Sensore res s y actu tua adore res s
Capít ítu ulo 6.
CAPITULO VI-I Sensores para control de fluidos Sensores de presión
Sensore res s y actu tua adore res s
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Sensores de presión
CONCEPTOS GENERALES La presión está definida como la fuerza por unidad de superficie: p= F/A ( 6 .1 ) En el sistema internacional de medidas (SI) está normalizada en pascal, el cuál a su vez es igual a 1Neton!m"# $ se diferencian: La presión a%soluta, &ue se mide con relación al cero a%soluto de presión La presión atmosf'rica es la presión eercida por la atmósfera terrestre# La presión relativa es la determinada por un elemento &ue mide la diferencia entre la presión a%soluta la presión atmosf'rica# La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones El vac*o es la diferencia de presiones entre la presión atmosf'rica la presión presión a%s a%solu oluta, ta, cuan cuando do esta esta es menor enor a la atmos atmosf'rica f'rica## ● ● ●
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Sensores y actuadores
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Sensores de presión
CONCEPTOS GENERALES: Unidades de medida # Sistema Métrico: kgf/cm². # Países de habla inglesa: PSI (pound/square inch). Conersi!n: " libra $%&'" g * " pulgada +%'& cm 1 kg/cm² = 14,223 PSI
Unidades más utilizadas:
" atm ,$ mm-g($C) ,+%& mm-g(+$C) "$.'" mmca(+$C) "%$ g0/cm1 "&%2 PS3 "$"%+' pa(4/m1) "%$"+' bar &$,%+ 5-+6.
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Sensores de presión
CONCEPTOS GENERALES Los instrumentos de presión pueden clasificarse en función del mecanismo de transducción en: mecánicos (com+nmente llamados manómetros): diferenciándose los primarios (tu%os , %arómetros otros &ue no tienen aplicación en industrias), los de tu%o %ourdon, los de diafragma, los de fuelle los de presión a%soluta# ●
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Electromecánicos!electrónicos
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INSTRUENTOS ECANICOS: !"#$d"n - nivel industrial los elementos mecánicos más empleados son el tu%o .ourdon, el espiral , el /elicoidal, el diafragma el fuelle# El tu%o .ourdon es un tu%o de sección el*ptica &ue forma un anillo casi completo el tu%o se encuentra cerrado en un e0tremo# -l aumentar la presión dentro del tu%o, este se deforma, el movimiento se transmite a la agua indicadora# Empiricamente se /alla el tu%o adecuado al rango de presión deseado#
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INSTRUENTOS ECANICOS: !"#$d"n El elemento en espiral se forma arrollando el tu%o .ourdon en forma de espirar alrededor de un ee com+n# En el /elicoidal se aplica el mismo concepto, pero sólo &ue en forma de /'lice# on estas caracter*sticas se o%tiene una maor longitud de desplazamiento de la agua indicadora, favoreciendo su aplicación a sistemas registradores#
P
P
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INSTRUENTOS ECANICOS: %ia&$a'ma El manómetro a diafragma consiste un una o varias cápsulas circulares conectadas r*gidamente entre s* por soldadura, de forma &ue al aplicar la presión, cada cápsula se deforma la suma de los pe&ue2os desplazamientos es amplificada por un uego de palancas# El material del diafragma es normalmente aleación de n*&uel o inconel# Se utiliza en pe&ue2as presiones# 4
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INSTRUENTOS ECANICOS: F#ee El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza fle0i%le a0ialmente puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considera%le# Los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración de /asta algunos millones de ciclos de fle0ión# El material empleado es usualmente %ronce fosforoso# Se emplea para pe&ue2as presiones#
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P76C8S6
