CIDEAD. 2º Bachillerato.2 Trimestre .Tecnología Industrial ...€¦ · al calibrado, se desactiva la bomba, impidiendo que llegue más fluido al depósito. c. En un montacargas

CIDEAD. 2º Bachillerato.2 Trimestre .Tecnología Industrial IITema 10.- Los transductores . Sus tipos

Desarrollo del tema.

1. Los transductores y captadores

2. Transductores de posición, proximidad o desplazamiento.

3. Transductores de velocidad.

4. Transductores de temperatura.

5. Transductores de presión.

6. Transductores luminosos.

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1. Los transductores y los captadores.

Los transductores transmiten la información de su entrada a su salida adaptando el tipo deenergía. Los transductores traducen o transforman una magnitud de entrada en otra de salida que seafácil de procesar.

Los captadores, captan una determinada información y la adaptan para su posteriorprocesamiento, es decir, para realimentarla .

A pesar de su diferente misión, la naturaleza de ambos dispositivos es la misma, su únicadiferencia es el lugar donde se coloca en el diagrama de bloques o en el sistema.

Los transductores más usuales, que se pueden utilizar también como captadores, pueden ser:

a. Transductores de posición, proximidad o desplazamiento.b. Transductores de velocidad.c. Transductores de temperatura.d. Transductores de presión.e. Transductores para la medida de la iluminación.

2. Los transductores de posición, proximidad y desplazamiento.

Pueden ser de posición, de desplazamiento lineal o de desplazamiento angular.

1. Desplazamiento.- Pueden ser Transductores resistivos. Inductivos, capacitivos o

interruptores finales de carrera.a- Los transductores de resistencia están basados en la variación de resistencia de undispositivo; son muy utilizados, ya que una gran cantidad de propiedades son afectadaspor la variación de resistencia del material. Ofrecen una gran solución para diversosproblemas de medida. Para poder ser utilizados, es necesario la utilización de unpotenciómetro. Un potenciómetro está formado por una resistencia fija R por donde se

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desplaza un cursor. Posee tres terminales. Es una resistencia variable . Se puede conocerel desplazamiento x de un dispositivo midiendo la tensión de salida (V S ) delpotenciómetro.

b. Los transductores inductivos

Los sensores inductivos pueden ser sensibles a los materiales magnéticos o a los materialesmetálicos. Se utiliza la variación del coeficiente de autoinducción L, con las propiedadesmagnéticas y la modificación de la permitividad del medio. El sensor está formado por dos trozosde material magnético separados por una pequeña distancia e, denominada entrehierro. Si creamosun campo magnético en el hierro, por la acción de una bobina, L del sistema dependerá del valor delentrehierro e . La medida del coeficiente de autoinducción, permitirá conocer la distancia deseparación de los trozos de material magnético así como su posible variación que la distanciaexperimente.

c. Transductores capacitivos.

Una serie de magnitudes físicas, pueden alterar la capacidad de un condensador, ya que éstadepende de las condiciones geométricas y la constante dieléctrica del medio:

C = ε . Sd

Se pueden medir: a. La proximidad a una superficie conductora.- La capacidad del condensador depende de la

distancia d entre sus armaduras . Si una de ellas es una superficie conductora, se puede determinarsu proximidad a la otra placa del condensador.

b. Los desplazamientos.- Se puede determinar con un esquema similar al anterior, midiendola variación de la capacidad del condensador cuando se modifica la distancia entre las armaduras.

c. Otros tipos de medidas- Como son las de rugosidad de una superficie conductora, lavariación de presión,etc.

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VS = (X / L) V

0

L, es la longitud total de la resistencia


d. Interruptores finales de carrera.

Permiten determinar la posición de un objeto o de una pieza móvil . Cuando se alcanza unode los extremos de su movimiento (fin de carrera ) , cambian los contactos del interruptor. Puedenser de palanca, émbolo o varilla.

La mejor manera de comprender el funcionamiento de estos interruptores es de la siguientemanera:

a. Cierre de una puerta por la acción de un motor.- Se debe de colocar el interruptor final decarrera para desconectar la corriente eléctrica al motor una vez que la puerta se ha cerrado y evitarque el motor siga funcionando.

b. Como detector del nivel de un depósito, utilizando un flotador. Cuando el nivel ha llegadoal calibrado, se desactiva la bomba, impidiendo que llegue más fluido al depósito.

c. En un montacargas para indicar al sistema mecánico que debe de subir, parar y bajar .

