciones especiales de níquel, cromo, cromel, cobre, níquel, aluminio, manganeso, silicio alumel , etc Estos materiales ayudaran a soportar elevadas condiciones de presiones y son funcionales para elevadas temperaturas. Otros elementos según la norma ANSI para la fabricación de termoeléctricos se definen en la siguiente tabla:
4.1.3Características de operación de los sensores piezoeléctricos y sensores termoeléctricos. Características de operación de los sensores piezoeléctricos Dependiendo de cómo se corte el material piezoeléctrico, se obtienen tres formas de operación diferentes: transversal, longitudinal o tangencial. Efecto transversal Se aplica una fuerza a lo largo del eje neutro Y, los cambios son generados al largo del eje X, es decir perpendicular a la línea de fuerza. La cantidad de carga, depende de las dimensiones geométricas del elemento piezoeléctrico, respectivo. Para dimensiones a, b, c se aplica: =
Donde a es la dimensión alineada con el eje Y, b está alineada con el eje que genera la carga y d es el correspondiente coeficiente piezoeléctrico.
Efecto longitudinal La cantidad de carga producida es directamente proporcional a la fuerza aplicada y es independiente del tamaño y la forma del elemento piezoeléctrico. Usando varios elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo, se puede conseguir aumentar la carga emitida. La carga resultante es: =
Donde dxx es el coeficiente piezoeléctrico para una carga en dirección X, carga liberada por fuerzas aplicadas a lo largo del eje X (en pC/N). Fx es la carga proporcionada en dirección X [N] y n corresponde al número de elementos en el circuito.
Efecto tangencial Nuevamente las cargas producidas son estrictamente proporcionales a las fuerzas aplicadas e independientes de la forma y el tamaño de los elementos. Para n elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo la carga es: = 2
Características de operación de los sensores termoeléctricos Efecto termoeléctrico a) Reversibles: Efecto Peltier. Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión. La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier πAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y está definido por: = ( – ) = –
Efecto Thompson El calor liberado es proporcional a la corriente – no a su cuadrado- y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección. b) Irreversibles: Efecto Joule. La relación entre la fuerza termo electromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB). = ( /) = –
Donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.
4.1.4Características técnicas de los sensores termoeléctricos usados en esta práctica.
piezoeléctricos
y
Un transductor eléctrico tiene una muy alta impedancia de salida de corriente continua y puede ser modelado como una fuente proporcional de voltaje y como una red de filtro.
El voltaje V en la fuente es directamente proporcional a la fuerza, presión o tensión aplicada. La señal producida está relacionada con esta fuerza mecánica como si hubiera pasado a través de un circuito equivalente. Un modelo detallado incluye los efectos de la construcción mecánica del sensor y otras no idealidades. La inductancia Lm es causada gracias a la masa sísmica y la inercia del propio sensor. Ce es inversamente proporcional a la elasticidad mecánica del sensor. C0 representa la capacitancia estática del transductor, la cual es resultado de la inercia de una masa de tamaño infinito. Ri es la resistencia de la salida del aislamiento del elemento del transductor. Si el sensor está conectado a una resistencia de carga, esto también actúa en paralelo con la resistencia del aislamiento, incrementando la alta frecuencia de corte.
4.2 EQUIPOS Y MATERIALES: 1. Equipo de pruebas neumático. 2. Compresor de 2HP 3. Termómetro de medición DIGI-SENSE 4. Aparato de medición de temperatura FLUKE 5. Hoja técnica de datos y seguridad del sensor de presión FULLGAUGE 6. Hoja técnica de datos y seguridad del manómetro digital de presión ASHCROFT. 7. Voltímetro. 8. Horno pequeño. 9. Cronómetro.
4.3 CÁLCULOS Anote la correspondencia descendente de las medidas de presión vs voltaje en la tabla 1, desde 70 hasta 50 psi Anote la correspondencia ascendente de las medidas de temperatura del aparato DIGI SENSE vs voltaje del aparato FLUKE en la tabla 2, desde 25 hasta 50 ºC.
TABLA 1 Presión manómetro digital ASHCROFT Presión Tiempo (s)
Medida de voltaje CC (V) (psi) 1
2
3
4
promedio
30
0.749
0.747
0.742
0.744
0.746
25
0.703
0.702
0.703
0.702
0.703
92
20
0.663
0.663
0.663
0.663
0.663
194
15
0.623
0.622
0.622
0.623
0.623
323
10
0.582
0.582
0.581
0.582
0.582
489
0
TABLA 2 Temperatura vs Voltaje FLUKE Temperatura Tiempo (s)
Medida de voltaje CC (mV) (ºC) 1
2
3
4
30
0.33
0.39
0.34
0.42
0.37
35
0.69
0.86
0.66
0.76
0.743
139
40
1.10
1.27
1.01
1.06
1.11
158
45
1.51
1.65
1.39
1.40
1.488
172
50
1.93
2.05
1.76
1.71
1.863
184
4.4 RESULTADOS
promedio 0
Listar las actividades o etapas en forma secuencial para el desarrollo de la práctica, generalmente se utilizará entre otras: Observación y reconocimiento de instrumentos y equipos Manejo de instrumentos y equipos Toma y recolección de datos Ordenamiento y procesamiento de datos Cálculos y resultados Análisis, graficación e interpretación de resultados Observaciones
5. RESULTADOS OBTENIDOS Mediante la práctica realizada podemos decir que los sensores que se emplearon demuestran eficacia y son de gran utilidad dependiendo de la necesidad del usuario, a pesar de que todos tienen la misma función unos se caracterizan por tener mayor sensibilidad y el usuario deben tener en cuenta varios parámetros al momento de hacer la elección de tal manera que se pueda tener una medida adecuada. Recordando que en el laboratorio existen aparatos de medición con fines didácticos los equipos no son tan sofisticados, pero en el campo laboral (industria o investigación) los equipos son de mayor calidad, pero gracias a esta práctica pudimos comprender el principio que rige y su funcionamiento.
6. ANÁLISIS, GRAFICACIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS -Grafique los resultados de la tabla 1, presión vs tiempo y voltaje vs tiempo, analice e interprete los resultados. -Grafique los resultados de la tabla 2, temperatura vs tiempo y voltaje vs tiempo, analice e interprete los resultados.
7. CONCLUSIONES Describir en forma lógica las conclusiones a que conlleven la práctica
8. RECOMENDACIONES Describir en forma lógica las recomendaciones que sean pertinentes
9. BIBLIOGRAFÍA (29/10/2018) MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS. Recuperado https://icono.fecyt.es/sites/default/files/filepublicaciones/bvt_mat_n3.pdf [1]
FECYT
de:
[2] ALLPCB (29/10/2018) SENSOR PIEZOELÉCTRICO (EFECTO PIEZOELÉCTRICO). Recuperado de: http://www.ingmecafenix.com/automatizacion/sensores/sensor-piezoelectrico/ [3] Gabriela Morales (29/10/2018) SENSORES TERMOELECTRICOS: TERMOPARES. Recuperado
de: https://gabrielamorales.wordpress.com/sensores-termoelectricos-termopares/
[4] Rigoberto J. Meléndez C. (29/10/2018) SENSORES GENERADORES. https://es.slideshare.net/melendezcuauro/sensores-generadores
----------------------------------------------John Vera L.
Recuperado de:
