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Instrumentacin Mecatrnica 1

Instrumentacin Mecatrnica 1 Departamento de Ciencias de la Energa y MecnicaLaboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLuis Echeverra Y.

1Introduccin a la Instrumentacin2 No. 3Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

El Instrumento en un sistema Mecatrnico3Seales

Las maquinarias y procesos son fuentes de seales de diferente naturaleza: Temperatura Presin Caudal Posicin Nivel, etc.

Las seales son importantes siempre y cuando lleven consigo informacin. La informacin se encuentra en:

La magnitud Forma de onda Mximos y mnimos Tasas de variacin Frecuencia Ancho de banda, etc. No. 4Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica No. 5Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

AnalgicasDiscretas

ContinuasDominio del tiempoDominio de la frecuencia

DigitalDigital binaria / ON-OFFTren de pulsos

SealesTipos de sealesModelo de sistema de un Instrumento No. 6Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaInstrumentoIO

TemperaturaDilatacinTermmetro de mercurio(sensor)VoltajecorrienteVelocidad angularMotor elctrico(actuador)

Caracterstica Esttica de los Instrumentos7 No. 8Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDefinicionesLa entrada de un sistema se encuentra relacionada con la salida del mismo, esta relacin se puede expresar en trminos de:

Una funcin algbrica (O = f(I)) Un grafico que representa la salida (O) versus la entrada. Un diagrama de la funcin

A esta relacin se la conoce como Caracterstica Esttica8 No. 9Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Peso (F)marcadorF=K.y (Ecuacin de Resortes)

y(F)=F/K [O= f(I), O=y, I=F](Caracterstica Esttica algbrica)

Peso (F)desplazamiento (y)yFUn sencillo sensor de peso, con un resorte de constante kCaracterstica Esttica grafica9 No. 10Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Voltaje (Va)Velocidad angular (W rpm)

Motor elctrico de DCUn motor elctrico (actuador)10 No. 11Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaElementos de la caracterstica estticaLa caracterstica esttica involucra los elementos sistmicos de un instrumento los cuales son:

a) Rango. Especificada por los valores mnimos y mximos de la entrada y la salida.OI Omax = f(Imax) Omin = f(Imin) Imin Imax11 No. 12Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnicob) Alcance. Es la mxima variacin de la entrada o la salida. Entonces el alcance de entrada es Imax Imin y de salida es Omax Omin

c) Resolucin. Representa el mas pequeo incremento de la entrada que presenta una respuesta. Si un sensor responde con una salida para cualquier valor de entrada se dice que tiene una resolucin infinita. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero, se llama umbral. Si la entrada es discreta se expresa esta variable en porcentaje, tomando la variacin mas grande de entrada, as:IImaxOminOmaxOIminImax

res=resolucin porcentual12 No. 13Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnicod) Repetibilidad. O reproducibilidad se refiere a la habilidad del instrumento para dar idnticas salidas a la misma entrada en diferentes mediciones a intervalos grandes de tiempo. Los errores en la precisin de los instrumentos causan falta de repetibilidad. El ruido elctrico y la histresis tambin puede contribuir a la perdida de este factor.

e) Precisin. Esta relacionada con la dispersin del conjunto de valores obtenidos por un sensor, de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersin mayor la precisin. Una medida comn de la variabilidad de las medidas es la desviacin estndar de las mediciones y la precisin se puede estimar como una funcin de ella.

f) Exactitud. Se refiere a que tan prximo al valor real se encuentra el valor medido.

g) Sensibilidad. Es la tasa de cambio de la salida con respecto a la entrada. Se define como:

13 No. 14Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDEBER No.1Ejemplifique la precisin y halle los valores estadsticos asociados a esta. Determine con que concepto estadstico se encuentra asociada la exactitud y ejemplifquela numricamente.Si la caracterstica esttica de un sensor de temperatura cuya salida es voltaje se encuentra dado por la expresin:

Determine cual es su sensibilidad y evalela para T = 100 C14 No. 15Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico

h) Forma de la relacin I-O. La relacin I-O puede ser: lineal no linealOIImaxIminOmin

Omaxlineal15 No. 16Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaNo lineal

ioionN(I) es la curva de ajuste de la no linealidad16 No. 17Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

i) Histresis. Un instrumento presenta histresis cuando la relacin entrada - salida no es la misma si se la desde Imin a Imax que desde Imax a Imin.

oiosobhH(I) es la curva de histresisKI+a+Ns(I) para la subidaKI+a+Nb(I) para la bajadai17 No. 18Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnicaj) Efecto medioambientales. En general los instrumentos responde no solo a las entradas normales de seal, sino tambin a seales ajenas al proceso de medicin. Los factores medioambientales, que afectan a un instrumento se clasifican en: Modificantes Interferentes

Los factores modificantes alteran la constante K:

KKBajo los efectos de la seal modificante la respuesta O(I) del instrumento ser:

18 No. 19Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLos factores interferentes alteran la constante a:

aa

19 No. 20Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaUn instrumento expuesto a ambos fenmenos presentara una caracterstica esttica similar a la siguiente:

KM y KI conocen como constantes de acoplamiento medioambiental modificatorio e interferente respectivamente.20 No. 21Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnicah) Errores. El error se presenta con respecto a un patrn de medida. Hay principalmente dos tipos de errores importantes en los instrumentos: sistemticos y aleatorio.En el sistemtico es conocido e incluso fcil de cuantificar y contrarrestar, en muchos casos este error. En los aleatorios su origen es muchas veces desconocido, difcil de compensar y se lo trata estadsticamente. Los errores llevan a expresar la salida en funcin de bandas de error.

O(I)real=O(I) error

IImaxOminOmaxOIminhhoideali21 No. 22Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaUn sensor de temperatura de estado solido es usado para interpolar entre el punto de congelacin del agua (0 C), su punto de ebullicin (100 C) y el punto de fusin del zinc (419.6 C). Las resistencias a estos valores son 110.2 , 142.3 y 260.2 . Se sabe que la caracterstica esttica del sensor se ajusta a una curva de la forma VT=Vo(1 + T + T2), donde VT=voltaje a T C, Vo es el voltaje a 0 C y , son constantes. Hallar las constante de esta ecuacin y la caracterstica esttica grafica de la misma entre 0 y 500 C.

Para determinar las constantes de acoplamiento medioambiental KM y KI para un sensor de presin, se han llevado a cabo las siguientes pruebas, bajo las condiciones indicadas obtenindose los siguientes datos: DEBER No.2I (psi)0246810O (mA)P147.210.413.816.921P248.512.917.521.828P35.09.612.615.818.92322 No. 23Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDonde;P1: Medicin a una temperatura ambiente de 20 C y voltaje de alimentacin de 10 V. (condiciones de trabajo)P2: Medicin a una temperatura ambiente de 20 C y voltaje de alimentacin de 12 V.P3: Medicin a una temperatura ambiente de 25 C y voltaje de alimentacin de 10 V.

Determine lo siguiente:Cuales son las perturbaciones y de que tipo.Cual es la caracterstica esttica: grafica como algbrica.Prediga la presin de salida para las siguientes condiciones: Temperatura ambientalVoltaje de alimentacinEntrada20108.5201211.9251020.62512212324Caracterstica Dinmica de los Instrumentos No. 25Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaGeneralidadesEstabilidad y equilibrio. La instrumentacin como cualquier sistema, es capaz de responder a las variaciones de la entrada en el tiempo. Cualquier sistema que cambia con el tiempo es considerado un sistema dinmico. El entendimiento de las respuestas de un sistema dinmico a los diferentes tipos de entradas es muy importante en el diseo de sistemas mecatrnicos.

El concepto mas importante en la respuesta de un sistema es la estabilidad.

La estabilidad se define de diferentes maneras, la mas comn es aquella que la vincula con el equilibrio.

Un sistema en equilibrio podr permanecer en el mismo estado en ausencia de factores externos.

Un sistema estable puede regresar a su estado de equilibrio si un pequeo factor externo altera su estado inicial. Un sistema inestable normalmente no regresa al estado anterior y mas bien se alejadel mismo.

Rugoso, con friccinLiso, sin friccinINESTABLEESTABLEMARGINALMENTEESTABLE25 No. 26Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa instrumentacin es inherentemente estable, sin embargo el comportamiento especifico de los materiales, mecanismos, circuitos u otros que lo componen pueden llevar a inducir inestabilidad transitoria en estos dispositivos.

i1i3i2o1o3o2IOOto1o3o2t1t2IDEALItt1t2i1i3i2t1

Respuesta Dinmica(transitorio)Respuesta estticaREALOo1o3o2t226 No. 27Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEn conclusin:

Ningn instrumento o sistema responde instantneamente a un cambio en las condiciones de la entrada.

El tiempo que le toma responder a un cambio depende principalmente de la estructura interna del instrumento.

La caracterstica dinmica se encuentra descrita en funcin del tiempo.

Se expresa con mucha frecuencia la caracterstica dinmica en trminos de la funcin de transferencia de un sistema, lo que involucra un conocimiento profundo del comportamiento fsico matemtico del instrumento.27 No. 28Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaFuncin de transferenciaEl anlisis de la respuesta dinmica de un sistema puede ser realizado utilizando las ecuaciones que permiten expresar tanto entrada como salida en el tiempo:

O(t) e I(t)

Estas ecuaciones pueden ser tan sencillas como algbricas o muy complejas como un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Todo depender de la complejidad del instrumento.

La funcin de transferencia es la relacin de O/I, expresada en el espacio de la variable de Laplace s y denotada por G, segn la ecuacin:s es la variable compleja de Laplace

28 No. 29Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Consideremos el siguiente modelo que representa a un sensor de fuerza:kcFxMEn este modelo, se aplica la fuerza F sobre un elemento de masa despreciable M, que se encuentra acoplado a una base fija mediante un resorte de constante k y un amortiguador de constante c. El elemento de masa despreciable como resultado de la fuerza aplicada se desplaza a lo largo del eje x.29 No. 30Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa ecuacin que gobierna el funcionamiento es:

Fk = fuerza en el resorteFc = fuerza del amortiguamiento30 No. 31Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Aplicando la transformacin de Laplace a ambos lados de la ecuacin tenemos:31 No. 32Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

F(s)X(s)La forma de la seal de entrada puede variar como:ItAtAIItmescaln o pasopulsorampaEstas funciones de entrada pueden expresarse en el tiempo y mediante Laplace de las siguientes formas:32 No. 33Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

ItAtAIItmescaln o pasopulsorampa33 No. 34Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSi al sistema mecnico indicado anteriormente suponemos que se aplica una entrada escalos de A (N), entonces la respuesta de salida ser:

Y aplicando la transformacin inversa de Laplace tenemos:

34 No. 35Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEntonces la respuesta de un instrumento real a un cambio brusco en la entrada es:

FtA

xtAk

35 No. 36Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEn funcin del grado de la ecuacin diferencial que relaciona entrada con salida los sistemas se dividen en:OrdenEcuacinFuncin de transferenciaCeroPrimeroSegundo

36 No. 37Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDEBER No.3Un acelermetro es un sensor que responde al movimiento trasmitido a una masa inercial y puede ser modelado como se indica en la figura donde: M = masa inercial k y c son constantes.

En este acelermetro:

Identifique la entrada y la salidaDetermine la ecuacin que gobierna su comportamientoHalle la funcin de transferencia.Analice las diferentes respuestas que pueden presentarseante una entrada en escaln.Grafique la caracterstica esttica para un rango de entrada de 0 100 g, y una masa de 100 Kg

Mkcyoi37 No. 38Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaImpedancia Para describir un sensor no es suficiente con determinar su caracterstica esttica y dinmica.

La impedancia es otro factor importante que considera el hecho que al interactuar con el proceso un sensor necesariamente tiene que tomar energa del mismo.

Si un sensor interacta con el proceso a tal punto que altera el mismo entonces se dice que el sensor esta cargando al proceso y aparece un error por carga.