2. De Desplazamiento lineal.-

a. Grandes distancias .- Las radiaciones electromagnéticas ( el RADAR, paradistancias D>100 m y los Ultrasonidos, para distancias comprendidas entre elcentímetro y los 100 m.

Radiaciones electromagnéticas, el RADAR (Radio Detecting and Ranging, que significadetección y localización por radio).- Es un sistema para detectar, utilizando ondaselectromagnéticas, la presencia y la distancia a la que se encuentran los objetos que interceptan supropagación. El Radar fue desarrollado por un equipo de investigadores británico en el año 1934,dirigidos por Sir Robert Watson-Watt . Por medio de una antena se emiten radiacioneselectromagnéticas en una determinada dirección . Al interponerse un objeto en su propagación,parte de la onda se refleja y se propaga en dirección opuesta hasta alcanzar la antena de la emisora.Un receptor conectado en la misma recibe el impulso y determina el tiempo que ha tardado la ondaen ir y volver. Conocido el tiempo t , se puede calcular la distancia mediante la expresión:

d = c . t2

, siendo c la velocidad de propagación de la luz.

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1 2 3

1 – 3 NC1 – 2 NA

Interruptor final de carrera


Los ultrasonidos son vibraciones en un medio material (ondas sonoras) , cuya frecuencia essuperior a 20 kHz y no son percibidas por el oído humano.

La utilización de los ultrasonidos en tecnología son variados, por ejemplo, en ladeterminación de los niveles en las tolvas , indicación de la altura de una carga al ser transportadapor un vehículo dentro de una factoría, etc.

Una de las aplicaciones más importantes de los ultrasonidos es el SONAR ( SoundNavigation and Ranging, que se traduce como navegación y localización por sonidos). Es muyusado este sistema en la exploración náutica, para detectar la presencia de submarinos, bancos depesca, fondo marino, etc.

El emisor genera una señal ultrasónica, utilizando el fenómeno de la piezoelectricidad.

Los ultrasonidos, dada su pequeña longitud de onda, pueden ser dirigidos como unaradiación electromagnética. La distribución de la intensidad de propagación en una determinadadirección es la siguiente:

Para obtener los ultrasonidos se recurren a los fenómenos de piezoelectricidad y de lamagnetostricción.

El fenómeno de piezoelectricidad se el más utilizado yse basa en la obtención de variación de presión que seobtiene por la aplicación de una corriente alterna entre dosterminales del generador de US. Pierre y Jacques Curie,determinaron que al ejercer una presión sobre ciertoscristales, aparecen cargas eléctricas en las caras normales ala dirección que se ejercen y si la compresión se convierteen tracción, se invertirán el sentido de las cargas. Alaplicar una corriente alterna sobre estas caras, seproducirán compresiones y expansiones sucesivas, queproducirán en el aire un sonido cuya frecuencia será la dela corriente alterna excitadora. La amplitud de losultrasonidos producidos serán mayores cuando el periodode la tensión aplicada coincida con las vibracioneslongitudinales del cristal; en este caso, habrá resonancia.

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Será mejor dirigida cuánto menor sea su longitud de onda y mayor el diámetro del foco sonoro.

Eje eléctrico


El cristal más utilizado para generar ultrasonidos es el cuarzo , que se talla de acuerdo a loestablecido en la figura adjunta. Las láminas delgadas, como la sombreada, y que es perpendicularal eje eléctrico, presentan fenómenos piezoeléctricos. En ocasiones a la lámina de cuarzo, se acoplauna lámina fina de acero para aumentar la intensidad.

El bloque acero-cuarzo , provoca, según Longevin, una aumento de la resonancia Algunos de los fenómenos producidos por los ultrasonidos, se pueden resumir en:a. El fenómeno Tyndall, cuando se propagan ondas ultrasónicas en un recipiente ocupado

con agua debido a partículas de vidrio arrancadas del recipiente por los ultrasonidos. b. El fenómeno de cavitación, producidas por vacíos en los nodos de las ondas, que quedan

en el seno del agua al propagarse en su seno las ondas ultrasónicas ; es como si se desgarrara elagua.

c. Otros fenómenos se aprecian en los siguientes dibujos:

