5.1.2 sensores cap4

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

4 SENSORES

Por: Mauricio Rueda S. Ingeniera Mecnico Universidad Industrial de Santander Para realizar el estudio de cualquier fenmeno fsico, tal como sucede con la produccin de fri, calor y condiciones necesarias para el confort humano como es el caso del HVAC, el poder manipular dicho fenmeno y ajustarlo segn las necesidades de uno mas usuarios, necesitamos conocer el comportamiento de las principales variables fsicas que intervienen en el proceso. Segn lo anterior, antes de abordar el anlisis de los diferentes sistemas de control y las posibilidades de aplicacin, analicemos las principales variables de operacin de los sistemas, desde la evolucin de los equipos usados para convertir el fenmeno fsico en una variable susceptible de medir. Para nuestro estudio nos centraremos en Temperatura, presin, Humedad y Flujo. 4.1 SENSORES DE TEMPERATURA Dentro de estos elementos se incluyen los elementos bimetalicos, los capilares con gases y los bulbos cargados con gases o refrigerantes, los posteriores desarrollos en electricidad y electrnica de componentes permitieron la evolucin a los sensores electrnicos que trataremos mas adelante. 4.1.1 Elementos Bimetalicos El elemento bimetalico fue el ms popular de los sensores utilizados, posee dos delgadas placas de elementos metlicos de diferente coeficiente trmico unidas. El efecto de la temperatura en el elemento compuesto hace que el elemento se curve en la direccin de la mayor deformacin producida por el cambio en la temperatura en uno u otro elemento.

Fig. 1. Esquema de un elemento bimetalico.

El movimiento resultante es usado para variar la presin de un puertote control neumtico, o para abrir o cerrar un contacto elctrico. El elemento es fabricado normalmente con cobre que es el elemento con alto coeficiente trmico y metal de Invar., el cual tiene un muy bajo coeficiente trmico. En la figura se aprecia el movimiento de un elemento bimetalito calentado. Estos elementos tambin son fabricados en forma de espira para forzar un movimiento de rotacin en respuesta a la temperatura. Otro sensores de temperatura en ambiente es el de tipo bulbo, fabricado en cobre y cargado con vapor termo sensible, el cual no es condensable a los rangos de temperatura de operacin. Los cambios en la temperatura producen la expansin o contraccin del gas. En el caso en que estos equipos se usan como controladores simples, un resorte limitara el set point y el limite de expansin. Los bulbos y elementos capilares son usados en tanques, ductos, tuberas y locaciones remotas al controlador.

Ing. Mauricio Rueda Santos


Fig. 2 Sensor tipo Bulbo y Capilar

4.1.2 Sensores Electrnicos de temperatura Suministran una seal variable (anloga) y proporcional a un cambio de temperatura. Clasificacin. -Resistor Temperature Devises (RTDS) Componentes de resistencia a la temperatura. . -Thermistores: sensores de temperatura por resistencias de estado slido, con un coeficiente de temperatura negativo -Thermocuplas: Generan su propio voltaje en funcin de la temperatura.( Termopar) Las RTDs poseen un coeficiente de temperatura positivo, su resistencia aumenta con la temperatura. El controlador tiene que enviarle corriente al sensor y medir la variacin del voltaje a travs de su resistencia. La cada de voltaje debe ser proporcional al cambio en la temperatura. Al administrar corriente a la resistencia, cierta cantidad de calor es producido dentro del sensor, causando un error en la lectura de la temperatura, este error es mas pronunciado en los RTDS de baja resistencia. Otro factor influyente es el que la baja resistencia del sensor hace que el error inducido por la resistencia d los alambres del sensor sea mayor. Se puede por lo tanto asumir que los sensores con resistencias de poco valor numrico son de menor resolucin, calidad y precio. La menor resoluciones el sensor causa que el controlador tenga que ser mas sofisticado en su diseo para obtener resultados con poco error. Esto no aplica para el caso en el que se suministra un transmisor.

Fig.3 Transmisor usado para Optener seal de una RTD de 1000 Ohm.

Los valores de los RTDs de uso en la industria varian de 100 a 2000 ohms de resistencia. Los de mayor uso son los de 100 y 1000 ohms. Dentro de los materiales mas utilizados para la fabricacin de estos sensores estn: 1. Alambre Balco: Compuesto de dos materiales, 705 NIQUEL Y 30% HIERRO.