El concepto de impedancia permite valorar si se produce o no este tipo de error.38 No. 39Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica En el proceso de medida de una variable x1 siempre interviene adems otra variable x2, tal que el producto tiene dimensiones de potencia Po=x1*x2:Variable medidaVariable que intervieneFuerzaVelocidadCaudalDiferencia de presinTemperaturaFlujo de calorCorrienteDiferencia de tensin Las variables a medir NO MECANICAS, son variables de esfuerzo si se miden entre dos puntos o dos regiones y son variables de flujo si se miden en un punto39 No. 40Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica Las variables a medir MECANICAS, son variables de esfuerzo si se miden en un punto y variables de flujo si se miden entre dos puntos.Variables de esfuerzoVariables de flujoTensin elctricaCorriente elctricaPresinCaudal volumtricoTemperaturaFlujo de calorFuerza y par mecnicosVelocidad angular Para el caso de elementos que se puedan describir mediante relaciones lineales, la impedancia de entrada Z(s) se define como el cociente entre la transformada de Laplace de una variable de esfuerzo y la variable de flujo asociada y la admitancia Y(s) como el inverso de la impedancia El valor de ambas varia con la frecuencia y a frecuencias muy bajas es conoce como rigidez y compliancia .40 No. 41Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEntonces para tener un error de carga mnimo, al medir una variable de esfuerzo es necesario que la impedancia de entrada sea alta. Entonces si X1(s) es una variable de esfuerzo, entonces:

Para que P sea pequea X2(s) debe serlo tambin lo que hace que Z(s) sea grande. Si se mide variables de flujo, como X2(s), entonces para que la potencia absorbida por el sensor sea pequea X1(s) debe serlo lo cual quiere decir una pequea impedancia pero una gran admitancia.

Para lograr las condiciones necesarias de medicin a veces es necesario alterar internamente la estructura de los sensores.

41 No. 42Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaParmetros para la eleccin de un sensorMagnitud a medirCaractersticas de salida Rango Resolucin Exactitud Estabilidad Ancho de banda Tiempo de respuesta. Limites de la magnitud a medir. Magnitudes medioambientales Sensibilidad Tipo: Tensin, corriente. Forma de sea: Unipolar, flotante, diferencial Impedancia DestinoCaractersticas de alimentacinCaractersticas ambientales Tensin Corriente Potencia Frecuencia Estabilidad Temperatura Humedad Ruido elctrico Ruido mecnico Agentes qumicos Atmsfera explosivaOtros factores Peso Dimensiones Vida media Costo de adquisicin Disponibilidad Tiempo de instalacin Longitud y necesidad de cables. Tipo y disponibilidad de conectores. Situacin en caso de fallo Costo de mantenimiento y calibracin Costo de reposicin

4243Medicin y deteccin de laPresin No. 44Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa presin se define como la fuerza normal por unidad de rea ejercida por un fluido (lquido o gas) en cualquier superficie. La superficie puede ser una cara de un slido en contacto con el lquido o, para fines de anlisis, un plano imaginario trazado a travs del lquido. Slo el componente de la fuerza normal a la superficie debe ser considerada para la determinacin de la presin. Las fuerzas tangenciales que dan lugar a cortante o movimiento de lquidos no ser un tema relevante en esta unidad. En el limite en el cual el rea se acerca a cero la razon de la fuerza normal aplicada a la misma sobre el rea representa la presin puntual.Hay tres tipos de medidas de presin:

VACIOAbsoluta

PatmManomtrica (Gauge)

Relativa44 No. 45Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaUnidades de medicin de la presin

45 No. 46Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaMtodos mecnicos de detectar la presinHay algunas formas primarias de detectar la presin:

Desplazamiento de una columna de liquidoPor deformacin de elementos elsticos.Funcionamiento de un pistn

Al dispositivo primario se puede aadir con sensor secundario: galgas extensiomtricas, dispositivos piezoelctricos, sensores capacitivos, sensores inductivos, etc. 46 No. 47Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Desplazamiento de una columna de liquido

47 No. 48Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDeformacin de elementos elsticos: Tubo de Bourdon Normalmente tubo en C. Seccin transversal no circular Un extremo se encuentra tapado mientras por el otro ingresa la presin. Un extremo se encuentra fijo mientras que el otro se desplaza libremente, bajo efectos de la presin.

Tubo en espiral

Tubo en C48 No. 49Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros con tubo de Bourdon en C

Tubos de forma circular con una seccin cruzada oval. La presin del medio acta en el interior del tubo y como resultado la seccin cruzada oval se convierte en casi redonda. Debido a que se produce una curvatura de la tensin del anillo del tubo, ste dobla el tubo de Bourdon. El final del tubo, que no es fijo, se mueve. Por lo que este movimiento es una medicin para la presin. Este movimiento lo indica la aguja.

Los tubos de Bourdon doblan un ngulo de aproximadamente 250, que se utiliza para presiones de hasta 60 bar aproximadamente.

Para presiones altas se utilizan tubos de Bourdon con un nmero de espirales superpuestas del mismo dimetro (ej. Espiraleshelicoidales) o espirales con forma helicoidal (ej. Muelles helicoidales) en un nivel.

Los tubos de Bourdon slo pueden protegerse contra la sobrecarga hasta una extensin limitada. Para operaciones de medicin con una dificultad particular los manmetros pueden mejorarse intercalando un sello qumico, como separacin o sistema de proteccin.

Los mrgenes de presin estn entre 0 ... 0,6 y 0 ... 4000 bar conuna lectura de precisin (o clase) desde 0,1 a 4,0 %.

49 No. 50Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDeformacin de elementos elsticos: Diafragma o membranaUsan el principio de deformacin elstica de una membrana o diafragma. Los dispositivos de membrana tpicos contiene una cpsula dividida por un diafragma, como se muestra en el esquema de abajo. Un lado de la membrana est abierto a la presin externa especfica, PExt, y el otro lado est conectado a una presin conocida, Pref. La diferencia de presin, PExt - Pref., mecnicamente desva el diafragma.

