TECNOLOGÍA INDUSTRIAL IIOrientaciones y propuestas de trabajoSegundo curso de Bachillerato

PROYECTO Y EDICIÓN: grupo edebé

DIRECCIÓN GENERAL: Antonio Garrido González

DIRECCIÓN EDITORIAL: José Luis Gómez Cutillas

DIRECCIÓN DE EDICIÓN DE EDUCACIÓN SECUNDARIA: José Francisco Vílchez Román

DIRECCIÓN PEDAGÓGICA: Javier Brines Socies

DIRECCIÓN DE PRODUCCIÓN: Juan López Navarro

EQUIPO DE EDICIÓN DE EDEBÉ:

Edición: Francisco Ortiz Ahulló

Pedagogía: Juan Carlos Ledesma González

Ilustración: Antonio Porqueras Llopis

Corrección: Marcos F. Poquet Martínez

Cubierta: Luis Vilardell Panicot

COLABORADORES:

Texto: Manuel Murgui Izquierdo, Juan José Vela Rozalén y Juan José Vinagre Prieto

Asesoría: Vicente Mata Amela

Preimpresión: BABER, scp

ES PROPIEDAD DE GRUPO EDEBÉ© grupo edebé, 2003Paseo San Juan Bosco, 6208017 Barcelonawww.edebe.com

ISBN

Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproduc-ción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contarcon autorización de los titulares de la propiedad intelectual. La infracción de losderechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad inte-lectual (arts. 270 y ss. del Código Penal). El Centro Español de Derechos Repro-gráficos (www.cedro.org) vela por el respeto de los citados derechos.

Edición adaptada a la nueva ordenación curricular del Bachillerato.

Este libro corresponde al segundo curso de Bachillerato, materia de Tecnología Industrial,y forma parte de los materiales curriculares del proyecto editorial edebé,que ha sido debidamente supervisado y autorizado.

Orientaciones didácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Solucionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Modelos de pruebas finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

ÍNDICE GENERAL

5

Estructura del libro

Los contenidos del libro Tecnología Industrial II se han distribuido en tres bloques:

• El bloque I, denominado Materiales y principios de máquinas, contiene seis unidades didácticas.

Cada uno de los bloques se iniciacon una doble página en la que sedespliega el índice detallado de loscontenidos que se van a desarrollara lo largo de las unidades que locomponen.

En algunos casos, el texto se acom-paña de una imagen sugerente re-presentativa del bloque.

En las tres primeras se completa el análisis de los mate-riales iniciados el curso anterior.

Unidad 1. Estructura y propiedades de los materiales

Unidad 2. Ensayos mecánicos sobre materiales

Unidad 3. Reciclaje de materiales: importancia económica

En las tres siguientes se aborda el estu-dio de las máquinas térmicas y eléctricas.

Unidad 4. Motores térmicos

Unidad 5. Máquinas frigoríficas.Bomba de calor

Unidad 6. Motores eléctricos

ORIENTACIONES DIDÁCTICAS

En las tres primeras se describen los componentes funda-mentales y la estructura general de cualquier sistema au-tomático.

Unidad 7. Transductores de posición y de proximidad

Unidad 8. Otros transductores. Actuadores

Unidad 9. Estructura de un sistema automático

Las dos últimas unidades del bloque sedestinan a completar el análisis de loscircuitos neumáticos y oleohidráulicosdesde una perspectiva global.

Unidad 10. Circuitos neumáticos

Unidad 11. Oleohidráulica

• El bloque II, Automatismos, se desarrolla a lo largo de cinco unidades didácticas.

• El bloque III, al que llamamos Control y programación de sistemas, se despliega en cuatro unidadesdidácticas en las que se presentan los principales dispositivos de control empleados en la industria, des-de la adquisición y la transmisión de datos hasta los más modernos recursos de control programado,como las redes neuronales o los autómatas industriales.

Unidad 12. Adquisición y transmisión de datos

Unidad 13. Control mediante circuitos lógicos I

Unidad 14. Control mediante circuitos lógicos II

Unidad 15. Control programado

BLOQUE III CONTROL Y PROGRAMACIÓN DE SISTEMAS

12. Adquisición y transmisión de datos 288

1. Tipos de señales . . . . . . . . . . . . . . 290

1.1. Señales analógicas . . . . . . . . . . 290

1.2. Señales digitales . . . . . . . . . . . . 291

2. Controles analógico, digital y mixto . . . . 292

3. Adquisición y transmisión de datos . . . . 293

4. Convertidor analógico/digital . . . . . . . . 294

4.1. Selección de un convertidor analógico/digital . . . . . . . . . . . . 295

5. Convertidor digital/analógico . . . . . . . . 296

6. Transmisores . . . . . . . . . . . . . . . . 298

6.1. Principios de funcionamiento de la transmisión . . . . . . . . . . . . 299

7. Transmisión electrónica . . . . . . . . . . 300

7.1. Transmisores a dos hilos . . . . . . . 3017.2. Transmisor electrónico de presión

diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . 3037.3. Transmisión estándar de datos

para ordenador . . . . . . . . . . . . 305

286

13. Control mediante circuitos lógicos I 308

1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

2. Álgebra de Boole . . . . . . . . . . . . . . 312

2.1. Suma lógica . . . . . . . . . . . . . . 3122.2. Producto lógico . . . . . . . . . . . . 3132.3. Complementación o negación . . . . 3132.4. Propiedades comunes . . . . . . . . 314

3. Funciones lógicas y tablas de verdad . . . 316

4. Funciones elementales . . . . . . . . . . . 317

4.1. Función AND o Y . . . . . . . . . . . . 3174.2. Función OR u O . . . . . . . . . . . . 3174.3. Función NOT o NO . . . . . . . . . . 3174.4. Función NAND o NO Y . . . . . . . . 318