2. Platino: Donde el sensor mas usado es de 1000 ohms. Estas resistencias son muy estables y responden rpido a cambios de temperatura. Son usados en aplicaciones de alta resolucin. Circuitos Integrados: Son compuestos de xidos metlicos, comprimidos y tratados con calor hasta obtener una masa densa y no porosa. El material es entonces recortado hasta obtener su correcta resistencia a 25 C. Despus sus alambres elctricos son conectados, todo el sensor es tratado con qumicos en forma repetida y finalmente cubierto con material plstico especial. El plstico y la longitud minima de los alambres conectados mantienen la humedad fuera del sensor. La humedad puede con facilidad arruinar las propiedades del termistor. Para especificar un termistor es importante consultar sus curvas de rendimiento y la tolerancia. La curva de rendimiento para los termistores no es lineal:

Fig. 4 Curvas de Temperatura Vs Resistencia

La otra linealades de importancia para escoger un buen inealad es su estabilidad durante cierta cantidad de aos ( 0.25 F en un buen numero), y por su certeza con proporcin al rango del sensor por los general +0.35 esta bien. Los Thermistores son los sensores mas usados por su bajo costo. En sistemas y controladores de baja resolucin y por lo tanto menor costo, no justifica usar un sensor de alto rendimiento. inealades la tarea de escoger el tipo de sensor es simplificado por el controlador ya que esta dictara el tipo de sensor que se puede aceptar. Las Termocuplas: Son fabricados usando y uniendo dos metales de diferentes inealades. Cuando estos metales son sometidos a alta temperatura, un voltaje en mini-voltios es generado. Este voltaje es proporcional y ineal al cambio de temperatura. Este principio fue descubierto por Tomas Seebeck en 1821. La mas comn de las termocuplas es la fabricada de Cobre-Constantan. Aleacin de cobre y Nikel. ( Tipo T ) En la grafica observamos la medicin del voltaje que se genera por la diferencia en la conductividad elctrica de los dos metales, al ser expuestos al calor.



Fig. 5 Esquema del Principio de Operacin de Una Termocupla.

Este tipo de sensor es usado mayormente en sistemas de proceso industrial donde existen temperaturas que sobrepasan los 1000 C. Algunas de las termocuplas mas utilizadas y sus rangos de operacin son: Tipo J. Compuesta por hierro Vs Cupro-Niquel. Rango de 0-750 C Tipo K. Compuesta por Nikel Cromo Vs Nikel Aluminio Rango -200 a 1250 C Tipo E. Compuesta por NIkel Cromo Vs Cobre-Nikel. Rango -200 a 900 C. Tipo T. Compuesta por Cobre Vs Cobre-Nikel Rango de -200 a 350 C Tipo S. Compuesta por Platinio-10% Rodio Vs Platino Rango de 0 a 1450 C Tipo B, Tipo R y tipo N son variaciones en las composiciones de los anteriores. Para realizar una seleccin acertada del elemento de medicin a usar , adjuntamos la siguiente tabla en donde se detalla las principales ventajas y desventajas de los diferentes tipos disponibles.

Fig.6 Cuadro Comparativo de elementos para medicin de Temperatura



4.2 SENSORES DE PRESION La presin es definida como la fuerza por unidad de rea. Tal fuerza siempre produce una deflexin, una distorsin, o algn cambio en el volumen o dimensin sin importar que tan pequea o grande sea la fuerza. Este cambio resultante proporciona la medicin bsica y el control de movimiento para los sensores de presin. Los sensores de presin incluyen diafragmas, fuelles y tubos bourdon. El diafragma es un mecanismo flexible fiado con una placa y sellado en un recipiente de modo que un fluido no puede fugarse a travs de el. Una fuerza aplicada en un extremo inferior del recipiente provocara un movimiento o flexin. Un resorte normalmente opera para controlar el movimiento y retornar el diafragma a su posicin inicial cuando la fuerza es liberada, permite definir el rango de operacin y la sensibilidad del elemento. Algunos materiales de los diafragmas les permiten retornar a su posicin inicial si necesidad de ayuda externa o mecnica como el resorte.

Fig. 6. Esquema Principio de Diafragma.

Un fuelle es un diafragma que esta unido a un recipiente por una serie de velocidad de manera que se puede obtener un alto grado de movilidad. El fuelle puede ser completamente sellado como en una unidad sensible a la temperatura o este puede tener una conexin para censar presin internamente o velocidad. El fuelle acta como un resorte retornando a su forma original cuando la fuerza externa es removida. Algunas veces se adiciona un resorte para garantizar un incremento en la velocidad de reaccin.

Fig. 7 Fuelle El tubo bourdon, es ampliamente usado en manmetros y medidores de presin, asi como en otros instrumentos tiene un tubo aplanado doblado en forma de espiral. Un extremo es conectado a la fuente de presin, y el otro extremo es libre de movimiento.