Como aplicaciones de los Ultrasonidos se pueden resumir en:

a. Hidrográficos.- Permiten hacer sondeos en el mar, la profundidad del fondo, presencia de

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bancos de pesca . Los barcos van provistos de un transducer (emisor de ultrasonidos) y de unreceptor, que recibe el eco. Midiendo el tiempo transcurrido, permite determinar la distancia delobstaculo.

d = c . t2

; c = 340 m/s (propagación del sonido en el aire)

c = 1430 m/s (propagación en el agua)b.- Químicas .- Los Ultrasonidos aumentan la velocidad de reacción de determinadas

reacciones químicas, pues aumenta la energía de vibración de las moléculas y disminuye la energíade activación. Por otra parte moléculas complejas, se descomponen en otras más simples. Losultrasonidos coagulan dispersiones coloidales, permitiendo depurar el aire.

c. .- Industriales.- Permite la búsqueda de defectos internos en estructuras, como sonfracturas, grietas, cavidades o la presencia de cuerpos extraños.

d. .- Biológicos, como son la destrucción de glóbulos rojos, la cavitación de los líquidosintracelulares, la eliminación de cálculos renales; pueden producir grietas en la piel, vértigo, pérdidade equilibrio, etc.

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b. Distancias cortas,.

Medidas potenciómétricas (1 m > D > 10-3 m)

c. Pequeños desplazamientos.-

Transductores resistivos . Bandas extensiométricas (10-3 m > D>10-7 m)Transductores industivos y capacitivos (menos empleados).

c. De desplazamiento angular.-

Pueden ser:a. Resistivos(potenciométricos).b. Inductivos (Sincro)c. Discos codificados.- que pueden ser absolutos ( Encoders, divididos en partes formando

un código binario, que es leído por un sistema óptico). Otro sistema es el Incremental que se conocesu sentido de giro y la velocidad .

Problema 3.- Determinar el espesor mínimo de una lámina de cuarzo para que si lavelocidad de propagación del sonido en el cuarzo es de v = 5000 m/s y la frecuencia deresonancia próxima , υ = 4 104 Hz.

Resolución.-

e =

2=

v2 .

= 5000

2 .4104 = 6,2 cm.

3. Los transductores de velocidad .

a. Transductores de velocidad.

Una de las magnitudes mas utilizadas en las aplicaciones industriales es la medida e la

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velocidad angular, ω. Para medir la velocidad angular, se utilizan unos instrumentos que reciben elnombre de tacómetros ; éstos miden la velocidad angular en rpm. Pueden ser mecánicos oeléctricos.

1. Tacómetros mecánicos.- El más sencillo es el contador de revoluciones. El sistemaconsiste en un tornillo sinfín que se adapta al eje cuya velocidad de rotación se desea medir. Estetornillo sinfín hace mover a dos diales concéntricos calibrados . Cada división del dial exteriorrepresenta una vuelta del eje; cada división del dial interior representa una vuelta del dial exterior.Combinando estas dos medidas con la medición temporal, resulta sencillo determinar la velocidadangular.

Otro tacómetro mecánico es el centrífugo. Se basa en el principio del regulador de Watt enlas calderas de vapor, para ajustar la presión. Está provisto de dos esferas que se apartan del ejetanto más cuanto mayor es la velocidad angular. En el eje se encuentra un resorte que va acoplado auna aguja indicadora que señala la velocidad sobre una escala graduada.

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Por lo tanto ω = g . tg

r= g

H; la medida de ω es en rad/sg , para pasarlo a rpm se

hará la conversión siguiente:

ω(rpm) = .60

2.2. Tacómetros eléctricos.- Transforman la velocidad de giro en una señal eléctrica medible.

Existen varios tipos de tacómetros eléctricos, entre los que destacan:a. Tacómetro de corriente parasitaria o de arrastre.- Se utilizan en

automóviles y aviones. Consta de un imán permanente que gira en el interior de unacapa de aluminio. El eje de giro posee una velocidad que se desea medir. La copa dealuminio va adosada a una aguja que se desplaza sobre una escala en rpm y unresorte helicoidal que se tensa cuando gira el eje en el mismo sentido que el imán. Algirar el imán, se inducen en el aluminio corrientes parásitas que crean un parresistente dependiendo de la velocidad, oponiéndose a la fuerza ejercida por elresorte . La precisión es del orden de las 10 rpm , para una escala total de los 3000rpm. La aguja posee una apertura de hasta 180º, teniendo por lo tanto una ampliocampo de medida.

b. Tacómetro de inducción.- La pieza giratoria acoplada al eje de giro, es un

trozo de hierro paramagnético, que hace que el flujo magnético producido por unimán y una bobina, avríe entre un máximo y un mínimo. Cuando aumenta el flujomagnético induce un aumento de tensión con una polaridad determinada; ladisminución de tensión hace que varíe la polaridad de la tensión inducida. La tensiónalterna producida se rectifica mediante un puente y se aplica la DC obtenida a unamedida eléctrica apropiada.(miliamperímetro).