La deformacin de la membrana se puede medir de diferentes maneras. Por ejemplo, puede ser detectado a travs de una ajuga acoplada por un mecanismo, una galga extensiomtrica, un transformador lineal variable diferencial (LVDT, ver el esquema de abajo), o mediante otros sensores de desplazamiento/velocidad. Una vez conocida la desviacin se puede conocer fcilmente las fuerzas y presiones aplicadas

50 No. 51Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaVentajas: Mejor respuesta de frecuencia que otros medidores de presin. Precisin de sobre 0.5% a full escala. Lineal cuando los desplazamientos no son ms grandes que el ancho de la placa.

Desventajas: Es un dispositivo caro.

h es el espesor es el coeficiente de PoissonE es el modulo de elasticidad

51 No. 52Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaTambin es posible determinar la presin en trminos de las tensiones radiales o tangenciales de acuerdo a la siguientes relaciones:

52 No. 53Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros con elementos de diafragma

Los elementos de diafragma tienen forma circular y membranas planas u onduladas. Estas estn sujetas alrededor del borde entre dos bridas o soldadas y sujetos a la presin del medio actuando en un lado. La desviacin causada de esta forma se utiliza como medicin para la presin y es mostrada por la aguja indicadora del instrumento.En comparacin con los tubos Bourdon, estos elementos de diafragma tienen una fuerza activadora relativamente alta y debido a ello la sujecin en su periferia del elemento es insensible a la vibracin.El elemento de diafragma puede someterse a una fuerte sobrecarga a travs de los puntos de aceptacin (al traer el elementos de diafragma contra la brida superior). Adems, el instrumento de medicin puede protegerse contra elementos extremadamente corrosivos cubrindolo con un material especial .

Las conexiones a proceso pueden ser bridas de conexin abiertas y los enchufes de purga pueden ser integrados para medir elementos muy viscosos, impuros o cristalizables.Los mrgenes de presin estn entre 0 ... 16 mbar y 0 ... 40 bar en clase precisin desde 0,6 a 2,5 %.

53 No. 54Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros con elementos con cpsula

El elemento de cpsula comprende dos membranas de forma circular, membranas onduladas selladas fuertemente alrededor de su circunferencia. Los actos de presin en el interior de la cpsula y el movimiento que genera es mostrada por la aguja como medida de la presin ejercida.

Los manmetros con elementos de cpsula son especialmente apropiados para la medicin de fluidos gaseosos y presiones bajas. Es posible una proteccin de sobrecarga con determinados lmites.

La presin ejercida en el interior de la cpsula es transmitida mecnicamente al mecanismo.

Los mrgenes de presin estn entre 0 ... 2,5 mbar y 0 ... 0,6 bar en la clase de precisin 0,1 a 2,5.

54 No. 55Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros absolutos

Estos instrumentos se utilizan donde las presiones han de ser medidas con independencia de las fluctuaciones naturales de la presin atmosfrica. Como norma general pueden ser aplicados todos los tipos de elementos conocidos y principios de medicin.

La presin de los elementos a medir se compara contra una referencia de presin, que a la vez, es cero absoluto.

Para este propsito se da un vaco absoluto como presin de referencia, en una cmara de referencia, en el extremo del elemento de medicin no sujeto a presin. Esta funcin seconsigue sellando la cmara de medicin apropiada o la carcasa que la rodea.

La transmisin del movimiento de elementos de presin y la indicacin de presin es igual que en los manmetros con sobrepresin ya descritos.

Los mrgenes de presin estn entre 0 ... 16 mbar y 0 ... 25 bar en la clase de precisin 0,6 a 2,5.

55 No. 56Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros diferenciales

La diferencia entres las dos presiones se determina directamente y se muestra en el dial del manmetro. De nuevo, aqu tambin pueden ser aplicados todos los elementos de medicin de sobrepresin y los principios de medicin conocidos.Las dos cmaras medias selladas estn separadas por el elemento de presin o los elementos de medicin, respectivamente. Si ambas presiones de funcionamiento son iguales, el elemento de presin no puede moverse y por lo tanto no se puede indicar la presin.Slo se da una lectura de presin con diferencial cuando una de las presiones es superior o inferior. Las presiones de diferencial inferiores puede medirse directamente en caso que sean presiones estticas elevadas. Con los elementos de diafragma se consigue una capacidad de sobrecarga muy alta.Debe observarse la presin esttica permisible y la capacidad de sobrecarga en los lados y .La transmisin del movimiento del elemento de medicin y la indicacin de presin es la misma que en los instrumentos de sobrepresin ya descritos en la mayora de casos.Los mrgenes de presin estn entre 0 ... 16 mbar y 0 ... 25 bar en la clase de precisin 0,6 a 2,5

56 No. 57Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros piezoelctricos

Se encuentran fundamentados en el efecto piezoelctrico, el mismo que determina el funcionamiento de ciertos materiales, los mismos que generan carga elctrica como respuesta a un esfuerzo mecnico aplicado.

Este fenmeno es reversible, o sea si se aplica un campo elctrico al material piezoelctrico el mismo se comprimir o se expandiera, en funcin del sentido del mismo.

Los principales materiales que exhiben estas propiedades son cristales, cermicos, y algunos polimeros, de estos solo unos pocos exhiben el fenmeno lo suficientemente fuerte como para fines de aplicacin. Entre los materiales tenemos el cuarzo (SiO2), las sal de Rochelle (KNaC4H4O6. H2O), ceramicas como el titanato zirconato de plomo (PZT-4, PCT-5A, etc), Titanato de bario, polimeros de Polivilideno de fluor, etc.

57 No. 58Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLos materiales piezoelctricos estn caracterizados por la ecuacin constitutiva de la materia, que relaciona los aspectos elctricos con los mecnicos, esta ecuacin es:

S =vector de esfuerzosT =vector de deformacinD=vector de desplazamiento de densidad de carga E=vector de campo elctricos = matriz de acoplamiento elsticod =matriz de constantes piezoelctricas y = matriz de permeabilidad elctrica.

