Act 1: Revisión de Presaberes

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Parámetros eléctricos (1)

Un presaber de suma importancia para el estudio de instrumentación industrial, es el conocimiento de los parámetros electrónicos, como resistencia, capacitancia,

inductancia, magnetismo, óptica, laser, etc. Con base en estos parámetros están diseñados la mayoría de transductores usados a nivel industrial. A continuación se

darán los conceptos básicos, sin embargo usted debe profundizar en cada concepto, para el desarrollo del curso.

Resistencia

Es la oposición que presentan los diferentes elementos a la circulación de la corriente eléctrica, su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega

omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro. También se define como la propiedad de un objeto o sustancia de transformar energía eléctrica en otro tipo de energía de forma irreversible, generalmente calor. Esta definición es válida para la

corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos

componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es

prácticamente nulo.

La ley que vincula a la resistencia eléctrica, la corriente y la tensión es la ley de ohm la cual establece la siguiente relación:

V = I·R

Prácticamente se puede decir que la resistencia es un elemento que convierte energía eléctrica en energía calórica y la potencia, energía por unidad de tiempo,

que transforma en calor está dada por la ley de Joule

P = I2·R

La unidad de medida de la potencia es el watt.

Inductancia

Debido a que el campo magnético alrededor de un conductor es muy débil, para aprovechar la energía de dicho campo magnético se arrolla al alambre conductor y de esta forma se obtiene lo que se conoce como inductancia o bobina. Al tener el

alambre arrollado, se denomina excitación magnética a la causa que origina el campo magnético y el valor de la excitación magnética está dada por:

H=(N*i)/l

Donde N es la cantidad de espiras y l es la longitud de la bobina. Si por una bobina circula una corriente eléctrica se produce un campo magnético el cual es el

resultado de la suma de los campos magnéticos de cada espira y a este efecto se lo denomina concatenación. A las líneas de campo magnético se las denomina flujo magnético y se simboliza con φ. Se denomina inducción magnética a la cantidad de

flujo magnético por unidad de área:

B= φ/s

Donde s es la sección transversal de la bobina. La relación entre la excitación magnética y la inducción magnética depende del material sobre el cual se ha

arrollado la bolina:

B = μ – H

Donde μ es una constante que depende del material y se denomina permeabilidad magnética. Como la inducción magnética y la excitación magnética están

vinculadas por la expresión anterior reemplazando el valor de H obtenemos:

B=μ(N.i/l)

De donde resulta:

φ= (μ N s i)/l

Se denomina inductancia a la constante dada por:

L= (μ N s)/l

Observemos que la inductancia es una constante que depende de la cantidad de espiras, de la permeabilidad magnética del núcleo sobre el que se ha arrollado la bobina y de las dimensiones geométricas de la misma. En la última expresión se

observa que si la corriente es variable da lugar a un flujo magnético variable y experimentalmente se ha comprobado que si esto ocurre se genera o induce sobre

la bobina una fuerza electromotriz (tensión) cuyo valor está dado por la ley de Faraday:

e=d φ/dt

La fuerza electromotriz inducida se comporta como un generador de tensión, el cual da lugar a la circulación de una corriente eléctrica. Si en la última expresión

reemplazamos el valor del flujo obtenemos:

e=-(d i/dt)L

El signo negativo indica que la fuerza electromotriz inducida se opone a la causa que la produce (ley de Lenz)

Si en lugar de considerar a la fuerza electromotriz inducida se desea expresar la caída de tensión que se produce sobre una bobina solo hay que cambiar el signo

de la expresión de Faraday

VL=L(d i/dt).

La inductancia acumula energía en forma de campo magnético y su valor está dado por la siguiente expresión:

WL=1/2 μ H2

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Es falso con respecto a la resistencia eléctrica:

Es lo mismo que impedancia, en cualquier caso.

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La inductancia depende:

Su respuesta :

de las características físicas del conductor.

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La inductancia acumula energía en forma de:

Su respuesta :

campo magnético

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Otras definiciones.

Capacitancia:

Se define como la razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. (Q/V). La

capacitancia siempre es una cantidad positiva y puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q / V es

constante para un capacitor dado. En consecuencia la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica.

Se denomina capacitor al dispositivo que es capaz de acumular cargas eléctricas. Básicamente un capacitor está constituido por un conjunto de láminas metálicas

paralelas separadas por material aislante. La acumulación de cargas eléctricas entre las láminas da lugar a una diferencia de potencial o tensión sobre el capacitor y la

relación entre las cargas eléctricas acumuladas y la tensión sobre el capacitor es la capacitancia.

La unidad de medida de la capacidad es el faradio y como dicha unidad es muy grande se utilizan submúltiplos de la misma, como por ejemplo: Microfaradio 10 -6

Faradio, Nanofaradio 10-9 Faradio, o Picofaradio 10-12 Faradio. El valor de la capacitancia depende del tamaño y la forma del capacitor.

Podemos decir que el capacitor acumula energía en forma de campo eléctrico y su valor está dado por:

Wc=0.5*ε*E2

Donde Wc es la energía acumulada, ε es la permeabilidad dieléctrica del medio y E es el campo eléctrico. El campo eléctrico es proporcional a la tensión entre las placas

(láminas) e inversamente proporcional a la distancia que las separa.