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c. Tacómetro de corriente alterna.- Consta de un rotor provisto de un imán

permanente, que al girar en el interior de un estátor bobinado multipolar induce en éluna AC . Un voltímetro externo sirve para medir la tensión e la corriente generada ypor lo tanto la velocidad de giro del eje que se acopla al rotor.

d. Tacómero de corriente continua: dinamo tacométrico..- Consta de un rotor

donde se encuentra acoplado el eje de giro, con entrehierro uniforme, y un estátorque consiste en un imán permanente . La tensión continua que aparecen en lasescobillas del eje, se puede obtener directamente mediante un voltímetro o medianteun potenciómetro utilizando la división de tensión. Esta tensión es proporcional a lavelocidad de giro: V = K . ω (rpm). Pueden medir velocidades hasta los 20000rpm siendo su sensibilidad de 10V/1000 rpm.

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Transformador


e. Tacómetros de frecuencia o frecuenciómetros.- Miden la frecuencia de una

salida de corriente alterna . Pueden ser electromagnético u ópticos . El tacómetroelectromagnético utiliza una rueda dentada, unida al eje cuya velocidad se deseamedir, que al girar varía la reluctancia de un circuito magnético situado próximo a larueda , produciéndose pulsos de frecuencia f , que es proporcional a la velocidad degiro del eje.

f = K . ωEl tacómetro óptico es similar . En vez de una bobina lleva un emisor y

receptor de luz , fotodiodos, que forman una barrera que se interrumpe al pasar los dientes de la rueda.

4. Transductores de temperatura.

La temperatura es una magnitud que más se mide durante los procesos industriales. Se puedemedir mediante termorresistencias, termistores, termopares o pirómetros de radiación.

a. Termorresistencias.- Se denominan también RTD (Resistance Thermal Detector).

Está formado por un hilo muy fino de un metal característico, generalmente de Cu, Ni , W oPt . El más utilizado es el hilo de platino, se conoce al sonda como Pt-100 , y que posee unaresistencia de 100 Ω a 0º C . El hilo metálico se encuentra enrollado en un soporte de mica yprotegido por una cubierta de vidrio o cerámica.

La resistencia de la RTD varía potencialmente con la temperatura:

RT = R0 ( 1 + a t + b t2 )

Los coeficientes a, b se determinan midiendo la resistencia a la temperatura de fusióndel hielo, evaporación del agua y fusión del azufre ( 0ºC , 100ºC y 444,7ºC).

Valores de a y b para algunos metales:

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Metales a(ºC-1) b(ºC-2)

Niquel (Ni) 0,006600 -

Cobre (Cu) 0,004300 -

Platino puro (Pt) 0,003927 - 5,8 10-7

Platino impuro (Pt) 0,003850 -El montaje del aparato se realiza construyendo un puente de Wheatstone , formado por dos

resistencias fijas R1 y R2 , un potenciómetro RX y la RTD de platino . La conexión es la siguiente:

Se calibra el potenciómetro para que exista cortocircuito entre BC, es decir, que laintensidad registrada en el galvanómetro sea cero. Al tener los puntos B y C el mismo potencial:

R1 I1 = I2 RX

Rpt = R2

R1

. RX

R2 I1 = I2 Rpt

Sabiendo el valor de la resistencia del Pt a 0ºC , se podrá determinar el valor de latemperatura conociendo el valor de la resistencia R .

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b. Los termistores.- Son resistores cuya resistencia varía con la temperatura. Son

dispositivos electrónicos, pues están formados por semiconductores (RTD) . Los termistorespueden ser : NTC (Negative Temperature Coefficient) ; PTC (Positive TemperatureCoefficient) .