Para los titanatos zirconatos de plomo (PZT) la forma reducida de la expresin es:


59 No. 60Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros capacitivos

Se encuentran fundamentados en la capacitancia que se presenta entre las placas de un condensador plano.

dxda

dxd

(a) Capacitor simple(b) Capacitor diferencial60 No. 61Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaManmetros capacitivos

Se encuentran fundamentados en la capacitancia que se presenta entre las placas de un condensador plano.

dxda

dxd

(a) Capacitor simple(b) Capacitor diferencial61 No. 62Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

62 No. 63Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl manmetro tipo pistn la presin acta directamente sobre un resorte. La posicin del pistn en el cilindro esta en directa relacin con la presin. Se utilizan diferentes mecanismos para poder visualizar la posicin del pistn. El uso de este sensor esta relacionado con mediciones hidrulicas donde se requiere que golpes, vibraciones o cambios bruscos y momentneos en la presin no alteren la medicin.

Dispositivos de pistn63 No. 64Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSENSORMATERIALESDiafragma y galgaAleacin de nquelInconelBourdon en C y HliceAcero inoxidableAleaciones de cobreHastelloyMonelBourdon en EspiralFuelle StandardBronce fosforosoCapsulaMateriales de fabricacin6465Medicin y deteccin delFlujo y Caudal No. 66Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaMedidoresvolumtricosPresindiferencialPlaca orificioToberaTubo Venturi.Tubo PitotTubo Annubarrea variableRotmetroVelocidadVertedero con flotador para canales abiertosTurbinaSondas ultrasnicasFuerzaPlaca de impactoFormas de detectar y medir flujo y caudal66 No. 67Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaMedidoresvolumtricosTensininducidaMedidor magnticoDesplaza- miento posi-tivoDisco giratorioPistn oscilantePistn alternativo

Medidor rotativo

TorbellinoMedidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidosCicloidalBirrotorOval67 No. 68Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaMedidoresmsicosTrmicosDiferencia de temperatura en dos sondas de resistenciaMomentoMedidor axialMedidor axial de doble turbinaPresinDiferencialPuente hidrulicoPargiroscpicoTubo giroscpicoFuerza de CoriolisTubo en vibracin68 No. 69Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaIntroduccinLos tipos de flujo en tubera pueden ser predichos mediante el nmero de Reynolds

= densidad del fluido

= velocidad mediaD = dimetro de la tubera = viscosidad dinmica del fluidoCon Re < 2000 el fluido es laminar, con Re > 4000 es turbulento y entre los dos se presenta el transicional.

69 No. 70Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa ecuacin de Bernouilli relaciona la velocidad del fluido v, la presin del fluido p y la altura h de un punto fijo.

No friccin No intercambio de energa Flujo laminar Densidad constante (incompresible)70 No. 71Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa medicin de flujo. El flujo se mide como una cantidad volumtrica o una velocidad instantnea (mas comnmente conocida como velocidad de flujo)


UNIDADES72 No. 73Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica


74 No. 75Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDispositivo de presin diferencial

Estrangulamiento(cambio de seccin)75 No. 76Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDispositivo de presin diferencial: Tipos

Placa - orificioVenturiBoquillaCuaPitotCodo

76

No. 77Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Placa-OrificioVenturiBOQUILLASVenturiFlujoDall77 No. 78Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Transforma la velocidad de flujo (energa cintica) en energa potencial. La conversin se lleva a cabo en el punto de estancamientoPunto deestancamiento** Consultar ecuacin para fluidos compresibles subsnicos y fluidos supersnicos compresiblesDispositivo de presin diferencial: Tubo de Pitot78 No. 79Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaVentajas: Construccin simple y barata Casi no requiere calibracin. No induce cadas de presin en el fluido. Requiere simplemente un agujero por donde entrar en contacto con el fluido.

Desventajas: La precisin y la resolucin pueden no ser altas para ciertas aplicaciones. El tubo debe estar perfectamente alineado con el fluido para dar buenas lecturas. Cualquier desalineacin no debe exceder del 5%.



Dispositivo de presin diferencial: Placa - Orificio

81 No. 82Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaPerdida de carga vs.


Q = caudalCd = coeficiente de descargaCf = coeficiente de flujo (0.6 0.9)Ao = rea del orificio

Suponiendo laminar y con rozamiento nulo (no viscoso)Considerando la presencia de viscosidad y turbulencia presente que generan perdidas en forma de calor.Considerando la imposibilidad de determinar con exactitud la vena contracta.

Caracterstica esttica83 No. 84Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Caracterstica esttica practica para los dispositivos de obstruccin

84 No. 85Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaCaracterstica esttica practica para los dispositivos de obstruccin


Orificio tipo restrictivoOrificio universalOrificio de doble dimetroOrificio concntrico estndarOrificio doble en cuadranteOrificio excntricoOrificio segmentalQUADRANTRADIUSSTAMPED45deEALINE I.D.BEVELDIA.LINE I.D.

Tipos de orificios86 No. 87Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Ubicacin de las tomas de presin87 No. 88Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

88 No. 89Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaThe following general characteristics of differential pressure flowmeters should be borne in mind when deciding on the most suitable meter for a given application.1. No moving parts; robust, reliable and easy to maintain; widely established and accepted.2. There is always a permanent pressure loss (PP) due to frictional effects. The cost of the extra pumping energy may be significant for large installations.3. These devices are non-linear, i.e. Q eP or P Q2. This limits the useful range of a meter to between 25% and 100% of maximum flow. At lower flows the differential pressure measurement is below 6% of full scale and is clearly inaccurate.4. Can only be used for clean fluids, where there is well-established turbulent flow, i.e. ReD > 104 approximately. Not generally used if solids are present, except for Venturis with dilute slurries.5. A typical flowmeter system consists of the differential pressure sensing element, differential pressure transmitter, interface circuit and microcontroller. For a transmitter giving a d.c. current output signal (typically 4 to 20 mA) the interface circuit consists of an amplifier acting as a current-to-voltage converter and an analogue-to-digital converter. For a resonator transmitter giving a sinusoidal output of variable frequency, the interface circuit consists of a Schmitt trigger and a binary counter. The computer reads the input binary number, converts it into differential pressure P and then calculates the measured flow rate Q. The calculation is based on values of 1, C, , etc., stored in memory. The system measurement error E = QM QT is determined by the transmitter accuracy, quantisation errors and uncertainties in the values of the above parameters. 6. Considerable care must be taken with the installation of the meter. The standards give detailed information on the following:(a) The geometry of the flowmeter itself. C values are only applicable to meters with the prescribed geometry.(b) Minimum lengths of straight pipe upstream and downstream of the meter.(c) The arrangement of the pressure pipes connecting the flowmeter to the differential pressure device.Consideraciones generales de los dispositivos de obstruccin89 No. 90Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

90 No. 91Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDEBER

En base al diagrama de flujo indicado en la pagina 329, del libro Principles of measurement systems de John P. Bentley. 4th ed, desarrolle un programa para el dimensionamiento de los flujometros de placa orificio 91 No. 92Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDispositivo de rea variable: El rotmetroRotameters are the most widely used type of variable-area (VA) flowmeter. In these devices, the falling and rising action of a float in a tapered tube provides a measure of flow rate.