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INSTRUENTOS ECANICOS: P$esin a*s"#+a #Estos manómetros contiene dos fuelles resortes, estando uno de los fuelles sellado al vac*o# El movimiento resultante de los dos sistemas genera la suma de la presión del fluido más la presión atmosf'rica# Es el mismo principio de un manómetro diferencial, sólo &ue este es más general puede conectarse a cual&uier otra presión diferente de la atmosf'rica#
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INSTRUENTOS ECANICOS: Se"s Es necesario utilizar sellos entre el instrumento el fluido cuando: a) El flu*do de proceso es corrosivo para el dispositivo de medición# %) El flu*do es un gas o vapor con posi%ilidad de condensación por disminución de la temperatura durante la medición, por eemplo: vapor de agua# c) El flu*do es un l*&uido con sólidos en suspensión# d) El flu*do es un l*&uido pastoso# e) El flu*do tiende a cristalizarse con la variación de temperatura al ser aplicado al medidor, por eemplo: petróleo, asfalto#
f) El flu*do no puede depositarse so%re el dispositivo de medición, por eemplo: medicamentos, alimentos# g) El flu*do es peligroso#
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INSTRUENTOS ECANICOS: Ran'"s Instrumento
3ango
.ourdon 6#7 8 9666 %ar Espiral 6#7 8 "766 %ar elicoidal 6#7 8 7666 %ar ;iafragma 76mmcda<"%ar =uelle 166mmcda<"%ar 4resión a%s# 9<>96mmga%s
Error de span 5 6#7 a 1 6#7 a 1 6#7 a 1 6#7 a 1 6#7 a 1 1
4resión estática má0ima 9666 %ar "766 %ar 7666 %ar " %ar " %ar -tmosf'rica
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INSTRUENTOS ECANICOS: E,emp" En un sistema de %om%eo de agua a un tan&ue cisterna desde un pozo artesiano, se desea instalar un manómetro para mantener controlada la presión de %om%eo desde el pozo# ?u' tipo de manómetro elegir*a@
4I 3e%alse .om%a
Aan&ue Salida
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INSTRUENTOS ECANICOS: E,emp" 4ara un sistema de aspiración de polvo en una procesadora de cereales &ue tipo de manómetro elegir*a@ 4I
ompresor de aspiración
olector de polvo
Silo de cereales
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Estos sensores utilizan igualmente dispositivos mecánicos elásticos, com%inados con un transductor el'ctrico &ue genera la se2al el'ctrica correspondiente# El elemento mecánico puede ser un tu%o de .ourdon, espiral, /'lice, diafragma o fuelle o com%inaciones de todos estos# 4or el principio de transducción se pueden agrupar en: 3esistivos Bagn'ticos apacitivos E0tensom'tricos 4iezoel'ctricos
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Resis+i-"s: La variación de movimiento del elemento mecánico (normalmente un tu%o .ourdon) se com%ina con un sistema de variación de resistencia por potenciómetro# Este puede ser una %arra continua o un arrollamiento en %o%ina# El material utilizado como resistencia puede ser el grafito# Ceneralmente esta resistencia forma parte de un puente de D/eatstone# Estos transductores son simples permiten el maneo de potencias de se2al suficientes para no usar amplificadores## Sin em%argo no poseen una alta resolución son sensi%les a vi%raciones a las condiciones am%ientales# El rango de tra%ao está definido por el transductor mecánico
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Resis+i-"s: P= ./A
(6.0)
;onde: H:onstante del fuelle -:Sección del fuelle 0:Elongación del fuelle R()= $. (6.) ;onde r: 4aso de variación de resistencia en /m!mm P=. R()/(A.$) (6.2)
4resión =uelle 3esistencia ursor alores usuales de error: 1< "5 span 3ango: 6 a F66 Gg!cm"
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS a'n3+i4"s
Inductancia varia%le
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na aplicación usual es la de un L;A, en el cuál el n+cleo está vinculado a un diafragma# uando este se deforma por efecto de la presión, mueve el n+cleo var*a el nivel de acoplamiento entre el primario los secundarios# on esto se aprovec/a todas las ventaas de los L;A: pe&ue2os, ro%ustos %uena resolución
P
U!
U "p
"s
"s !
