UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD  DE  INGENIERIA    

     

    POSGRADO  DE  INGENIERIA  CIVIL         GEOTÉCNIA  

      NOMBRE  DE  LA  MATERIA:    

    LABORATORIO  DE  MECANICA  DE  SUELOS    

    TAREA  1         ELEMENTOS  DE  METROLOGIA  

   

    NOMBRE  DEL  PROFESOR:       DR.  EFRAIN  OVANDO  SHELLY    

    DR.  OSVALDO  FLORES  CASTRELLÓN         ING.  GONZALO  ROQUE  PATIÑO  

      NOMBRE  DE  LA  ALUMNA:    

    CANO  IBARRA  MARIA  DEL  CARMEN    

     

MÉXICO, D.F. A 31 DE AGOSTO DE 2015

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INCISO 1 DEFINA A DETALLE Y SI ES POSIBLE CON ESQUEMAS, LOS SIGUIENTES CONCEPTOS DE METROLOGIA:

a) TRANSDUCTOR b) SENSOR c) CALIBRACIÓN d) PRECISIÓN e) EXACTITUD f) LINEALIDAD g) REPETIBILIDAD h) HISTERESIS i) PORCENTAJE DE ERROR j) ERROR k) CURVA DE CALIBRACIÓN l) CURVA DE APROXIMACIÓN

INCISO 2 DESCRIBA EL PRINCIPIO DE TRABAJO DE LOS SENSORES DE DESPLAZAMIENTO: LVDT Y DCDT INCISO 3 DESCRIBA EL PRINCIPIO DE TRABAJO DE UN TRANSDUCTOR DE REACCIÓN ELASTICA (CARGA Y PRESIÓN) INCISO 4 DEFINA LAS CARACTERISTICAS Y FORMA DE TRABAJO DE UN STRAIN GAGE ( UN CUARTO DE PUENTE, MEDIO PUENTE Y PUENTE COMPLETO)

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DEFINA A DETALLE Y SI ES POSIBLE CON ESQUEMAS, LOS SIGUIENTES CONCEPTOS DE METROLOGIA:

a) TRANSDUCTOR: Es un dispositivo que convierte una señal de un forma física en otra señal correspondiente que tiene una forma física diferente, para facilitar la medición. Por lo tanto es un convertidor de energía. Esto significa que la señal de entrada siempre tiene energía o potencia. Pero en un sistema de medición de uno de los dos componentes de la señal medida, se multiplica para producir energía, por lo general es tan pequeño que es despreciable, y por lo tanto se mide solo el componente restante. Cuando se mide una fuerza, por ejemplo, suponemos que el desplazamiento en el transductor es insignificante, es decir, que no hay efecto de “carga”. De lo contrario, podría ocurrir que la fuerza medida no puede entregar la energía necesaria para permitir el movimiento. Pero siempre hay un poder tomada por el transductor, por lo que debe asegurarse de que el sistema de medida no es perturbado por la acción de medición. Existen 6 tipos de señales las cuales son: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y químicas cualquier dispositivo de conversión de señales de un tipo a las señales de otro tipo diferente se considera que es un transductor. Las señales de salida pueden ser de cualquier forma física útil. En la practica, sin embargo, solo los dispositivos que ofrecen una salida eléctrica son llamados transductor. Por lo tanto un transductor es el dispositivo que transforma una variable física (fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en una salida eléctrica. Esto es porque las señales eléctricas se utilizan en la mayoría de sistema de medición.

Por lo tanto es un dispositivo que toma la energía del sistema que mide para dar una señal de salida que pueden ser traducidas en una señal eléctrica y que corresponde a la cantidad medida. Existen mas definiciones sobre transductor aunque son similares a la mencionada anteriormente, por ejemplo mencionare otra definición que maneja el autor IIene J. Busch-Vishniac: Él define a un transductor como un dispositivo multipuerto en el que las impedancias de entrada no es igual a la impedancia de salida. El transductor tiene al menos dos lugares o puertos en el que se produce un intercambio de energía.

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b) SENSOR: Se define como un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales o sea recibe una señal o estimulo y responde a este con una señal eléctrica de salida. Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que esta relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la temperatura. Al elemento sensor más un circuito, la unión de los dos constituye el transductor.