Rotameters are known as gravity-type flowmeters because they are based on the opposition between the downward force of gravity and the upward force of the flowing fluid. When the flow is constant, the float stays in one position that can be related to the volumetric flow rate.

That position is indicated on a graduated scale. Note that to keep the full force of gravity in effect, this dynamic balancing act requires a vertical measuring tube.

Other forms of gravity-type VA meters may incorporate a piston or vane that responds to flow in a manner similar to the floats behavior. All these devices can be used to measure the flow rates of most liquids, gases, and steam. There are also similar types that balance the fluid flow with a spring rather than gravitational force. These do not require vertical mounting, but corrosive or erosive fluids can damage the spring and lead to reduced accuracy.


El Rotmetro: Tipos de rotmetros93 No. 94Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

El Rotmetro: Tipos de flotadoresThe tapered tubes gradually increasing diameter provides a related increase in the annular area around the float, and is designed in accordance with the basic equation for volumetric flow rate: 94 No. 95Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica



Aplicabilidad del rotametro:97 No. 98Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Dispositivos mecnicos: La turbina Entre 4 y 8 alabes Alabes de material ferromagntico. Cada alabe forma un circuito magntico con el imn y la bobina, formando un tacogenerador de reluctancia variable.


99 No. 100Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDespreciando los rozamientos, entonces la velocidad angular es proporcional a la velocidad angular del rotor wr:

k depende de la geometra del sistema de alabes. Si Q es el caudal que provoca en el rea A una velocidad media v:

Si m es el nmero de alabes y t el grosor de los mismos tenemos:

100 No. 101Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDe los circuitos de reluctancia variable tenemos:

Donde b es la amplitud de la seal de flujo magntico. (Pginas 170, 171 y 172 de libro Principles of measurement systems, Bentley 4ed). La seal del tacogenerador es pasada por un Integrador y un Schmitt Trigger, la seal cuadrada resultante tiene una frecuencia f:

Si K es la sensibilidad lineal o factor de medicin, tenemos:



103 No. 104Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaFlujometro electromagntico

104 No. 105Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico

105 No. 106Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaThe principle is based on Faradays law of electromagnetic induction. This states that if a conductor of length l is moving with velocity v, perpendicular to a magnetic field of flux density B, then the voltage E induced across the ends of the conductor is given by:E = BlvThus if a conducting fluid is moving with average velocity v through a cylindrical metering tube, perpendicular to an applied magnetic field B, then the voltage appearing across the measurement electrodes is:E = BDvwhere D = separation of electrodes = metering tube diameter. The above equationassumes that the magnetic field is uniform across the tube. If we further assume thatthe fluid fills the tube, then v = Q/(D2/4), giving:

If the magnetic field coils are energised by normal direct current then several problems occur: polarisation (i.e. the formation of a layer of gas around the measuring electrodes), electrochemical and thermoelectric effects all cause interfering d.c. voltages. These problems can be overcome by energising the field coils with alternating current at 50 Hz.

106107Medicin y deteccin delDesplazamiento No. 108Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensores ResistivosLa resistencia elctrica de un material puede variar por:

Variacin de la longitud del material Variacin del rea transversal del material Variacin de la resistividad

Obstruccin o alteracin de la movilidad de los portadores de carga elctrica

lA

108 No. 109Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaPotencimetros

llVV109 No. 110Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica





114 No. 115Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaMagnetoresistenciasSi aplicamos un campo magntico a un conductor por el que circula una corriente elctrica, dependiendo de la direccin del campo, adems de la tensin Hall hay una reduccin en la corriente por el desvi de electrones por el campo.

En la mayora de conductores el efecto es de segundo orden pero en los materiales anistropicos, como en los elementos ferromagnticos este efecto es muy acusado, con variaciones del 2% al 5%.

La relacin de la resistencia a la variacin del campo es cuadrtica115 No. 116Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaFabricacin y caractersticasComo materiales de fabricacin se utiliza principalmente el permalloy (aleacin de hierro y niquel). El material se lo deposita en un sustrato de vidrio.

Las aplicaciones se encuentran entre la medicin de campo magntico y las aplicaciones indirectas.116 No. 117Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

117 No. 118Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaFototresistenciasEstos sensores estn basados en la variacin de resistencia de un semiconductor por incidencia de radiacin ptica (radiacin electromagntica de longitud de onda entre 1mm y 10 nm)

La relacin entre la resistencia de un fotorresistor y la iluminacin E (densidad superficial de energa recibida expresada en luxes), es fuertemente no lineal y su modelo simple es:

R=AE

Donde A y dependen del material y de la forma de fabricacin. Par el SCd el valor de esta entre 0.7 y 0.9


119 No. 120Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensores capacitivos de desplazamiento: Planteamiento general

C = capacidad del condensadoro =constante dielctrica del vacior =constante dielctrica relativa del materialA = rea transversal de la placa.d =distancia entre placas


Considerando el efecto de borde tenemos:

Deber: Determine la capacidad de un condensador cilndrico121 No. 122Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

dxxddaxd

Sensor capacitivo sencillo122 No. 123Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

123 No. 124Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDeber: Determine la relacin desplazamiento capacidad para los sensores de la lamina anterior

Sensor de presin capacitivoGalga extensiomtricas capacitivaMedidor de composicin de lamezcla gasolina-etanoInclinmetro diferencial capacitivoAplicaciones del sensor capacitivo124 No. 125Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

aplicaciones capacitivos de nivel125 No. 126Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaVentajas de los sensores capacitivosError por carga mecnica mnimo.No errores por friccin o histresis.No se necesita mucho esfuerzo para desplazar la parte mvil.Como las placas tienen poca masa la inercia es mnima.Estabilidad y repetitividad elevadas.Alta resolucin.