Como se aprecia en las curvas anteriores, el NTC, disminuye su resistencia con latemperatura, de acuerdo a una función exponencial:

RT=R0 . e . 1

T−

1T 0

. Posee un valor del coeficiente de resistencia, negativo y de

valor elevado . La variación de la resistencia es rápida y de una formaconsiderable si la variación de temperatura es relativamente pequeño. Laresistencia disminuye de forma continua. En el caso de la PTC , la variación de la resistencia se realiza por un cambio enla estructura cristalina del material . El cambio es muy rápido por lo que no seutilizan para medidas continuas, sino para medidas puntuales (activación de unaalarma) . Existe un brusco cambio de resistencia entre 70 a 100ºC

El circuito que se utiliza para la medida es de un divisor de tensión:

V R=V .R

RR0 . e . 1

T−

1T0

c. Los termopares. Un par termoeléctrico es un circuito constituido por dos

conductores metálicos diferentes, unidos por sus extremos, cuyas soldaduras se mantienen atemperatura diferente. En estas condiciones, por el efecto Seebeck se originará una fuerzaelectromotriz inducida. La f.e.m. originada depende de la temperatura del foco caliente:

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Curva característica de la NTC

VR


E = a + b t + c t2 + ... Normalmente el desarrollo en serie se termina en el término cuadrático y los valores de los

coeficientes no se tabulan sino que se obtienen por calibrado. En el caso del par Pt - Pt,Rh , secalibra con los puntos de fusión del antimonio (Sb) de la plata (Ag) y del oro (Au) . En la siguientecurva se representa la calibración de un par con a = 0, b>0 y c <0 . La temperatura a la que la f.e.m.cambia de signo, se denomina punto de inversión tn . El coeficiente de Seebeck , se denomina a lapotencia termoeléctrica : P = dE/dt :

E = b t + c t2 ;; P = b + c t , es decir, representa una recta que como c esnegativo, será de pendiente negativa:

Esta fórmula no es válida a temperaturas superiores a la de inversión. La potenciatermoeléctrica se mide en μV/ºC.

Las aleaciones que más se emplean son el Cromel (90 % de Ni y 10 % de Cr) , el Alumel(95 % de Al y 5 % de Ni) , el Constantán ( 55 % de Cu y 45 % de Ni) , el Platino- Rodio (90 % dePt y 10 % de Rh)

Los termopares más usados son los siguientes:TIPO Composición Margen de Temperaturas

º C

R , S , B Platino – Platino Rodio -50 hasta 1768

J Hierro – Constantán -210 hasta 760

K Cromel – Alumel -270 hasta 1372

T Cobre – Constantán -270 hasta 400

E Cromel – Constantán -270 hasta 1000

Una de las ventajas del termopar es la rápida respuesta a la variación de temperatura. Laseñal se puede incrementar utilizando un amplificador de señal e alta impedancia o utilizando variostermopares en serie entre la temperatura de referencia y la temperatura a medir.

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El montaje se aprecia en el gráfico siguiente:

d. Pirómetros de radiación.-Se utilizan para medir temperaturas superiores a 1063º C

Existen dos tipos de pirómetros: de radiación total y de radiación visible. Están basados en la ley de Stefan – Boltzmann que se enuncia diciendo que la energíaradiada por unidad de tiempo y por unidad de superficie de un objeto material, esdirectamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:

W = ε . σ0 . T4 ; ε, es la emisividad ( varía entre 0 y 1) σ0 , es laconstante de Stefan- Boltzmann = 5,67 10-8 W/(m2 K4) ; T , la temperatura absoluta y W el poderemisivo total, medido en W/m2.

Los pirómetros pueden ser:

a. De radiación total, o de Ferry ; consta de una lente convergente que recoge las radiacionesdel cuerpo emisor sobre un elemento sensible( termopila, célula fotoeléctrica, bolómetro, etc) ,transmitiendo los datos a una escala graduada en unidades de temperatura . Se utilizan paratemperaturas de alrededor de 1000º C.