4.5. Función NOR o NO O . . . . . . . . . 3184.6. Función ORex u O exclusiva . . . . . 318

5. Representación de funciones lógicas . . . 319

6. Simplificación de funciones . . . . . . . . . 319

6.1. Diagramas de Karnaugh. . . . . . . . 320

7. Circuitos lógicos combinacionales . . . . . 322

7.1. Semisumador. . . . . . . . . . . . . . 3227.2. Sumador total. . . . . . . . . . . . . . 3237.3 Decodificadores . . . . . . . . . . . . 3247.4. Codificadores . . . . . . . . . . . . . . 3267.5. Multiplexores . . . . . . . . . . . . . . 327

14. Control mediante circuitos lógicos II 330

1. Circuitos secuenciales . . . . . . . . . . . . 332

2. Biestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3342.1. Biestable RS . . . . . . . . . . . . . . 3342.2. Biestable JK . . . . . . . . . . . . . . 3362.3. Biestable T . . . . . . . . . . . . . . . 3362.4. Biestable D . . . . . . . . . . . . . . . 336

3. Registros de desplazamiento . . . . . . . . 337

4. Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3374.1. Visualización del resultado . . . . . . 3384.2. Consideraciones generales

sobre los contadores. . . . . . . . . . 339

5. Memorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3405.1. Características generales . . . . . . . 3405.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . 341

6. Memorias semiconductoras . . . . . . . . 342

6.1. Memoria RAM . . . . . . . . . . . . . 342

6.2. Memorias de sólo lectura . . . . . . . 343

7. Memorias de masa o periféricas . . . . . . 346

7.1. Disco duro . . . . . . . . . . . . . . . 346

7.2. Disquete convencional de 3,5” . . . . 346

7.3. Disquete para unidades removibles . . . . . . . . . . . . . . . 347

7.4. Discos ópticos . . . . . . . . . . . . . 347

Análisis de sistemas técnicos

Apertura de una puerta . . . . . . . . . . . 348

287

15. Control programado 352

Vocabulario técnico 378

1. Tecnologías de automatización . . . . . . 3541.1. Análisis comparativo . . . . . . . . . . 356

2. Circuitos lógicos programables . . . . . . . 3572.1. Descripción de una FPLA . . . . . . . 358

3. El microprocesador . . . . . . . . . . . . . 3603.1. Descripción lógica . . . . . . . . . . . 3613.2. Periféricos. . . . . . . . . . . . . . . . 3623.3. Programación. . . . . . . . . . . . . . 362

4. El microcontrolador . . . . . . . . . . . . . 3634.1. Descripción lógica . . . . . . . . . . . 3634.2. Programación. . . . . . . . . . . . . . 3644.3. Evolución

de los microcontroladores . . . . . . 364

5. Autómata programable . . . . . . . . . . . 366

5.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . 367

6. Controladores industriales . . . . . . . . . 368

6.1. Programación. . . . . . . . . . . . . . 369

7. Redes neuronales . . . . . . . . . . . . . . 370

8. Control fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . 371

9. Control basado en modelos . . . . . . . . 372

Análisis de sistemas técnicos

Control inteligente de instalaciones . . . . 374

6

Introducciones de unidad

Las unidades didácticas que componen cada bloque se presentan siempre mediante una doble páginaque contiene:

• Una imagen sugerente, relacionada con los contenidos que se van a desarrollar y que pretende des-pertar el interés de los alumnos.

• Una relación de los objetivos que se pretenden alcanzar.

• El esquema de la unidad en el que se indican los contenidos que se van a trabajar para lograr los objetivos propuestos.

• Un conjunto de informaciones destinadas a la preparación de la unidad , que los alumnos han de conocer antes de iniciar el trabajo.

Desarrollo de los contenidos

La exposición de los contenidos se estructura en apartados y subapartados que reproducen la secuen-cia lógica de aprendizaje.

• Donde resulta necesario, se inclu-yen modelos de resolución de pro-blemas tecnológicos.

• En los márgenes se incluyen expli-caciones complementarias queayudan a comprender mejor los con-tenidos, las ampliaciones de espe-cial interés, las cronologías de laevolución histórica de la tecnología...

• Al final de algunos apartados, seproponen cuestiones y problemas,organizados de menor a mayor difi-cultad, para la aplicación de los con-tenidos estudiados en contextos di-ferentes.

288

12 ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS

Objetivos

• Distinguir las características que diferencian las señales analógicas de las digitales.

• Explicar el mecanismo de codificación de las señales binarias y reconocer su utilidad.

• Enumerar los elementos que constituyen un sistema de adquisición de datos desde la fuente hasta el actuador.

• Conocer las características de los sistemas de control analógico y digital, y analizar comparativamente sus ventajas y sus inconvenientes.

• Describir el funcionamiento de un convertidor analógico/digital y explicar el tipo de señal que se obtiene a la salida.

• Describir el funcionamiento de un convertidor digital/analógico y explicar el tipo de señal que se obtiene a la salida.

• Clasificar los transmisores según el tipo de energía que emplean.

• Reconocer los motivos que justifican la transmisión de datos y enumerar sus ventajas.

• Explicar el funcionamiento de la transmisión basado en el sistema de equilibrio de pares de fuerzas.

• Describir el funcionamiento de un transmisor electrónico de presión diferencial y justificar las ventajas deemplear un sistema realimentado.

• Conocer las características de algunos sistemas de transmisión estándar de datos para ordenador.

289

• Un sistema de control se encarga de mandar o go-bernar un proceso con el fin de obtener en él la salidadeseada. Esto puede efectuarse en lazo abierto o enlazo cerrado.

— Los sistemas en lazo abierto son sistemas no rea-limentados. Su comportamiento dependerá exclusi-vamente del regulador.

— Los sistemas en lazo cerrado son sistemas reali-mentados. Por consiguiente, su comportamientodependerá del comparador y del regulador.

• En un circuito eléctrico, las resistencias pueden aco-plarse en serie, en paralelo o mixto.

— Si dos resistencias se acoplan en serie, la resisten-cia total es la suma de ambas: RT R1 R2

— Si se acoplan en paralelo, la resistencia total seR1 R2obtiene del modo siguiente: RT —————.