Los valores habituales de C suelen estar entre los 1 y 500 pF.La frecuencia de alimentacin suele ser superior a 10 kHz126 No. 127Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensor capacitivo diferencial

dxd

Los sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir desplazamientos entre 10-13 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100 pF

127 No. 128Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaOtras formas de condensadores diferenciales

128 No. 129Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaPuente capacitivo para acondicionamiento

129 No. 130Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaOsciladores para sensores capacitivos

130 No. 131Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensores inductivos de desplazamiento: Planteamiento general

La inductancia se expresa como:donde N es el numero de vueltasde la bobina, i la corriente y el flujo magntico

El flujo magntico viene relacionado con la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia R como:

Entonces:


Para una bobina de seccin A y longitud l, R viene dada por:

Si el circuito magntico incluye tramos de material ferromagntico y tramos de aire la reluctancia R es:

Donde A0 es el rea de aire y l0 su longitud132 No. 133Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

00 rR1R2R3R4R0l1,A1l2,A2l3,A3l4,A4l0,A0

133 No. 134Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensores de reluctancia variable

134 No. 135Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnical2lllllaxoor

135 No. 136Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa aplicacin de una inductancia variable esta sujeta a serias limitaciones:Los campos magnticos parsitos afectan a L.La relacin entre L y R no es constante sino que varia hacia los extremos del dispositivo pues el campo no es uniforme.El flujo magntico disperso es mayor que el flujo elctrico disperso en los conductores. esto limita el alcance de medidas para una longitud determinada y es una fuente de interferencias.La temperatura de trabajo debe ser inferior a la de Curie.

Entre las ventajas se cita:Les afecta poco humedad ambiental y otros contaminantes.Alta sensibilidad.

Entre los materiales tenemos:Con ncleo de aire se puede trabajar a altas frecuencias pero su variacin de inductancia pequea.136 No. 137Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaCon ncleos ferromagnticos, la frecuencia de trabajo no puede rebasar unos 20 kHz


presinespesorAplicacionesAdems de sensor de desplazamiento lineal y angular tenemos las siguientes aplicaciones:


Acondicionamiento de sensores de reluctancia variable139 No. 140Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensores de Corriente de FoucaultLa impedancia de una bobina por la cual circula una corriente alterna, es alterada si se introduce una superficie conductora en su campo magntico. Ello es debido a que se inducen corrientes de Foucault, en la superficie, que crean su propio campo magntico, opuesto al de la bobina. Cuando mas prximo estn la bobina y la superficie, mayor es el cambio de impedancia.

Para emplear este fenmeno en los sensores, el espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser lo suficientemente grande comparado con la profundidad de penetracin de aquellas y viene dada por:

donde: es la conductividad del material, su permeabilidad y f la frecuencia de la corriente140 No. 141Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaAplicaciones

141

No. 142Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaTransformador Diferencial de Variacin Lineal (LVDT) y RVDTs

Constituye un transformador con un bobinado primario y dos secundarios alrededor de un ncleo tubular, en el cual se desplaza un elemento ferromagntico. Los bobinados secundarios son idnticos.

142

No. 143Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl primario es alimentado por una seal AC de amplitud Vp y frecuencia f (Hz) y los secundarios se encuentran conectados en oposicin de serie de tal forma que el voltaje de salida es la diferencia de los voltajes de los secundarios: V1 V2 = Voutsen (2ft+). El ncleo ferromagntico mvil se desplaza por el ncleo alterando la autoinductancia mutua entre primario y secundario. Sin el ncleo en el interior el voltaje es idntico en los secundarios y el voltaje de salida es 0 V. Cuando el ncleo se desplaza, el V1 V2 dependen en magnitud y fase de su posicin.Deber: Consulte el circuito equivalente del LVDT y sus ecuaciones de V e I143

No. 144Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica144 No. 145Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaC es el punto medio del sensor, o sea x=l, mientras A y B se encuentras equidistantes de C.

En A la bobina secundaria inferior se encuentra fuertemente acoplada a la primaria mientras que el acoplamiento con la superior es mnimo, por lo tanto la amplitud de V2 es mayor que la de V1, y V1 V2 presenta un desfase de 180 con respecto a Vp.

En C el acoplamiento es igual, por lo tanto V1 y V2 son iguales y por lo tanto, en teoria V1 V2 se anulan. Este se conoce como el punto nulo (NULL POINT).

En B sucede lo opuesto que en A.

El voltaje AC es convertido en DC, para poder discriminar entre puntos como A, B y C. Esto se lo hace mediante un detector de fase o demodulador, que permite obtener un rango de voltaje positivo para A y negativo para B pasando obviamente por 0. 145 No. 146Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

146 No. 147Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaDeber: Consulte y explique un circuito detector de fase para un LVDTVentajas del LVDT:

Operacin libre de desgaste. Resolucin infinita. Vida mecnica infinita. Operacin fuera de rango sin provocacin de dao. Sensibilidad de un solo eje. Ncleo y bobinas separables. Robusto a ambientes hostiles. Repetibilidad en el punto nulo. Rpida respuesta dinmica. Salida absoluta.Rangos del LVDT:

Los LVDTs son diseados para medir en el rango de 0.25 mm a 25 cm. El rango de frecuencia de la seal de entrada esta entre los 400 Hz y los 50 KHz.La mxima no linealidad de este dispositivo es de 1% fsd.

Para una aplicacin tpica de 2.5 cm se utiliza una Vp de 4 a 6 V y una frecuencia de 5 KHz.

Mas informacin del sensor: http://www.macrosensors.com 147 No. 148Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

Aplicaciones148 No. 149Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSincros, Resolver e Inductosyn


150 No. 151Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl sincro se encuentra compuesto de un rotor energizado con seal AC y un estator conformado por tres bobinas a 120 conectadas es Y. En el resolver la configuracin es similar pero tenemos solo dos bobinas en el rotor a 90. Debido a la complejidad de fabricacin los sincros han ido cediendo el mercado del desplazamiento angular a los resolvers.