Error usual: 15 de span
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS a'n3+i4"s
3eluctancia varia%le
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Se componen de un electroimán o de un imán permamente un n+cleo ferromagn'tico móvil# Este n+cleo puede ser desplazado por medio del tu%o %ordoun o un diafragma, variando la reluctancia del circuito magn'tico por ende la inductancia de una %o%ina presente en el circuito#
.ourdon /elicoidal
JL
N+cleo móvil
Error t*pico: 6#75 de span
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS a'n3+i4"s
3eluctancia varia%le
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.ourdon /elicoidal
P= .5/A (6.) ;onde K:-ngulo de giro del n+cleo L(5)= N0/R=N0.A.78 7$ /* 7$= m. 5
(6.6)
;onde m: es la variación de permea%ilidad relativa por cada grado de giro# P=. L(5).*/(N0.A0. 78 m)
(6.9)
JL
N+cleo móvil
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS
Capa4i+i-"s: Se %asan en la variación de capacidad &ue se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión#
;C876 3;<7;=M; ;3S?;4@8 A3736 CERÁMICA POROSA
3;<7;=M; S84S67 P?;C;S 8? C;P;C3@67
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS
Capa4i+i-"s: La placa móvil tiene forma de diafragma está entre dos placas fias# ;e este modo se tienen dos condensadores, uno de capacidad fia otro varia%le#
4resión
sal#
C= .A/d
scilador =
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS
Capa4i+i-"s: Los transductores capacitivos se caracterizan por su pe&ue2o tama2o construcción ro%usta# Su se2al de salida es d'%il por lo &ue precisan de amplificadores con el riesgo de introducir ruidos# -s* tam%i'n son sensi%les a las variaciones de temperatura oscilaciones mecánicas#
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Sensores de presión
INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Ga'as e+ensi"m3+$i4as Se configuran normalmente en dos formas: Se forman varios %ucles de /ilo fino se fian a un folio plástico cerámico o papeles especiales con caracter*sticas fle0i%les, de modo &ue soporten tracción# Los %ucles resisitivos se encuentran dentro de una estructura armada, siendo móvil una de paredes del armazón, d emanera &ue puede transmitir la presión &ue reci%e a la galga# La galga normalmente forma parte de un puente D/eatstone, con una pe&ue2a tensión nominal, operando el puente en condición de e&uili%rio# ual&uier variación de presión &ue mueva el diafragma del transductor cam%ia la resistencia de la galga dese&uili%ra el puente# ●
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Sensores de presión
INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Ga'as e+ensi"m3+$i4as La disposición de las galgas en el sistema de medición de%e responder a la aritm'tica del puente D/eatstone, en función al resultado deseado:
La relación entre tensión de alimentación la tensión del puente, en un circuito formado por galgas responde de la siguiente manera: o! es proporcional a la suma alge%raica de los cam%ios en %razos opuestos (1 F " M) o! es proporcional a la diferencia alge%raica de los cam%ios en %razos adacentes( 1 " " F F M M 1) ●
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Ga'as e+ensi"m3+$i4as
Eemplo: a) Si en las resistencias 1 F ocurren cam%ios de resistencia de igual magnitud signo, de modo &ue J3 1J3 F, valdrá la relación: o! "J3 1 %) Si el cam%io de resistencia entre estas es de signo contrario, la salida será 6# c) Si en las resistencias 1 ocurren cam%ios de resistencia de igual magnitud signo, la salida será 6# d) Si estos fueran del signo contrario, la relación será igual a a)
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Ga'as e+ensi"m3+$i4as En la aplicación por tracción se fian las galgas al diafragma# Este se deforma al estar sometido a presión la deformación dese&uili%ra el puente#
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INSTRUENTOS ELECTROECANICOS Pie;"e34+$i4"s
Los elementos piezoel'ctricos son materiales cristalinos &ue, al deformarse f*sicamente generan una se2al el'ctrica# Los cristales más usados son el cuarzo el titanato de %ario, con alta resistencia a la temperatura# Su se2al de respuesta a una variación de presión es lineal adecuados para medir rápidas variaciones de presión# Su se2al de salida es d'%il necesita amplificación#
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Sensores y actuadores Sensores de presión
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