(R1 R2)

Preparación de la unidadRecuerda

• Un código es un conjunto de signos preestablecidos,utilizados por un grupo de personas, que permiten latransmisión de una información.

El código binario, también llamado binario natural,emplea los símbolos 0 y 1.

Todos los números naturales del sistema decimal tie-nen sus equivalentes en el sistema binario. Así:

0 02) ; 1 12) ; 2 102) ; 3 112) ; 4 1002)

5 1012) ; 6 1102) ; 7 1112) ; 8 10002) ...

El código BCD (decimal codificado en binario) permi-te expresar cada dígito decimal en código binario.

El número de combinaciones posibles de bits (N) de-pende del número de bits empleados (n):

N 2n

Así, si utilizamos dos bits, podremos obtener 22 4combinaciones (00, 01, 10 y 11); si empleamos tresbits, obtendremos 23 8 combinaciones (000, 001,010, 011, 100, 101, 110 y 111); si empleamos cuatrobits, resultan 24 16 combinaciones, etc.

Por tanto, para representar los diez dígitos se necesitaemplear cuatro bits, es decir, 16 combinaciones, de lascuales seis no se asignan a ningún dígito.

El código BCD más usual es el denominado 8421 en el que la representación del 0 al 9 coincide con la delcódigo binario natural (salvo los ceros no significa-tivos).

1. Tipos de señales

1.1. Señales analógicas

1.2. Señales digitales

2. Controles analógico, digital y mixto

3. Adquisición y transmisión de datos

4. Convertidor analógico/digital

4.1. Selección de un convertidor analógico/digital

5. Convertidor digital/analógico

Esquema de la unidad

6. Transmisores

6.1. Principios de funcionamientode la transmisión

7. Transmisión electrónica

7.1. Transmisores a dos hilos

7.2. Transmisor electrónico de presióndiferencial

7.3. Transmisión estándarde datos para ordenador

Sistema decimal

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Código binario natural

0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001

Código BCD 8421

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

5. El motor de explosión de dos tiempos

Se trata de un motor térmico de combustión interna con encendidoprovocado (MEP) y con un proceso en dos tiempos o carreras.

En la figura 8, se pueden observar las partes esenciales de un motorde dos tiempos monocilíndrico.

Lo primero que se aprecia es la desaparición de las válvulas de admi-sión y escape, propias del motor de cuatro tiempos. En su lugar, apa-recen los conductos de admisión y escape denominados lumbrera deadmisión al cárter (La) y lumbrera de escape (Le).

Además, hay otra abertura que comunica el cárter con el cilindro y querecibe el nombre de lumbrera de transferencia (Lt).

Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el movimiento del pis-tón en el interior del cilindro.

La mezcla de combustible y aire no entra directamente en el cilindro,sino en el cárter, que actúa como una bomba que aspira la mezcla através de la lumbrera de admisión (La) y la transfiere al cilindro me-diante la lumbrera de transferencia (Lt).

5.1. Funcionamiento

El ciclo de funcionamiento de un motor de dos tiempos consta de lasmismas cuatro fases que el de cuatro tiempos, sólo que realizadas endos carreras del pistón y, por tanto, en una sola vuelta del cigüeñal. Asípues, distinguiremos la etapa de admisión-compresión y la de expan-sión-escape (fig. 9).

Admisión-compresión

El pistón asciende en su primera carrera desde el PMI hasta el PMS,arrastrado por el cigüeñal, que gira 180°. En este movimiento compri-me la mezcla que se encuentra en el cilindro.

A la vez, descubre la lumbrera de admisión (La) para que una ciertacantidad de mezcla nueva pase al cárter.

La lumbrera de escape (Le) permanece cerrada.

Al llegar el pistón al PMS, salta la chispa procedente de la bujía y seproduce la combustión de la mezcla.

Expansión-escape

Al producirse la combustión de la mezcla, se ejerce una presión sobreel pistón, que desciende bruscamente en su segunda carrera arras-trando el cigüeñal, que gira otros 180°.

La lumbrera de escape (Le) comienza a descubrirse y los gases que-mados pueden salir al exterior.

Inmediatamente, se descubre la lumbrera de transferencia (Lt) y lamezcla nueva procedente del cárter entra en el cilindro y desaloja elresto de los gases quemados.

El pistón se encuentra en el PMI y puede comenzar a ascender, arras-trado por el cigüeñal para iniciar un nuevo ciclo.

96

Fig. 8. Partes fundamentales de un mo-tor de dos tiempos monocilíndrico.

Lumbrera de escape

Lumbrera de admisión

Bujía

Pistón

Biela

Lumbrera detransferencia

Cigüeñal

Cigüeñal

Le

La

Bujía

Lt

Pistón

Biela

Fig. 9. Etapas de funcionamiento de unmotor de explosión de dos tiempos.

a b

c d

LeLa

Lt

LeLa

Lt

LeLa

Lt

LeLa

Lt

5.2. Parámetros y magnitudes característicos

Los parámetros característicos de un motor de dos tiempos son los mismos que hemos definido para el de cuatro tiempos: diáme-tro (D), carrera (S), régimen de giro (n) y relación volumétrica de com-presión (r).

El par motor y la potencia evolucionan en función del régimen de girodel motor del mismo modo que en el de cuatro tiempos (fig. 7).

La tabla 3 muestra las magnitudes características de dos motores dedos tiempos correspondientes a una motocicleta de competición (C) ya otra de paseo (P).

5.3. Ventajas e inconvenientes

Comparado con un motor de cuatro tiempos, el de dos tiempos pre-senta las ventajas siguientes:

• Sencillez de construcción, pues carece de árbol de levas y, en con-secuencia, de la correspondiente correa de distribución.

• Supresión de las válvulas, que siempre están sujetas a gran desgaste.

• Mayor potencia, ya que el motor de dos tiempos efectúa trabajo útilen cada vuelta del cigüeñal, mientras que el de cuatro tiempos lo realiza cada dos vueltas.

• Mejor funcionamiento de los órganos de transmisión.

Sin embargo, también tiene algunos inconvenientes, tales como:

• Menor rendimiento mecánico.