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b.Ópticos . Utilizan la radiación visible que forma una banda muy estrecha de frecuencia ydeterminan la temperatura comparando la intensidad de esta radiación con la otra conocidaprocedente de una fuente auxiliar , como puede ser de un filamento de Wolframio , Se utilizan paramedir temperaturas entre un rango de 1500 a 3000º C

e. Termómetros magnéticos.- A temperaturas próximas a 1 K, los métodos anteriores

no valen. Para su medida se utilizan los termómetros magnéticos que se basan en lavariación de la susceptibilidad magnética χ , en función de la temperatura de las salesparamagnéticas . Estas sales obedecen a la ecuación de Curie: χ . T = cte. La susceptibilidadse mide calculando la autoinducción de una bobina que rodea a la muestra :

χ = μr - 1 ; L = .S . N 2

l

Siendo μ la permiabilidad magnética del medio; μr, la permeabilidad relativa ,S la superficie de la bobina y l su longitud. N es el número de espiras de la bobina.

5. Los transductores de presión.

Los transductores de presión se clasifican en: mecánicos, los electromecánicos y losdestinados a la medida de alto vacío.

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a. Transductores mecánicos.

Son dispositivos que miden la presión, de forma directa utilizado un fluido manométrico dedensidad y altura conocidas. Se usan los barómetros de cubeta, manómetro en forma de U , elmanómetro metálico, etc. Indirectamente se puede medir la presión mediante la deformación queexperimentan diferentes elementos elásticos que forman parte del transductor; por ejemplo podemosdestacar el tubo de Bourdon, elementos en espiral y en hélice, diafragma, fuelle... Los transductoresmás utilizados son los siguientes:

1. Manómetro de tubo en U. Se utiliza para medir presiones cercanas a la atmósfera yconsta de un tubo, en forma de U que utiliza como fluido manométrico el mercurio . Una de lasramas del manómetro se abre a la atmósfera y la otra rama se conecta al recipiente cuya presión sedesea medir. La presión será :

p = p0 ± ρ g h

Positivo es el caso que la altura del mercurio sea mayor en la rama abierta a la atmósfera.

2. Tubo Bourdon.- Es un tubo de sección elíptica cerrado por un extremo y curvado demanera que forma un anillo casi perfecto. Cuando se aplica una presión al fluido queexiste en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse, transmitiendo estemovimiento, mediante un sistema de engranajes, a una aguja que señala la presión enuna escala graduada.

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3. Elementos en espiral y muelle. Se forman enrollando un tubo de Bourdon, lo queda lugar a un desplazamiento considerable del extremo libre y a un movimiento másamplio de la aguja medidora.

4. Elementos de diafragma.- Consiste en una o varias cápsulas o diafragmascirculares soldadas entre si por sus bordes, de tal manera que a al aplicar unapresión , cada cápsula se deforma y la suma de todas estas pequeña deformaciones seamplifican por medio de un juego de palancas , transmitiéndose a la agujaindicadora.

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Espiral

Piñón

Tubo Bourdon Disco de angularidad

Sector dentado

Brazo de multiplicación

Ajuste a cero

Conexión al proceso

Manómetro de Bourdon


5. Elementos en fuelle.- Es un dispositivo semejante al diafragma, pero consta de una solapieza flexible en la dirección de su eje , permitiéndose dilatarse o comprimirseconsiderablemente a causa de la presión . Su extremo plano se mueve contra un resortecalibrado, produciéndose un desplazamiento medible por una aguja indicadora.

b. Transductores electromecánicos.

Combinan un transductor mecánico, como puede ser un tubo de de Bourdon con untransductor eléctrico que origina una señal . Pueden ser resistivos, capacitivos, extensiométricos,pie

1. Transductores resistivos.- La presión desplaza el cursor a lo largo de unaresistencia, por lo que ésta disminuye cuanto mayor sea la presión. Se emplean para

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Fuelle

Sector dentado


medir presiones altas (0 -300 Kg/cm2 ) o presiones bajas (0 -0,1 Kg/cm2) . Unejemplo de este tipo es el micrófono.

2. Transductores capacitivos.- Permiten calcular la presión mediante un diafragmametálico que constituye una de las armaduras de un condensador. Cualquier cambioen la presión, modifica la distancia entre las armaduras y por lo tanto la capacidaddel condensador. Mediante un conexionado similar al puente de Wheatstone esposible realizar su medida. Permiten medidas de presión en un margen bastanteamplio : de 0,05 -5 hasta 0,5 – 600 Kg/cm2

3. Galgas extensiométricas.- Permiten calcular la variación de resistencia eléctricaen función del diámetro (superficie) y la longitud. Estas variaciones tienen lugar enun hilo conductor o semiconductor al ser sometido a un esfuerzo mecánico debido auna presión.

