Sensores de Presion Temperatura y Caudal

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS

INSTRUMENTACION

SENSORES DE PRESION

Los instrumentos de presión se clasifican en: P Mecánicos P Neumáticos P electromecánicos y electrónicos

Los elementos primarios elásticos mas

empleados son:

P Tubo de Bourdon P Elemento espiral P Helicoidal P Diafragma

P Fuelle

INSTRUMENTACION

Transductor resistivo

Transductor resistivo

Transductor resistivo

TRANSDUCTOR MAGNETICO

LVDT: Transformador diferencial de variación lineal

TRANSDUCTOR MAGNETICO Inductancia variable

LVDT: Transformador diferencial de variación lineal

Transductor magnetico

Transductor capacitivo

TRANSDUCTOR CAPACITIVO

TRANSDUCTOR PIEZOELECTRICO

Piezoelectrico

Galgas extensométricas

Los elementos de galgas

extensiométricas se basan

en la variación de longitud

y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.

Galgas extensométricas

Existen dos tipos de galgas extensiométricas:

Galgas cementadas: formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico.

Galgas sin cementar: donde los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

0 0

3

2

6

+

-

OUT

3

2

6

+

-

OUT

10k 100k

10k

3

2

6

+

-

OUT

100k

1k

1k

4.75V

3

2

6

+

-

OUT

Q1

Vcc

Vcc

Vcc

-Vcc

-Vcc

-Vcc+

-

V2

V1

Vref

Vcc

Vcc

-Vcc

LM 311

BUZZER

etapa de amplificacion etapa de alarma

Sensor

Vo

55 ohm

55 ohm

Especificaciones de LVDTs y RVDTs

Las especificaciones típicas de los LVDT´s y RVDT´s

son las siguientes:

• a) Rangos de fondo de escala: Desde {0.0 a 0.050}

hasta {0.0 a 10} pulgadas

• b) Linealidad: Aproximadamente 0.25% de error

sobre el fondo de la escala.

• c) Resolución mínima: Entre 0.002 mm y 0.003 mm.

• d) Respuesta dinámica: Más baja que la frecuencia

de excitación (< 2.5 KH).

• e) Devanados secundarios: Se conectan con

marcas de polaridad invertida de tal forma que su

comportamiento sea bipolar (ver figura 2.18).

LVDT

LVDTs y RVDTs (transformadores diferenciales lineales y angulares)

Curva de transducción para LVDTs y RVDTs

Elementos de acondicionamiento para LVDTs y RVDTs

Fuente Oscilador LVDT o Entradade poder RVDT (Desplaza-

miento)

Salida Amp Filtro Demodulador

Acondicionamiento de LVDT con circuito integrado dedicado

LVDT

Oscilador Amp

Amp

Filtro

Filtro Dem

odulador

AD598

Acondicionamiento de LVDT con elementos discretos

LVDT

demodulador

filtro

Amplificador de

instrumentación

-

+

D1

D2

C R1

R2

Vex

Vsalida

+Vcc

-Vcc

Flecha

del núcleo

Transmisor de presion manometrica por piezas

Sistema de medicion por capacitancia

Diagrama de la electronica tx capacitivo

La formula de caudal obtenidos con los elementos de presión diferencial se basa en la aplicación del teorema de Bernouilli (altura cinética + altura de presión + altura

potencial = cte.) a una tubería horizontal.

En la siguiente figura pueden verse los valores de las presiones a lo largo de la tubería en una placa de orificio o diafragma.

Si Pa, Pc y Va, Ve son las presiones absolutas y velocidades en la zona anterior a la placa de donde el fluido llena todo el conducto y en la vena contraída respectivamente, y Sa, Sc son las secciones siguientes:

VcScVaSayPo

PcVc

Po

PaVa

22

22

siendo Por la densidad (masa por unidad de volumen) del fluido, habiendo supuesto que Po no varía en toda longitud estudiada de la vena.