• Mayor temperatura de funcionamiento, ya que la combustión de lamezcla se produce con una frecuencia superior.

• Mayor desgaste de sus órganos, por la misma razón expuesta en el punto anterior.

• Mayores niveles de contaminación generados por la combustión delos aditivos de la mezcla.

5.4. Aplicaciones

El motor de explosión de dos tiempos tiene dos campos de aplicaciónfundamentales:

• Pequeños motores para lanchas fueraborda, motocicletas y auxilia-res. Suelen ser motores sencillos, de bajo coste, refrigerados poraire y autolubricados mediante aditivos de la mezcla combustible.

• Grandes motores para embarcaciones caracterizados por una granpotencia.

97

Autoencendido, picadoy detonación

En los motores de dos y cuatro tiem-pos, la chispa de la bujía salta cuan-do el pistón está a punto de llegar alPMS.

La mezcla se inflama y la combus-tión se propaga, no de forma instan-tánea, sino de modo progresivo.

En ocasiones, la dilatación de los gases quemados puede comprimiraún más la parte no inflamada y pro-vocar su autoinflamación o autoen-cendido.

Este fenómeno da lugar a la apari-ción de vibraciones de las partes me-cánicas de la cámara de combustióny a un ruido característico, que sueledenominarse picado del motor.

Cuando esto ocurre, decimos que seha producido una detonación.

5. Calcula el volumen de la cámara de compresión de los motores que aparecen en la tabla 3 a partirde los datos de la relación de compresión y la cilin-drada.

Sol.: 30,93 cc; 4,9 cc

6. Calcula la nueva cilindrada y el nuevo volumen de lacámara de compresión de la motocicleta de com-petición de la tabla 3 si aumentamos la carrera has-ta 66 mm y el diámetro del cilindro a 85 mm.

Sol.: 374,33 cc; 35 cc

Magnitud C P

Número de cilindros 1 1

Cilindrada total (cc) 331 49

Carrera (mm) 64 31

Diámetro (mm) 83,2 44

Relación S/D 0,76 0,70

Relación de compresión 11,7 11

Potencia máxima(CV) 50 7

n potencia máxima(rpm) 8 000 8 000

Tabla 3. Magnitudes características dealgunos motores de dos tiempos.

7

Análisis de sistemas técnicos

Con el fin de facilitar a los alumnosuna visión de conjunto de las aplica-ciones tecnológicas que pueden en-contrar en su entorno, al final de algu-nas unidades se incorpora una doblepágina en la que se presenta el análi-sis de un sistema técnico desde lospuntos de vista anatómico, funcional ytécnico.

A medida que se avanza en el desarrollo de los contenidos, los sistemas van siendo progresivamente máscomplejos, de modo que incorporen los elementos, los materiales, los mecanismos y los procesos anali-zados hasta ese momento. La relación de sistemas propuestos a lo largo del libro es la siguiente:

Páginas de cierre

Las unidades se cierran con una doble página formada por dos apartados: Síntesis de la unidad y Activi-dades de aplicación.

• El apartado Síntesis de la unidadestá constituido por un cuadro si-nóptico que resume la informaciónmás significativa estudiada. Cuan-do resulta conveniente, se incluyenfórmulas para la resolución de pro-blemas y la simbología normalizadautilizada para la representación deelementos y circuitos.

• Las Actividades de aplicación pre-sentan un conjunto de cuestionesteóricas y ejercicios prácticos quepretenden determinar si los alum-nos han alcanzado los objetivos pro-puestos.

• Unidad 1: la cisterna del inodoro

• Unidad 4: una motocicleta

• Unidad 5: un frigorífico doméstico

• Unidad 6: una taladradora portátil

• Unidad 7: línea de llenado de botellas

• Unidad 8: apertura y cierre de una puerta

• Unidad 9: un horno doméstico

• Unidad 10: apertura de la compuerta de una tolva

• Unidad 11: una mesa regulable en altura

• Unidad 14: apertura de una puerta

• Unidad 15: control inteligente de instalaciones

282

Síntesis de la unidadEn los cuadros siguientes se resumen los conceptos fundamentales relacionados con los elementos de un circuito oleohidráulico y sus características más destacadas.

Elemento Tipo Función Características

BombasDe engranajes

De paletas

Aspirar el aceite del depósito e im-pulsarlo al circuito a una determi-nada presión y caudal.

Presión nominal

Caudal

Régimen de giro

VálvulasDe corredera

Electroválvulas

Gobernar los elementos de trabajomediante el paso de aceite a pre-sión a través de sus orificios ovías.

Se designan mediante un código numérico:2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, etc.

Su mando puede ser manual, por palanca, porpedal, por pulsador, por roldana, hidráulico oeléctrico. Su retorno puede ser por resorte, hi-dráulico o eléctrico.

Cilindros

De simple efecto

Transformar la energía de presióndel aceite en movimiento rectilíneoalternativo.

Sólo efectúan trabajo útil en el movimiento deavance.

Fuerza ejercida por el vástago:

D 2Fe P ——— E4

Volumen de aceite consumido:

D 2V —— e

4

La presión de trabajo es muy superior a la delos cilindros neumáticos.

De doble efecto

Efectúan trabajo útil tanto en el movimiento deavance como en el de retroceso.

Fuerza ejercida por el vástago:

D 2 (D 2 d 2)Fea P —— Fer P —————

4 4

Volumen de aceite consumido:

(D 2 d 2)VT Va Vr ————— e

4

La presión de trabajo es muy superior a la delos cilindros neumáticos.

MotoresDe engranajes

De paletas

Transformar la energía de presióndel aceite en movimiento giratoriocontinuo.

Presión nominal

Caudal

Régimen de giro

Elementos auxiliares

FiltrosRetener y retirar las impurezas quepuede transportar el aceite. Elevada capacidad de aspiración

Válvulaantirretorno

Impedir la circulación del aceite enun determinado sentido. Idénticas a las neumáticas

Válvula selectorade circuito

Permitir la salida del aceite por unorificio único cuando procede dedos conductos distintos.