R = R0 ( 1 + x ) ;; x = K . ε

R0 , es la resistencia eléctrica sin ningún esfuerzo aplicado .K .- Es el factor de sensibilidad de la galga. Depende del material y es necesario obtener su

valor por calibrado. Posee valores próximos a 2.

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ε , es la deformación por unidad de longitud. Es adimensional.

Las galgas pueden ser : cementadas y sin cementar.• Galgas cementadas.- Están formadas por varios bucles de hilo conductor muy fino pegados a

una hoja base de cerámica, de papel o plástico.• Galgas sin cementar.- Los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil

bajo una ligera tensión inicial.

Los dos tipos de galgas funcionan mediante el estiramiento o compresión, según su diseño,debido a la presión aplicada, modificando, por lo tanto, su resistencia. Para su utilización esnecesario que el esfuerzo medido se transmita íntegramente por ellas; es necesario que esténperfectamente adheridas a la superficie de la placa. Se utilizan usando un puente de Wheatstone,desequilibrando el puente cuando se produce un esfuerzo externo.

4. Transductores piezoeléctricos.- El efecto piezoeléctrico fue descubierto en el año1880 por Pierre y Jacques Curie; este fenómeno consiste en la aparición de cargaseléctricas en determinadas zonas de una lámina cristalina de algunos materialestallada siguiendo los ejes cristalográficos, en respuesta a una presión externa . Elcristal se coloca entre dos láminas metálicas de acero que recogen las cargaseléctricas, siendo posible la medida de las variaciones de presión por la transducciónde una diferencia de tensión. Presentan las buenas características de robustez y altasensibilidad. Los materiales piezoeléctricos pueden ser naturales como el cuarzo y laturmalina, su tensión de salida es débil; los artificiales son la sal de Rochelle , eltitanato de bario ( Ba Ti O4 ) y el zirconato de plomo ( Pb Zr O4 )

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Placa conductora

Cristal

V


c. Transductores de vacío.

Se emplean para medidas en alto vacío. Son dispositivos de gran sensibilidad, utilizándosepara presiones inferiores a 1 mm. Se pueden destacar tres procedimientos: el manómetro deMcLeod, los transductores térmicos y los de ionización.

1. El manómetro de McLeod.- En una de las ramas del manómetro, se recoge unvolumen de un gas cuya presión se desea medir; a continuación se comprimehaciendo ascender mediante un émbolo, el mercurio contenido en un depósito. Lapresión que realiza el gas comprimido se calcula midiendo la diferencia de nivelesque alcanza el mercurio en las dos ramas . La presión será igual a:

p = v

V−v.. g . h V .- volumen inicial del gas. v , el

volumen después de la compresión; ρ , la densidad del mercurio = 13600 Kg/m3 y h el desnivelentre las dos ramas. El mano´metro de McLeod, también llamado vacuómetro de McLeod, essencillo y económico . Se utiliza para medir presiones entre 0.0001 – 10 torr . En ocasiones secalibran para obtener mejores resultados.

2. Transductores térmicos.- La energía emitida por un filamento por el que pasa unacorriente eléctrica, es inversamente proporcional a la presión del gas ambiental. El transductor está formado por una lámina bimetálica y finas de metales diferentes .Los coeficientes de dilatación son muy diferentes entre si; al sufrir una dilatación,ésta lámina, inicialmente recta, se encorva. Basándose en los dos principiosanteriores, se construye el transductor bimetálico . La deflexión es proporcional a lapresión del gas.

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3. Transductor de ionización.-Se basa en la formación de iones en el seno de un gas ,siendo su velocidad de ionización proporcional a la presión del gas.

6. Transductores de iluminación.

1. Fotorresistencias

Las más utilizadas son las LDR (Light Dependent Resistor) que son resistores, cuya Resistenciaeléctrica depende del flujo luminoso que incide sobre ellas por unidad de superficie (Iluminancia).Estas resistencias se encuentran formadas por Si, Ge y otros materiales como son el In As o el In Sbque se colocan sobre un sustrato cerámico y se protege con una lámina transparente .

Existe una relación inversa entre la resistencia y la Iluminancia (medida en lux) . Laecuación resultante será :

R = R0 . L0

L

L , es la iluminación o luminancia, R, es la resistencia eléctrica y α es una constante que dependedel material y cuyo valor depende entre 0,7 y 1,5

La conexión de la LDR, es semejante a la de los termistores, usándose un divisor de tensión.Usándose valores elevados de resistencia para una gran iluminación, y valores pequeños deresistencia para poca iluminación (se utiliza un potenciómetro mejor que la resistencia R). Lacapacidad de respuesta de la LDR es muy lenta por lo que se utiliza para medidas estáticas, nuncapara medidas dinámicas.