Algunas características del sensor: La naturaleza de la señal que el sensor-transductor genera: voltaje, rango de amplitud, respuesta en frecuencia, precisión necesaria, determinan el tipo de acondicionamiento de señal, convertidor A/D y cualquier otro hardware a utilizar. La influencia de las señales de ruido así como los efectos de carga del hardware adquisición de datos sobre el sensor. Existen varias formas de clasificar los sensores: por ejemplo se pueden clasificar por el principio físico de funcionamiento (inductivo, capacitivo, termoeléctrico o resistivo etc.), por la variable física medida (temperatura, presión, posición etc. por la capacidad de generar energía (activos) o de necesitar de un circuito de excitación (pasivos). En este trabajo se estudian los sensores de acuerdo al tipo de variable física medida.

c) CALIBRACIÓN: Es el procedimiento utilizado para ajustar la salida del sensor sobre su rango completo de medida, tratando que este ajuste coincida al máximo con una serie de valores conocidos, los cuales son obtenidos de patrones de la magnitud a medir. También se define como un conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones especificas, la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición, sistema de medición, valores representados por una medida materializada o un instrumento o un material de referencia y los valores correspondientes a las magnitudes establecidas por los patrones.

d) PRECISIÓN: Propiedad que distingue la capacidad que tiene un

instrumento de medida, de brindar indicaciones muy aproximadas al valor verdadero de la magnitud medida. También queda definida como la capacidad de medir el mismo valor repetidas veces en idénticas condiciones.

e) EXACTITUD: Es la cercanía de una indicación o lectura de un dispositivo

de medición, al valor actual de la cantidad que esta siendo medida. Generalmente expresada en un porcentaje de la escala total de lectura. Es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles mas el error en la exactitud de calibración del transductor. También se define como el grado de concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero (o real) de lo medido (el mensurado).,

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f) LINEALIDAD: Habilidad del transductor para producir una señal de salida,

que sea directamente proporcional a la amplitud de entrada.

g) REPETIBILIDAD: A este se refiere a la capacidad que posee un sensor de brindar los mismos valores de salida cuando se le aplica repetidamente el mismo valor de magnitud medida, bajo las mismas condiciones y en la misma dirección. Se define también al grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de un mismo mensurado, llevadas a cabo totalmente bajo las mismas condiciones de medición.

h) HISTERESIS: Este se refiere a al máxima diferencia que se da entre las

señales de salida correspondientes a un mismo valor de medida o de entrada. Esta se define como la dependencia de la salida del sensor de la respuesta anterior. Esta es muy común en sistemas magnéticos y mecánicos.

i) PORCENTAJE DE ERROR:

j) ERROR: Diferencia algebraica entre el valor indicado y el valor verdadero

de la medida.

k) CURVA DE CALIBRACIÓN: Línea determinada por la información de respuesta de calibración de un instrumento. Función matemática producida por la regresión de las respuestas del detector registradas durante la calibración de un instrumento. La función describe las respuestas del detector a lo largo de un rango de concentraciones y es utilizada para predecir la concentración de una muestra desconocida, basándose en la respuesta del detector.

l) CURVA DE APROXIMACIÓN:

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A. DESCRIBA EL PRINCIPIO DE TRABAJO DE LOS SENSORES DE DESPLAZAMIENTO: LVDT Y DCDT.

• Dispositivo LVDT:

Un dispositivo usado frecuentemente para medir desplazamiento lineales lo constituye el LVDT. El mismo consiste de un transformador diferencial con un primario y dos secundarios conectados en serie pero en oposición de manera que sus flujo magnéticos tiendan a cancelarse como se indica en la figura 1. El núcleo del transformador se desplaza sin roce de tal forma que el numero de enlaces de flujo comunes entre el primario y alguno de los secundarios depende de la posición dl núcleo móvil El dispositivo LVDT consiste en dos componentes: Un cuerpo hueco cilíndrico que contiene dos bobinados secundarios idénticos, los cuales estás posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina. Su funcionamiento consiste se aplica una señal alterna de excitación al bobinado del primario, genera un campo magnético que se acopla a los bobinados del secundario a través del núcleo de ferrita móvil, por esto se inducen voltajes en los secundarios. Cuando el núcleo esta centrado entre los dos secundarios, los voltajes inducidos en ambos secundarios son iguales y puesto que están conectados en serie en oposición, el voltaje final será cero. Si el núcleo se mueve en dirección del secundario 1, el voltaje incrementa, y el voltaje de secundario 2 decrece; de este modo el voltaje neto final V1-V2 y será de la misma polaridad que el de referencia. Si el núcleo se mueve en dirección opuesta, V1-V2 será de polaridad opuesta. De este modo, como que el núcleo de ferrita se mueve a lo largo de su eje, dentro del LVDT, el voltaje de salida empieza con una polaridad, decrece completamente a cero, después incrementa con polaridad opuesta, todo de una manera continua y suave. Las principales ventajas de este tipo de transductor son su sensibilidad y lo poco que son afectados por la humedad.