Idénticas a las neumáticas

Válvula reguladora de caudal

Controlar el caudal de aceite quepasa por una conducción.

Pueden ser unidireccionales y bidireccionales.

Válvula limitadorade presión

Regular o limitar la presión de tra-bajo del aceite. Similares a las neumáticas

283

Actividades de aplicación4. Define correctamente los conceptos de viscosi-

dad y viscosidad cinemática, e indica en qué uni-dades se mide cada una de ellas en el SI.

— Nombra otras unidades técnicas que se em-plean para medir estos parámetros y justificasu relación con las unidades del SI.

5. Justifica razonadamente por qué la resistenciaoleodinámica de un fluido es directamente pro-porcional a su densidad, su viscosidad cinemáticay la longitud del tubo, e inversamente proporcio-nal al diámetro de éste.

6. Enumera las funciones básicas que ha de cumplircualquier fluido oleohidráulico y justifica en quécasos está aconsejado no utilizar aceite mineral.

7. Confecciona un esquema con los elementos bási-cos de cualquier circuito oleohidráulico y loscomponentes de cada uno.

8. Elige uno de los tipos de bombas analizadas en launidad y describe su funcionamiento. Puedesayudarte de un dibujo esquemático.

9. Explica las analogías y las diferencias que existenen la representación simbólica de una válvulaneumática y una oleohidráulica.

10. Nombra las válvulas que aparecen representadasen la figura siguiente.

11. Esta secuencia de dibujos representa el funciona-miento de una válvula 5/2 de corredera.

— Represéntala simbólicamente y describe elproceso de trabajo.

12. Representa simbólicamente las siguientes válvulas:

a) 3/2 NC con mando hidráulico y retorno porresorte.

b) 4/2 con mando y retorno hidráulicos.c) 5/2 con mando por palanca y retorno por

resorte.d) 3/2 NC con mando eléctrico y retorno por

resorte.

— Compara estas representaciones con las querealizaste en la actividad 6 de la unidad ante-rior y señala sus semejanzas y sus diferencias.

13. Calcula las fuerzas efectivas de avance y de retro-ceso del vástago de un cilindro de doble efecto apartir de los datos siguientes: diámetro del ém-bolo, 50 mm; diámetro del vástago, 30 mm; pre-sión de trabajo, 225 bar; rendimiento, 85 %.

Sol.: 37 533 N; 24 021 N

14. Calcula el consumo de aceite del cilindro ante-rior, en L/min, suponiendo que la carrera del vás-tago es de 180 mm y que efectúa 4 ciclos/min.

Sol.: 2,31 L/min

15. Disponemos de un cilindro de doble efecto,cuyo rendimiento es del 85 %, que trabaja a unapresión de 50 bar. El vástago tiene 28 mm de diá-metro.

— Calcula el diámetro que ha de tener el cilindropara obtener una fuerza efectiva de avancede 8 435 N.

— Con las dimensiones obtenidas en el apartadoanterior, calcula la fuerza efectiva que se ob-tiene en el retroceso.

Sol.: 50 mm; 5 725 N

16. Explica las semejanzas y las diferencias entre unmotor de engranajes y una bomba de engranajes.

17. Justifica la utilidad de las válvulas antirretorno.

18. Confecciona un dibujo esquemático de una vál-vula reguladora de caudal unidireccional y expli-ca cómo funciona.

— Dibuja también su símbolo y explica qué fun-ción desempeña el antirretorno de su interior.

19. Repite el proceso anterior con una válvula bidi-reccional. Señala las analogías y las diferenciascon la unidireccional.

20. Explica qué debemos hacer para conseguir quela velocidad de salida del vástago de un cilindrosea prácticamente instantánea.

21. Indica cómo podemos limitar la carrera de un ci-lindro, es decir, conseguir que no lleve a cabo sucarrera máxima.

T

P

A AB

T RPBA

P T

T P R

RPT

AB

B A

a) b)

c)

Todos Todos T los sistemas automáticos presentan algunos fallos de funcionamiento. Por regla general, estos fa-llos se producen como consecuencia de problemasde fatiga del sistema por el tiempo que lleva en funcio-namiento.

Para corregirlos, es conveniente detectarlorlor s. Una vezdetectado el error, será necesario arbitrar las solucio-nes idóneas para subsanarlo.

En este caso, vamos a analizar una línea de llenad ode bote llas y cierre con tapón metálico. Este dispo-sitivo es habitual en los procesos industriales de en-vasado de líquidos.

Los fallos más comunes que suelen presentarse eneste tipo de procesos son, entre otros, los siguientes:

1. La botella está insuficientemente llena.

2. La botella carece de tapón.

3. La botella se ha roto durante el proceso de coloca-ción del tapón.

A efectos de detección de fallos, el segundo y el ter-cero pueden tratarse conjuntamente, ya que en am-bos la botella carece de tapón.

El problema se reduce, pues, a detectar dos posiblesfallos: si la botella está correctamente llena y si dispo-ne de tapón metálico.

Para llevar a cabo la detección, será necesario dise-ñar un sistema de control capaz de indicar los erroresprevistos.

Procederemos, por tanto, a señalar las característiístií -cas de los elementos que deben componer el siste-ma, definir su funcionamiento y proponer alternativrnativr asvasvposibles.

Caracte rísticasísticasí

Los detectores de proximidad analizados hasta ahorason fundamentalmente de dos tipos: inductivos vos v y ca-pacitivosvosv .

• Los detectores de proximidad inductiv os son dis-positivos que basan su actuación en fenómenos detipo magnético.

Se fundamentan en la variaciiacii ón del campo magné-tico producido en una bobina detectora como con-secuencia del acercamiento o del alejamiento de unobjeto.

Los materiales más fácilmente detectables sonaquellos que posean características de buenosconductores de los flujos magnético y eléctrico.

• Los detectores de proximidad capaciti vos son dis-positivos que basan su actuación en fenómenos detipo eléctritrit coicoi .