Los resolvers trabajan con voltajes de entrada que van de 2 a 40 Vrms a frecuencias de 400 Hz a 10 KHz

Procesamiento de seal del resolver151 No. 152Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y Mecatrnica

152

No. 153Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaLa operacin del Inductosyn es similar a la del Resolver, en este una pequea franja donde se encuentran labradas una especie de bobinas se desplaza sobre otra fija y ms grande. La pequea se conoce como el deslizador y la grande la escala. Sobre la escala se aplica una seal de voltaje V.sen(t) que acopla seales sobre el deslizador induciendo voltajes proporcionales a seno y coseno en las pequeas bobinas del deslizador. Si S es la distancia de un ciclo de alambre y X el desplazamiento del deslizador, los voltajes indicidos en las bobinas de seno y coseno son:

V(bsen) = V.sen(t).sen(2X/S) y V(bcos) = V.sen(t).cos(2X/S)

El bajo voltaje de transformacin, por lo general requiere de amplificacin.

153 No. 154Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl inductosyn trabaja con frecuencias que van de 200 Hz a 200 KHz, con voltajes de 2 V. Las precisin estn entre 0.001 mm a 0.0025 mm para los lineales y 0.5 arc-seg a 1 arc-seg (1 tiene 60 arc-seg)

Mas informacin sobre el Inductosyn http://www.ruhle.com154 No. 155Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensor de efecto Wiedemann Una torsin mecnica, aparece en un alambre magnetoestrictivo, por el que circula una corriente, en el lugar donde se aplica un campo magntico axial. La distancias de medicin alcanzan hasta los 7 m.

La ventaja de usar este sensor est en su alta linealidad (en el orden del 0,05% del fondo de escala), buena capacidad de repeticin (del orden de 3m), y estabilidad a largo plazo. El sensor puede soportar ambientes agresivos, tales como alta presin , alta temperatura , y fuertes radiaciones. Otro punto fuerte de este sensor es su baja sensibilidad a la temperatura. Las aplicaciones de este sensor incluye cilindros hidrulicos, mquinas de moldeado por inyeccin (para medir el desplazamiento lineal para la posicin de sujecin del molde, inyeccin de material de moldeo, y la eyeccin de la pieza moldeada), minera (para la deteccin de movimientos de las rocas tan pequeas como 25m), trenes de laminacin , prensas, forja, ascensores, y otros dispositivos cuando una resolucin fina a lo largo de grandes dimensiones es un requisito. 155 No. 156Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSensor de efecto WiegandEl efecto Wiegand es un fenmeno de generacin de pulso en un alambre de Vicalloy (cobalto, hierro y vanadio Co52Fe38V10) que ha sido procesado con la finalidad de crear dos regiones magnticas distintas en la misma pieza, que se conocen como capa y ncleo.

Estas dos regiones magnticas reaccionan de forma distinta a la aplicacin de un campo magntico.

La capa requiere de un campo magntico fuerte para revertir su polaridad magntica, mientras que el ncleo invierte para campos magnticos pequeos.

Cuando la capa y el ncleo invierten su polaridad se genera el llamado Pulso Wiegand que es sensado por una bobina


157 No. 158Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaCuando por una placa metlica circula una corriente elctrica y sta se halla situada en un campo magntico perpendicular a la direccin de la corriente, se desarrolla, en la placa, un campo elctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magntico sobre las partculas de la corriente elctrica, sean positivas o negativas. Este fenmeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la acumulacin de cargas en un lado de la placa, en el campo as creado, implica que el otro lado tiene una carga opuesta, crendose entonces una diferencia de potencial; la segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata de un campo positivo o negativo. Sensor de efecto Hall

158 No. 159Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEn la mayor parte de los metales, la carga es negativa, pero en algunos metales como el hierro, el zinc, el berilio y el cadmio es positiva, y en los semiconductores es positiva y negativa al mismo tiempo. Hay una desigualdad entre los intercambios negativos y los positivos; tambin en este caso, la medida del potencial permite saber cul domina, el positivo o el negativo.

Los sensores basados en efecto Hall suelen constar de un elemento conductor o semiconductor y un imn. Cuando un objeto ferromagntico se aproxima al sensor, el campo que provoca el imn en el elemento se debilita. As se puede determinar la proximidad de un objeto, siempre que sea ferromagntico.

La tensin Halls obtenida V, depende del grosor del material t, en la direccin del campo magntico aplicado, del campo magntico B, de la corriente primaria i y de propiedades elctricas del material recogidas en el llamado coeficiente Hall AH La relacin entre estos parmetros es :

AHIB = Vt

159 No. 160Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaSin embargo en la realidad la tensin Hall, suele depender de otros parmetros como: tensin mecnica, presin o temperatura de manera que:

V = V(B) + V(i) + V(p) + V(T) + ..

Frente a otros sensores magnticos el sensor Hall tiene la ventaja de que su funcionamiento no depende de la variacin del campo detectado. El semiconductor es preferido para la fabricacin de estos sensores. Los hay de SbIn, AsIn, Ge, AsGe, Si entre otros materiales.

Las aplicaciones del sensor Hall pueden ser analgicas (lineales) o digitales (conmutacin).160 No. 161Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico161 No. 162Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico162 No. 163Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico163 No. 164Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico164 No. 165Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico165 No. 166Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico166 No. 167Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico167 No. 168Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico168 No. 169Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico169 No. 170Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico170 No. 171Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico171 No. 172Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico172 No. 173Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico173 No. 174Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico174 No. 175Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico175 No. 176Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico176177Medicin y deteccin deFuerza Peso - Torque No. 178Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico178179Medicin y deteccin deTemperatura No. 180Luis Echeverra Y. - Laboratorio de Automatizacin y MecatrnicaEl Instrumento en un sistema Mecatrnico180

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departamento de ciencias de la energía y mecánica laboratorio de automatización y mecatrónica...

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