Magnetismo:

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar

efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse

mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la

intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas.

En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el

campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza.

La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el

esquema de líneas de fuerza.

Ultrasonido:

El ultrasonido es una onda acústica cuya frecuencia está por encima del límite perceptible por el oído humano (aproximadamente 20.000 Hz). Muchos animales como los delfines y los murciélagos lo utilizan de forma parecida al radar en su

orientación. A este fenómeno se lo conoce como ecolocalización. Se trata de que las ondas emitidas por estos animales son tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde

se encuentran.

El ultrasonido se utiliza en muchos ámbitos de las ciencias y las tecnologías. Por ejemplo, en medicina se emplea para el diagnóstico por ultrasonido (ultrasonografía),

fisioterapia, econografía, limpieza de dientes, liposucción, etc. En la industria se utiliza para medir distancias, ensayos no destructivos, caracterización interna de materiales, limpieza de superficies, etc. En el ámbito militar el ultrasonido puede

utilizarse como arma. El extremo opuesto es el infrasonido.

Laser

Un láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la

mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

La luz láser es intensa, Los haces láser son estrechos y no se dispersan como los demás haces de luz. Esta cualidad se denomina direccionalidad. La luz láser es

coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí. Los láseres producen luz de un solo color, o para

decirlo técnicamente, su luz es monocromática. La luz común contiene todos los colores de la luz visible (es decir, el espectro), que combinados se convierten en

blanco. Los haces de luz láser han sido producidos en todos los colores del arco iris (si bien el más común es el rojo), y también en muchos tipos de luz invisible; pero un

láser determinado sólo puede emitir única y exclusivamente un solo color.

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En un capacitor cambia la capacitancia si se cambia:

la permeabilidad dieléctrica del medio

Cual afirmación es correcta.

El campo eléctrico es proporcional a la tensión entre las placas d eun condensador e inversamente proporcional a la distancia que las separa.

No es una propiedad importante en la luz laser:

Su respuesta :

Dispersión.

Instrumentación electrónica

Instrumentación electrónica

Instrumentación electrónica es parte de la electrónica, principalmente analógica, que se encarga del diseño y manejo de los aparatos electrónicos, sobre todo para su uso en mediciones.

La instrumentación electrónica se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas.

Sensores. Un elemento imprescindible para la toma de medidas es el sensor que se encarga de transforma la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en:

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa.

<!--[if !supportLists]--><!--[endif]-->Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, que sirve para medir temperaturas.

<!--[if !supportLists]--><!--[endif]-->Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias.

<!--[if !supportLists]--><!--[endif]-->Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos.

• Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones.

Nota: Walt Kester de Analog Devices, da una clasificación opuesta a la mencionada anteriormente, como ejemplo un termistor seria un sensor pasivo (necesita de un aporte de energía) y un termopar seria activo (no necesita aporte de energía externa).

Otros ejemplos son: termopar, fotorresistencia, fotodiodo, fototransistor, condensador de placas móviles, sensor de efecto Hall, etc.

A veces también se puede aprovechar una característica no deseada de un elemento, como la dependencia de la temperatura en los semiconductores, para usar estos elementos como sensores.

Acondicionadores. La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. Un ejemplo de amplificador es el amplificador de instrumentación, que es muy inmune a cierto tipo de ruido.

No sólo hay que adaptar niveles, también puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que linealizar el

sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser hardware o software, en este último caso ya no es parte del acondicionador.

Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión. Un ejemplo de cuando la información no está en el nivel de tensión puede ser un sensor capacitivo, en el que se necesita que tenga una señal variable en el tiempo (preferentemente sinusoidal).

Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. A continuación típicamente se coloca un amplificador.

Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA).

Digitalización. Para un procesado de la señal eficaz hay que convertir la señal en digital. La instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas de multiplicación de señales en el caso que haya más de una para medir.

Equipos electrónicos. Otra parte de la instrumentación es, como su nombre indica, el estudio de los instrumentos electrónicos. Éstos pueden ser parte del sistema que realizará la medida o ser el propio sistema.

Algunos instrumentos son el multímetro, el osciloscopio, sondas, etc. Otros equipos no están directamente diseñados para las medidas, como las fuentes de alimentación.

Instrumentación virtual. Por último, una de las nuevas tendencias en la instrumentación es la instrumentación virtual. La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para ello se emplea un procesador (normalmente un PC) que ejecute un programa específico, este programa se comunica con los dispositivos para configurarlos y leer sus medidas.

Las ventajas de la instrumentación virtual son que es capaz de automatizar las medidas, procesado de la información, visualización y actuación remotamente, etc.

Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE (antes HP-VEE). Y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS-232, USB,

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Elemento imprescindible para la toma de medidas que se encarga de transforma la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica.

Sensor

Los sensores se pueden dividir en:

PasivosActivos

a instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas de multiplicación de señales en el caso que haya más de una para medir, la técnica que permite este proceso se le denomina instrumentación virtual.

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