Detectan la variaciiacii óiói n de capacidades existente en-tre la placa sensora y tierra cuando se aproxima unobjeto.

Pueden utilizarse indistintamente para detectar ma-teriales conductores o dieléctricos, aunque estánespecialmente indicados para estos últimos.

174

ANA ÁLISIS DE S TTÉCNCCANANANANÁÁÁÁ S SS S SLISIS DE SISTEMASLISIS DE SISTEMAS LISIS DE SISTEMAS SISTEMASLISIS DE SISTEMAS SISTEMASS S S S SLISIS DE SISTEMAS S S S S SSLISIS DE SISTEMAS S TTTTTTTTÉÉÉÉÉ SC COSCNICOSCNICOSCNICOSCNICCNICOSCNICC COSCNICOSC COS

Por lo tanto, para detectar la presencia o la ausenciade tapón metátát lico en la botella, podemos utilizar undetector induc tivo.

Por lo tanto, para detectar si la botella estátát correcta oincorrectamente llena, podemos emplear un detectorcapaciti vo.

Línea de llenado de botellaínea de llenado de botellaí s

175

Func ionam iento

El circuito de control estará formado por un detectorde proximidad inductivo y otro capacitivo.

El detector induc tivo será el encargado de detectar lapresencia de tapones metálicos. Para ello, se situaráen posición vertical de modo que las botellas pasenjusto por debajo de él.

• Cuando una botella está correctamente tapada, lapresencia del tapón metálico activa el detector. Laseñal es enviada a un conmutador que desactiva elactuador y deja que la botella prosiga su camino enla línea de llenado.

• Cuando la botella carece de tapón o está rota, eldetector no se activa y el conmutador invierte la se-ñal y activa el actuador para que extraiga la botelladel circuito de llenado.

El detector capacit ivo se encarga de detectar el nivelde llenado de las botellas. Para que funcione de ma-nera idónea, es necesario calibrarlo con el fin de quese active cuando la variación de capacidad se originapor una botella correctamente llena.

• Cuando una botella está totalmente llena, el detectorse activa y emite una señal. Ésta es captada por elconmutador, que se encarga de desactivar var v el actua-dor para que la botella prosiga en la línea de llenado.

• Cuando una botella está insuficientemente llena, lavariación de campo eléctrico provocada no es sufi-ciente para activar el detector, con lo que, al no pro-ducirse señal, el conmutador activa el actuadorpara que saque la botella de la línea de llenado.

Este funcionamiento tiene dos inco nvenientes quedeben ser subsanados.

— Desde el punto de vista del detector inductivo, seplantea el problema del espacio que queda entre

botella y botella, ya que, al no detectar tapón metá-lico, la ausencia de señal puede provocar la activa-ción del actuador.

El problema se resuelve temporizando rizando r la frecuen-cia de la señal para que coincida con la frecuenciade paso de las botellas.

— Desde el punto de vista del detector capacitivo, elproblema está en los huecos que pueda dejar la lí-í-ínea de llenado entre botella y botella, ya que pue-den ser interpretados como botellas insuficiente-mente llenas y activar el actuador.

Para resolverlo, basta configurar la línea de llena-do de modo que se impida, en la práctica, la exis-tencia de dichos huecos.

Alternat ivas

Existen dos posibles alternat ivas al diseño del siste-ma que hemos expuesto.

• La primera de ellas consiste en mod ificar la líneade llenad o de modo que el actuador se activecuando se detecta una botella provista de tapón ocorrectamente llena, con lo que se evita el problemade los huecos.

El inconveniente de esta alternativa radica en queel actuador tiene que intervenir venir v con mucha más frecuencia, ya que hay que suponer que la inmen-sa mayoría de las botellas cumplirán los requisitosestablecidos. Esto supone un mayor consumo deenergía y el riesgo de fallos en el funcionamientodel actuador.

• La segunda consiste en modificar el func iona -miento de los detectores para que detecten sólolas botellas desprovistas de tapón o insuficiente-mente llenas, lo que supone elegir el detector inver-so a los anteriores.

8

Vocabulario técnico

Al final del libro, se recoge un glosario de los términos de uso técnico empleados en el desarrollo de lasunidades didácticas.

Con el fin de facilitar su localización, cada término se acompaña con las páginas en las que se hace referencia a él. En negrita, se señala dónde se trabaja de una manera significativa.

De este modo, el vocabulario tiene una doble utilidad:

— Por una parte, funciona como diccionario técnico, ya que explica el significado de los términos que recoge.

— Por otra, sirve como índice alfabético para localizar los términos en el libro.

378

VOCABULARIO TÉCNICO

En las páginas siguientes, encontrarás un vocabu-lario compuesto por un gran número de términosque se estudian en las distintas unidades de este libro. Se presentan por orden alfabético.

Con el fin de facilitar su manejo, conviene tener encuenta las consideraciones siguientes:

• Cada término incluye la definición y las páginas en las que aparece. Si el concepto se desarrollade manera sistemática en algún apartado o suba-partado, se indica mediante páginas en negrita.Por ejemplo:

Las características del disco duro como memo-ria periférica se exponen en la página 346. En lapágina 347, se hace referencia al concepto dedisco duro en relación con otras unidades de me-moria de masa.

• Si un término tiene varias acepciones, se reco-gen todas aquellas que se emplean en el libro.Por ejemplo:

Cuando el término condensador se trata en laspáginas 17, 146, 155, 166, 207, 208, 224, 225 y230, nos estamos refiriendo a un componenteeléctrico. Cuando dicho término se analiza en laspáginas 112 a 117 y 120 a 126, hablamos de un

componente de una máquina frigorífica o unabomba de calor.

• Si de un concepto conviene especificar algunascaracterísticas peculiares, se indican éstas encursiva. Por ejemplo:

En las páginas 200, 218, 219, 298, 342, 343, 357 y 358, el concepto de amplificador tiene un senti-do general. En la página 301 se estudia espe-cíficamente el amplificador convertidor, y en laspáginas 192, 199, 202, 205, 292 y 293 se desarro-lla el amplificador operacional.