Fig. 8 Tubo Bourdon

Cuando la presin aumenta, el tubo tiende a enderezarse, este movimiento puede usarse adems de indicador como actuador en un proceso y ser usado como un controlador sencillo. Los pistones son usados para mediciones de lata presin, por ejemplo presiones hidrulicas de hasta 10000 psi. Son fabricados en acero inoxidable, la barra del pistn que se mueve contra la carga del resorte produce un movimiento que es cuantificable. El rango total de operacin del pistn estar determinado por la seleccin del resorte que se opone al movimiento. 4.3 SENSORES DE HUMEDAD Estos elementos son fabricados con materiales giroscpicos, los cuales cambian sus propiedades como el tamao en respuesta al contenido de humedad del aire los afecta. Un elemento similar a el bimetal es fabricado de dos tiras de madera diferentes unidas. Las diferentes ratas de expansin giroscpica causaran a las tiras de madera que se curven de acuerdo con los cambio de humedad. Tejo y cedro son los tipos de madera mas frecuentemente usados para este propsito. Elementos hechos de membranas animales, fabricados especialmente, o cabello humano alargaran o acortaran su longitud con los cambios de humedad. , con el resultante movimiento que es mecnicamente amplificado. Actualmente se utilizan materiales como nylon y otros elementos higroscpicos especialmente fabricados 1.4 SENSORES DE FLUJO La medicin del flujo de lquidos es una necesidad critica en muchos procesos industriales. La habilidad de medir para conducir exactamente el flujo necesario en algn proceso, puede ser la diferencia entre un proceso rentable y eficiente, de uno con posibles fallas. En la mayora de los elementos de medicin de flujo este es determinado inferencialmente midiendo la velocidad del liquido o el cambio en la energa cintica. La velocidad depende de el diferencial de presin que esta forzando el liquido en su movimiento por el ducto o tubera. Como la seccin de la tubera es constante, el promedio de la velocidad es indicacin de la rata de flujo. La relacin bsica para determinar la rata de flujo es:

Q = V x A

Donde: Q. Flujo de liquido a travs de la tubera



V. Velocidad Promedio de Flujo A. rea transversal de la tubera. Otros factores que afectan el flujo de lquidos incluyen, la viscosidad, y la friccin que presenta el fluido con la tubera o el ducto. Mediciones directas del flujo pueden ser realizadas a travs de flujometros de desplazamiento positivo. Estas unidades dividen el liquido en incrementos especficos en movimiento. El flujo total es la acumulacin de los incrementos medibles, los cuales pueden ser contabilizados por medios mecnicos o electrnicos. Los flujometros pueden ser clasificados como de equipos de presin diferencial, los cuales incluyen platinas de orificios, tubos de venturi, boquillas de flujo, tubos pitot, medidores de objetivo, medidores de rea variable. Los medidores de desplazamiento positivo incluyen pistones, engranaje oval, discos mutantes, y de aletas rotatorias. Los de velocidad consisten en turbinas, vortex, electromagnticos, y sonicos. Los de masa incluyen Coriolis y los de tipo trmico. Medidores de Presin Diferencial: Los flujometros de presin diferencial son a lo lejos las unidades mas comnmente usadas hoy da. Se estima que ms del 50% de las aplicaciones de lquidos utilizan este sistema de medicin. Medidores de rea Variable.: Son tambin conocidos como rotametros, consisten esencialmente de un tubo cnico y un flotador. Tambin clasificado como unidad de presin diferencial, este es en realidad elementos de presin diferencial constante. Sus terminales flanchadas, permiten una fcil instalacin en tuberas. En el momento en que no hay flujo, el flotador descansa en el fondo de la tubera en el momento en que el liquido entra a la tubera por el fondo, el flotador empieza a elevarse. La posicin de el flotador varia directamente con el flujo.

Fig.10 Rotametro. Los medidores de velocidad, operan linealmente con respecto a la rata de flujo. Debido a que su relacin no es cuadrtica como en el caso de los del tipo de presin diferencial. Los de tipo turbina los encuentra en variadas aplicaciones. Esta unidad consiste en un rotor de mltiples aletas montado dentro de una tubera perpendicular al flujo del liquido. LA velocidad de rotacin puede ser medida magnticamente, con celdas fotoelctricas o engranajes. Los pulsos elctricos pueden ser contados y totalizados.



Fig.11 Medidor de Flujo de Tipo Turbina.

El numero de pulsos contados en un periodo de tiempo es directamente proporcional al flujo. Algunos equipos incluyen un tacmetro para medir directamente el flujo. Orificio. Tubo Venturi. Boquilla de Flujo Tubo Pitot Codo


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