De aquí se obtiene:

Po

PcPa

Sa

VcScVc 2

2

222

WoPPgQ

QCjme

)(2)πD(100

21

2

Formula:

1.0 LINEAL Con esta función, la relación entre entrada (variable medida expresada

en % del campo de calibración) y salida es lineal. Es decir, a una entrada del 0% le corresponde una salida del 0% (4 mA), al 50% le corresponde el 50% (12 mA), al 100% le corresponde una salida del 100% (20 mA).

2.0 RAÍZ CUADRADA (X) Con esta función, la salida (en % del alcance) es proporcional a la raíz

cuadrada de la entrada, expresada en % del campo de calibración. Es decir, el instrumento puede entregar una señal analógica de salida proporcional a la medida de caudal. Tal función, sin embargo, tiene la característica de una ganancia “salida/entrada”

muy alta para la entrada cercana a cero, con consiguiente posibilidad de inestabilidad de la salida.

Para impedir este inconveniente, en el primer tramo de la función el transmisor produce una salida modificada con respecto a la teórica, lineal en lugar de cuadrática. Asimismo, esto facilita el ajuste de cero del instrumento y reduce los errores de cero para las variaciones de la temperatura ambiente.

La característica “lineal” es operativa para valores de entrada de

hasta el 4% del campo con la posibilidad de elección (mediante un configurador) de las siguientes soluciones ofrecidas por el transmisor.

Para convertir los valores de presión, en el intervalo del campo de calibración, en los correspondientes valores de caudal, primero expresar los valores de presión en porcentaje y luego extraer la raíz cuadrada multiplicándola por 10. Por ejemplo:

Transmisor calibrado en 0 - 400 mbares, con presión de entrada

igual a 196 mbares. El caudal, en porcentaje, se determina como sigue: 196/400 X 100 = 49% (Presión, en % de su campo de calibración) √ 49 x 10 = 70% (Caudal, en % de su campo de calibración) Para convertir el valor del caudal (%) en el correspondiente valor de

salida del transmisor (corriente), primero se debe dividir el valor de caudal por 100 y luego, multiplicar el valor obtenido por 16 mA, agregando el “cero vivo” de 4 mA (ver también las figuras):

70% (Caudal)/100 x 16 mA + 4 mA. = 15,2 mA c.c.

El instrumento se compone de dos unidades funcionales: - Transductor Primario - Transductor Secundario El Transductor Primario incluye el sensor y la interfaz hacia el proceso, el

Transductor Secundario incluye la electrónica, la bornera y el estuche. Las dos unidades están unidas entre sí con un acoplamiento roscado. Las electrónicas del Transductor Secundario están basadas sobre componentes integrados en un único circuito denominado ASIC (sigla proveniente de Application Specific Integrated Circuit), Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas.

A continuación se explica el principio de funcionamiento del Transductor Primario. El fluido de proceso (líquido, gas o vapor) actúa con una presión sobre la

membrana de medida del sensor a través de las membranas de separación, los tubos capilares, el fluido de llenado (ver la Fig. 2a) y el sensor inductivo. La membrana de medida se flexiona en función de la presión diferencial aplicada, modificando así, el espacio "disco (móvil) / núcleo de bobina (fijo)" de los dos circuitos magnéticos que se hallan en los dos costados de la membrana de medida. Lo anterior provoca un cambio del valor inductivo de cada bobina.

La unidad también incluye un sensor de temperatura. La electrónica del transductor primario elabora la señal de temperatura ST, junto con los dos valores inductivos, L1 y L2, para producir una señal propietaria estándar. Durante el proceso productivo, los datos característicos de cada Transductor Primario, junto a los coeficientes de compensación obtenidos mediante la comparación a varias temperaturas y presiones, se ingresan y almacenan en la memoria de la Electrónica primaria.

Siempre manteniendo la modularidad en la construcción, se

puede adoptar un sensor diverso del inductivo. Se trata de un sensor piezoresistivo. El módulo se suelda en su

totalidad en un sistema de cámaras-gemelas con un diafragma integral

de sobrecarga, un sensor interno de presión absoluta y un sensor de silicona de presión diferencial. El sensor de presión absoluta, expuesto solamente a la presión del lado positivo, actúa como valor de referencia para compensar el valor de presión estática. El sensor de presión diferencial está conectado al lado negativo mediante un tubo capilar. La presión diferencial aplicada (dp) / la presión absoluta (pabs) es transferida a los diafragmas del sensor de silicona de presión a través de las membranas de separación y el fluido de llenado.