• Si un concepto tiene varias acepciones, se reco-gen todas ellas y se remite a la de uso más fre-cuente. Por ejemplo:

Los términos diferencia de potencial y voltajeremiten a tensión. De las dos acepciones queposee este término, es obvio que nos referimos ala primera de ellas.

En las páginas referenciadas en este bloque pue-de aparecer indistintamente el concepto comotensión, como voltaje o como diferencia de po-tencial.

Disco duro (HD). Memoria de masa formada poruna superficie magnética donde se graba la infor-mación por medio de un cabezal de lectura/escrituraque interacciona con dicha superficie (pp. 346, 347,350).

Amplificador. Dispositivo electrónico que aumenta la intensidad de la señal de entrada (pp. 200, 218, 219, 298, 342, 343, 357, 358). Amplificador conver-tidor (p. 301), operacional (pp. 192, 199, 202, 205,292, 293).

Diferencia de potencial. V. Tensión.

Voltaje. V. Tensión.

Tensión. 1. Diferencia de potencial entre los extre-mos de un conductor, un componente eléctrico o uncircuito. También se denomina diferencia de poten-cial o voltaje. Se mide en voltios (pp. 27, 29, 30, 55,57, 71, 130, 155, 160, 165-169, 171, 176, 179, 181-184, 187, 191-194, 199, 202-205, 207, 208, 224, 225,227, 242, 271, 293, 295, 298, 303, 304, 339, 345,366, 373). 2. Fuerza que se ejerce en un esfuerzo detracción o de compresión (pp. 44-47, 50).

Condensador . 1. Operador eléctrico de corrientealterna cuya misión es acumular carga eléctricapara cederla en el momento oportuno. Su capacidadse mide en faradios (F) (pp. 17, 146, 155, 166, 207,208, 224, 225, 230). 2. Elemento de una máqui-na frigorífica en la que el fluido frigorígeno pasa deestado gaseoso a estado líquido (pp. 112-117, 120-126).

379

A

Abrasión. Desgaste de un material por fricción (pp. 15, 28,31).

Acero. Producto siderúrgico cuyo contenido en carbono os-cila entre el 0,1 % y el 1,76 % (pp. 15, 18, 21, 22-24, 27,28, 33, 39-43, 46, 52, 56, 57, 61, 68, 70, 74, 75, 81, 84,125, 129, 141, 272, 274).

Ácido. Sustancia química de acción corrosiva sobre losmetales y sobre otros materiales (pp. 17, 25, 28, 63, 84,104). Ácido crómico (pp. 26, 27), fosfórico (p. 27), nítrico(pp. 23, 61), sulfúrico (pp. 27, 61).

Actuador. Dispositivo encargado de actuar sobre un proce-so una vez recibida la orden procedente de otro elemen-to del sistema (pp. 159, 175, 176, 198, 199, 200-201,202, 205, 207, 212, 213, 216, 224, 228, 230, 234, 239,267, 275, 276, 293, 348, 354, 370).

Acumulador. Dispositivo que puede almacenar o acumularun fluido o una determinada cantidad de energía mecá-nica y devolverla en el momento necesario (pp. 87, 115,233).

Admisión. Fase del ciclo de un motor térmico en la que lamezcla combustible se introduce en el interior del cilin-dro (pp. 91, 92, 93, 96, 98, 100, 101, 108).

Afinidad electrónica. Avidez de un átomo por capturar elec-trones (pp. 10, 11).

Afino. Denominación que recibe el proceso de eliminaciónde las impurezas que contiene un metal en bruto (p. 68).

Aglomerante. Sustancia que liga o mantiene unidos diver-sos componentes heterogéneos (p. 28).

Aislante. Material que impide, en la práctica, el paso delsonido, la luz, el calor o la corriente eléctrica (pp. 16, 17,70, 149).

Alcalino/a. Sustancia química de acción corrosiva sobreciertos materiales y de naturaleza contraria a la de losácidos (p. 69).

Alcohol. Nombre genérico de una familia de compuestosorgánicos derivados de los hidrocarburos. Con frecuen-cia suele utilizarse para designar el etanol o alcohol etíli-co (p. 102).

Aleación. Material que resulta de la disolución de un sólidoen otro sólido cuando ambos están en estado de fusióny que conserva propiedades metálicas (pp. 13, 18-21,22, 23, 30-33, 46, 53, 163, 191, 245). Aleación eutéctica(p. 19).

Aleante. Componente de una aleación (pp. 18-20).

Álgebra de Boole. Estructura algebraica que correspondea un conjunto de elementos, que pueden tomar los valo-res 0 y 1, y sobre los que se definen tres operaciones bi-narias: suma lógica, producto lógico y complementacióno negación (pp. 291, 312-315, 316, 319, 328).

Algodón. Fibra textil de origen vegetal (p. 83).

Alquitrán. Producto que se obtiene de la destilación secade la hulla y del petróleo (p. 75).

Alternador. Generador de corriente alterna (p. 130).

ALU. Sigla con la que se identifica la unidad aritmético-lógi-ca de un microprocesador (pp. 361, 363).

Alúmina. Óxido de aluminio, Al2O3, de color blanco y as-pecto gelatinoso (pp. 14-16, 27, 28).

Aluminio. 1. Elemento químico de carácter metálico. Susímbolo es Al (pp. 9, 10, 12, 14, 17, 29-31). 2. Metal lige-ro de tipo no férrico (pp. 15, 23, 25, 27, 40, 46, 67, 163,243).

Aluminización. Técnica de recubrimiento de un metal porinmersión en caliente en un baño de aluminio fundido (p. 30).

Amoníaco. Compuesto químico, de fórmula NH3, utilizadoantiguamente como fluido frigorígeno (pp. 113, 123).

Amorfo. Estado de agregación de un sólido que carece deestructura cristalina (pp. 12, 14).

Amortiguación. Reducción de la velocidad del émbolo deun cilindro oleohidráulico o neumático cuando efectúa laparte final de la carrera de avance o retroceso (pp. 238,273).