Figura Nº 1 Diagrama de un LVDT

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• Dispositivo DCDT: Este tipo de dispositivo es utilizado para la medición de pequeños desplazamientos con gran precisión. El mismo está formado por tres discos metálicos dispuestos en planos paralelos y alineados por sus ejes. Los dos externos están fijos y el del medio está mecánicamente acoplado al dispositivo cuyo desplazamiento se desea medir. El sistema forma entonces un circuito de dos condensadores variables conectados en serie con valores que vienen dados por una formula: donde ε es la permitividad relativa del material, ε0 la permitividad del vacío de magnitud 8.85 pFm-1, A el área de las placas. Cuando la distancia entre la placa móvil y una de las fijas se incrementa en una cantidad x, la distancia de la placa móvil a la otra placa se reduce en la misma cantidad, como se observa en la figura 7.15. La misma figura muestra un circuito puente de corriente alterna que puede ser empleado para la medición de desplazamiento con este tipo de transductor.

Figura Nº 2 Circuito y transductor DCDT

El voltaje de salida se encuentra relacionado con los parámetros del sistema de acuerdo a la siguiente ecuación: Las limitaciones de este transductor están dadas por la linealidad de la impedancia capacitiva ante de la distancia, es decir la distancia entre las placas debe ser muy pequeña en comparación con el diámetro de las placas. Este tipo de transductor es muy similar a LVDT, la única diferencia es que la corriente en este tipo de transductor es directa y una eliminada.

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B. DESCRIBA EL PRINCIPIO DE TRABAJO DE UN TRANSDUCTOR DE REACCIÓN ELASTICA (CARGA Y PRESIÓN).

C. DEFINA LAS CARACTERISTICAS Y FORMA DE TRABAJO DE UN STRAIN GAGE ( UN CUARTO DE PUENTE, MEDIO PUENTE Y PUENTE COMPLETO).

Las Galgas extensiometricas o llamadas Strain Gage en Inglés, es un procedimiento ampliamente utilizado para convertir las deformaciones en señales eléctricas proporcionales, como se observa en le fig, 2, estas 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.

Figura Nº 2 Construcción básica de una galga extensiométrica En las pruebas y mediciones mecánicas, es importante entender como un objeto reacciona a varias fuerzas. Cuando uno mide esfuerzo, uno mide la cantidad de deformación que un cuerpo sufre debido a las fuerzas aplicadas, usando un strain gage. Lo primero que se hace es disponer al strain gage sobre la pieza de prueba, aplicar la fuerza y medir el esfuerzo detectando cambios en resistencia. Idealmente, nos gustaría que la resistencia del strain gage varíe sólo con la fuerza aplicada. Sin embargo, los materiales del strain gage, las pistas de cobre y la pieza de prueba a la que la galga se encuentra sujeta también responden a cambios de la temperatura. Los efectos relacionados con la temperatura son los principales causantes de errores de medición de esfuerzos. Si utilizamos dos o cuatro galgas sobre un puente de Wheatstone, podemos minimizar los efectos de la temperatura. Estas configuraciones son conocidas como medio puente y puente completo, respectivamente. Con todos los strain gages sobre el puente a la misma temperatura y montados sobre el mismo material, cualquier cambio en la temperatura afectará a todas las galgas de la

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misma manera. Puesto que los cambios de la temperatura son idénticos en todas las galgas, la relación de sus resistencias no varía, y el voltaje de salida de cada galga tampoco. La manera más fácil para corregir las variaciones causadas por la temperatura (“drift”) es mediante la utilización de configuraciones de medio puente y puente completo.

Figura Nº 3 Configuración de medio puente

Figura Nº 4 Configuración de puente completo

Existen varios tipos de galgas extensiometricas, dentro de las cuales se pueden mencionar:

• Galgas extensiométricas semiconductoras: el elemento sensible es una banda decristal semiconductor con cierto grado de contaminación. Su salida no es lineal con respecto a la deformación unitaria pero presentan histéresis y tienen una larga vida con respecto a la fatiga.

• Galgas extensiométricas de resistencia eléctrica: cuando se sujeta una longitud de cable dentro de su límite de tensión, ocasiona que se incremente la longitud, que se de un decremento del diámetro, y que cambie su resistencia eléctrica, entonces el material conductor es unido a un elemento elástico en condiciones de deformación, y es posible medir el cambio en la resistencia y con esto se puede calcular la fuerza. Para la fabricación de este tipo de galga se utilizan aleaciones de Nikel-Cromo, Cobre-Nikel, Platino-Tungsteno.

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BIBLIOGRAFIA:

• http://www.oocities.org/iel_115/archivos/capitulo3.pdf

• SENSORS AND SIGNAL CONDITIONING RAMON PALLAS-ARENY/JOHN G. WEBSTER

• ELECTROMECHANICAL SENSORS AND ACTUATORS IIENE J. BUSCH-VISHNIAChhbbhh

• http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Strain_Gages_1.pdf

• http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Strain_Gages_1.pdf