Una mínima flexión del diafragma de silicona cambia la salida de tensión del sistema de captación (pick-up). La tensión es proporcional a la presión, convertida por una unidad de cálculo y amplificadores en una señal eléctrica. En base al modelo, el transmisor está conectado al proceso a través de bridas ovales con fijaciones roscadas según DIN 19213 (M10/M12) o bien 7/16 - 20 UNF, 1/4 - 18 NPT Hembra roscado o bien separadores remotos.

Luego, los valores de medida y los coeficientes de compensación se transfieren al Transductor Secundario, donde se produce, mediante el microprocesador, la elaboración y la conversión en la señal de transmisión. Esto es matemáticamente compensado para responder a las prestaciones de linealidad requeridas en varias condiciones ambientales (temperatura) y de ejercicio (presión estática). En la memoria del Transductor Secundario se almacenan informaciones específicas del instrumento:

El microprocesador recibe los datos del módem interno y administra la comunicación digital bidireccional con el dispositivo de configuración, es decir el comunicador portátil o el configurador sobre la computadora personal.

MEDIDOR DE TURBINA

DB

EKQresultavQ s

4

πD2

La formula de caudal que da la ley de Faraday es la siguiente:

Es = K B l v Es = tensión generada en el conductor K = constante B = densidad del campo magnético L = longitud del conductor V = velocidad del movimiento

MEDIDOR ELECTROMAGNETICO

D

ttgaCV

2

2

t

a).- (haz único) En uno de los modelos más sencillos la velocidad del

fluido esta determinada por la siguiente formula:

en la que:

V = velocidad del fluido

C = velocidad del sonido en el fluido

= ángulo de haz del sonido con relación al aje longitudinal de la tubería

= diferencia entre los tiempos de tránsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.

MEDIDOR ULTRASONICO

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenomenos que son influidos Por la temperatura y entre los cuales figuran:

Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos ( solidos , liquidos o gases ) Variacion de resistencia de un conductor.( sondas de resistencia ) Variacion de la resistencia de un semiconductor ( termistores ) F.e.m. Creada en la union de dos metales distintoos ( Termopares ). Intencidad de la radiacion total emitida por el cuerpo.

TEMPERATURA

Termometros de vidrio

Mercurio - 35 a 280˚C Pentano -200 a 20 ˚C Alcohol -110 a 50 ˚C

Termometro de bulbo

Termometro bimetalico

Clase I : Term. Actuados por liquidos Clase II :Term. Actuados por vapor. Clase III : Term. Actuados por gas. Clase IV : Term. Actuados por mercurio

Termometros de bulbo

TERMOMETROS DE BULBO

RTD

t = Temp.°C Rt = Resistencia temp. T en Ω Ro = resistencia a 0 °C R100 = Resistencia a 100 °C δ = Constante de calentamiento ( aprox. 1.50 )

La relación entre resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión: Rt = Roe

β en la que: Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt Ro = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia To Β = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas B = E/K E = Nivel de energia K = Constante de boltzmann = 8.625 E-5 e V/K

TERMISTOR

( 1/Tt – 1/To )

TERMISTORES

UNION DE JUNTA FRIA

Materiales de Unión Rango de temperatura

en º C

Variación de

voltaje en rango de

mv.

Designación ANSI

Cables

Colores

+ --

Platino 6%

radio / platino 30% 38…1800º C 13.6 B

Clomel / constantan 0…982º C 75.0 E Púrpura Rojo

línea:Purpura

Hierro / constantan -184…760º C 50.0 J Blanco Rojo

Clomel / alumel -184…1230º C 56.0 K

Platino / platino

radio 13% 0…1593 18.7 R Negro

Rojo

línea: azul

Cobre / constantan -184…400º C 26.0 T

MEDICION DE pH

En 1909, el químico danés Sorensen definió el potencial hidrógeno ( pH ) como el logarítmo negativo de la concentración molar ( mas exactamente de la actividad molar ) de los iones hidrógeno. Esto es: pH = - log [H + ] Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando asi el manejo de cifras largas y complejas. Por ejemplo, una concentración de [H+] = 1x10-8 M ( 0.00000001) es simplemente un pH de 8 ya que : pH= - log[10-8] = 8 La relación entre pH y concentración de iones H se puede ver en la siguiente tabla, en la que se incluyen valores típicos de algunas sustancias conocidas:

La determinación del pH en el agua es una medida de la tendencia de su acidez o de su alcalinidad. No mide el valor de la acidez o alcalinidad ( vea el método de determinación de alcalinidad ). Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación industrial. El valor del pH en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante, y en las plantas de tratamiento de agua. Este método determina el pH , midiendo el potencial generado ( en milivolts ) por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivolts generados hacia al circuito de medición.

La cadena electroquímica de este sistema de medición es : Hg / Hg2Cl2-Sol Sat KCl // Vidrio/HCl 0.1N/Ag-AgCl En el siguiente esquema se muestran los electrodos utilizados:

P viene de potencial H es el símbolo del hidrogeno. DEFINICION Es el grado de medida de la acidez como el grado de medida de la

temperatura. ACIDEZ O ALCALINIDAD Están determinados por la cantidad de iones de Hidrogeno H + Hidroxilo OH-

R = Cte, de gases perfectos = 8314 J/mol.° K. F = N° de faraday = 96493 C/mol. n = Valencia del metal. [ Mn + ] = Concentración de iones metal.

T = Temperatura absoluta (.° K). Eo = Potencial normal. Para H+

E = E o + 0.05916 ( pH int, - pH ext. )

La relación entre [ H + ] y [O H - ] es constante y el pH = al logaritmo negativo de la concentración de iones [ H + ] .

pH = - log [ H + ] y la concentración ( actividad ) se expresa en MOLES POR LITRO en una solución es de 10 E -7 Molar.

COMO DE MIDE EL PH En un sistema básico para la medida de pH esta

formado por: ELECTRODO DE MEDIDA construido con un vidrio

sensible a los iones [ H + ] y denominado comúnmente ELECTRODO.

ELECTRODO DE REFERENCIA para su comparación, pHMETRO que es

esencialmente un voltímetro sensible y preciso.

Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación industrial.

El valor del pH en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante, y en las plantas de tratamiento de agua. Este método determina el pH, midiendo el potencial generado (en milivolts) por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivolts generados hacia al circuito de medición.

* M h M n

La ABSORCIÓN de luz por una sustancia tiene lugar cuando la luz posee la energía precisa para provocar los cambios precisos. Estos cambios ( siempre discretos), pueden ser: •Electrónicos (átomos y (o) moléculas) •Vibracionales (sólo moléculas) •Rotacionales ( sólo moléculas)

ABSORCIÓN DE RADIACIÓN

ELECTROMAGNÉTICA

PROCESO POR EL CUAL UNA ESPECIE EN UN MEDIO

TRANSPARENTE, CAPTA SELECTIVAMENTE CIERTAS

FRECUENCIAS DE LA RADIACIÓN

visualización

amarillo-verde 520 - 550 violeta 380 - 420

amarillo 550 - 580 azul-violeta 420 - 440

anaranjado 580 - 620 azul 440 - 470

rojo 620 - 680 verde-azul 470 - 500

púrpura 680 - 780 verde 500 - 520

verde 500 - 520 púrpura 680 - 780

verde-azul 470 - 500 rojo 620 - 680

azul 440 - 470 anaranjado 580 - 620

azul-violeta 420 - 440 amarillo 550 - 580

violeta 380-420 amarillo-verde 520 - 550

color l (nm)

complementario

color l (nm)

ESPECTRO VISIBLE Y COLORES

COMPLEMENTARIOS

Están basados en el efecto fotoeléctrico, en el que la incidencia de un haz fotónico sobre un metal es capaz de generar energía eléctrica

TUBO FOTOMULTIPLICADOR

colector

Cada dinodo se conecta a

una fuente externa de 90 V

generando en el colector

una avalancha de 106 a 107

electrones por cada fotón

incidente para el caso de un

tubo fotomultiplicador de 9

dinodos

DETECTOR