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2. Fotodiodos.- Está basado en la conducción inversa de un diodo cuando se somete a laacción de la luz. Al incidir mayor intensidad de luz, aumenta la circulación de la corriente inversa.

3. Fototransistores.- Su funcionamiento es similar a un transistor, sabiendo que lacorriente de base es una intensidad luminosa . Trabajan en conmutación, pasan deconducir corriente a no conducirla. . Posee una sensibilidad más alta que la delfotodiodo , pero sus tiempos de respuesta son mucho mayores (es más lento) . Sonmás rápidos que la LDR.

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4. Elementos comerciales basados en sensores ópticos.- Los sensores ópticos formanparte de una gran cantidad de elementos comerciales, teniendo gran utilidad en ladetección de objetos, o transductores de proximidad o posición. Utiliza un emisor,que suele ser un LED de IR, que se activa cuando pasa corriente a través de él y queforma una barrera con un fototransistor o fotodiodo.

Para su utilización se recurre a circuitos electrónicos, como por ejemplo el que sigue:

Las células fotoeléctricas se emplean en alarmas antirrobo, semáforos de tráfico ypuertas automáticas. El circuito se activa al cortarse el rayo de luz lo que provoca laactivación del relé .

Las células fotoeléctricas se pueden clasificar en :

a. De barrera .- La células se compone de dos módulos, un emisor ( el LED de IR u óptico) y

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Relé actuador

Par Darlington . Se suele usar integrado en una cápsula pon tres patillas MPSA14


otro el receptor, el fotodiodo o fototransistor. Es el caso representado anteriormente.

b. De reflexión. El LED emisor y el receptor se encuentran en el mismo encapsulado ,siendo necesario un espejo para que el haz de luz se refleje e incida sobre el receptor.

c. De proximidad.- El emisor y el receptor se encuentran situados en el mismoencapsulado . Detecta el paso de un objeto próximo a ella. El componente CNY70,lleva incorporado el emisor y el detector.

El dispositivo electrónico montado es el siguiente :

Existen dos forma de montar el dispositivo CNY70.:a. En esta conexión, el circuito proporciona a la salida una señal de poca intensidad

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cuando el haz de IR no se refleja y una señal de más intensidad cuando el haz serefleja sobre el material.b. En este circuito, , proporciona una señal intensa cuando el haz no se refleja y unaseñal poco intensa cuando el haz choca con un material reflectante.

Problema 3.- Una RTD de platino presenta a 0ºC una resistencia de 100 Ω. ¿Cuál será latemperatura cuando la resistencia pase a 235 Ω ?

Resolución : R = R0 ( 1 + α . t ) ;; α = 0,003927 ;; t = R−R0

R0.= 344 º C

Problema 4.- En un vacuómetro de McLeod 100 cm3 de un gas se comprimen a 2 cm3 y eldesnivel del mercurio en las dos ramas es de 4 cm. ¿Cuál es la presión del gas?

Resolución.- p – p0 = ρHg . h . g = 13600 ( Kg/m 3 ) .4 10-2 (m) 9,8 (m/s 2)

p = 0,05267 at = 40,03 mm de Hg ; p = V 1. p1

V 2=

2.40,03100

= 0,80 mm de Hg.

Problema 5.- Una galga extensiométrica , cuyo factor de sensibilidad es K = 2 , poseecuando se encuentra sin deformar una resistencia de 4000 Ω . Se fija a una pletina de acero de25 mm2 de sección , de módulo de Young E = 2,2 105 (N/mm2) a la que se aplica una fuerza detracción e 8000 N. Calcular la nueva resistencia de la galga.

Resolución.- R = R0 ( 1 + x ) ;; x = K . ε ;; σ = E . ε ;; =

E= 1,45 10-3

R = 4000( 1 + 2 . 1,45 10-3 ) = 4011,6 Ω

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CIDEAD. 2º Bachillerato.2 Trimestre .Tecnología Industrial ...€¦ · al calibrado, se desactiva la bomba, impidiendo que llegue más fluido al depósito. c. En un montacargas