Amperio (A). Unidad de intensidad eléctrica en el SI. Es laintensidad de corriente que produce la circulación de unculombio por segundo en un conductor (pp. 27, 29, 129,132-136, 144, 160, 161, 207). Miliamperio (mA) (pp. 165,169, 182, 227, 301).

Amplificador. Dispositivo electrónico que aumenta la inten-sidad de la señal de entrada (pp. 200, 218, 219, 298,342, 343, 357, 358). Amplificador convertidor (p. 301),operacional (pp. 192, 199, 202, 205, 292, 293).

Analógica. Tipo de señal que varía de forma continua enfunción del tiempo (pp. 182, 198, 224, 227, 229, 290,292-297, 310, 368, 372).

Ancho de banda. Margen de frecuencias con que puedetrabajar un componente (p. 292).

Angström. Unidad de longitud equivalente a 1010 m (p. 56).

Anillo limpiador. Pieza que se coloca en el lado opuestodel émbolo de un cilindro oleohidráulico para mantenerel vástago limpio de aceite (p. 274).

Anión. Ion provisto de carga negativa (pp. 10, 11).

Anodizado. Procedimiento electrolítico por el cual se recu-bre el aluminio de una capa que le protege de la corro-sión (pp. 27, 243).

Ánodo. Polo positivo (pp. 25, 27, 30, 31, 57, 155, 173).Ánodo de sacrificio (pp. 30, 31).

Antimonio. Elemento químico, de carácter no metálico. Susímbolo es Sb (pp. 9, 17).

Antracosis. Enfermedad provocada por la inhalación depolvo de carbón (p. 82).

Árbol. Elemento de máquina, cilíndrico o no, sobre el quese montan diferentes piezas mecánicas y que gira so-lidariamente con ellas. Transmite momentos de giro (pp. 48, 50, 97). Árbol de levas (p. 97).

Arcilla. Roca sedimentaria procedente de la descomposi-ción del granito. Está constituida básicamente por silica-to de aluminio (pp. 14, 17, 63, 84).

9

SOLUCIONARIO

Este solucionario permite al profesor/a la correcciónde las actividades propuestas en el libro del alumno.

Puede ser interesante que los alumnos lo utilicen como método de autoevaluación de las actividades

de aplicación que se plantean al final de cada unidad.

Con esta finalidad, el profesor/a puede fotocopiarlas páginas correspondientes a dichas actividades

y proporcionárselas a los alumnos.

ÍNDICE

Bloque I. Materiales y principios de máquinas

Unidad 1. Estructura y propiedades de los materiales . . . . . . . . . . . . . . 11

Unidad 2. Ensayos mecánicos sobre materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Unidad 3. Reciclaje de materiales. Importancia económica . . . . . . . . . . . 20

Unidad 4. Motores térmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Unidad 5. Máquinas frigoríficas. Bomba de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Unidad 6. Motores eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Bloque II. Automatismos

Unidad 7. Transductores de posición y de proximidad . . . . . . . . . . . . . . 45

Unidad 8. Otros transductores. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Unidad 9. Estructura de un sistema automático. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Unidad 10. Circuitos neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Unidad 11. Oleohidráulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Bloque III. Control y programación de sistemas

Unidad 12. Adquisición y transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Unidad 13. Control mediante circuitos lógicos l . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Unidad 14. Control mediante circuitos lógicos II. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Unidad 15. Control programado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

11

Actividades de aplicación (pág. 35)

1. La capacidad de reacción de un elemento vie-ne determinada por la estructura de la capade electrones más externa.

— Si esta capa está completa, el elemento nopresenta tendencia a ceder, capturar ni com-partir electrones. Es el caso de los gasesnobles: helio, argón, neón, xenón y criptón.

— Si a la capa exterior le falta algún electrónpara completarse, el elemento presentauna elevada afinidad electrónica, es decir,tiene tendencia a capturar los electronesque le faltan para convertirse en ion nega-tivo (anión), y adquirir así la configuraciónde gas noble. Es el caso de los no metales:flúor, cloro, bromo, yodo, oxígeno, azufre,nitrógeno, fósforo...

— Si la capa exterior posee muy pocos elec-trones, la afinidad electrónica del elementoes muy baja, es decir, tiende a ceder loselectrones para convertirse en ion positivo(catión), de estructura electrónica estable.Es el caso de los metales: litio, sodio, pota-sio, magnesio, calcio, aluminio, titanio, cro-mo, hierro, níquel, cobre, cinc, plomo, esta-ño, mercurio...

2. Las sustancias metálicas presentan enlacemetálico. Este enlace se caracteriza por laexistencia de una nube electrónica en torno alos iones metálicos. Los electrones que for-man esta nube se encuentran en la denomina-da banda de conducción y pueden trasladarsede unos iones a otros, lo que facilita la con-ducción de la corriente eléctrica.

Los compuestos iónicos están formados porun retículo cristalino constituido por iones po-sitivos y negativos. Cuando estos compuestosse disuelven en agua, los iones pueden des-plazarse por el seno de la disolución, lo quetambién facilita la conducción de la corrienteeléctrica.

Por el contrario, los compuestos covalentesestán formados por moléculas definidas entrelas que en ocasiones existen algunas fuerzasintermoleculares de carácter electrostático.Por eso resultan, en general, malas conducto-

ras de la electricidad, ya que el flujo de elec-trones no encuentra soporte material paradesplazarse.

3. El estado cristalino se caracteriza por laexistencia de una ordenación regular de losátomos, los iones o las moléculas componen-tes de una sustancia según unas formas geo-métricas determinadas. En este estado, laspartículas se sitúan ocupando los nudos o lospuntos singulares de una red espacial geo-métrica denominada cristal, que se repite deforma elemental en las tres direcciones del es-pacio.

Los sólidos que presentan estructura cristali-na son anisótropos, es decir, sus propiedadesmecánicas (dureza, fragilidad, resistencia a latracción...) dependen de la orientación en elespacio que se considere.

En estado amorfo, por el contrario, las partí-culas componentes del sólido se agrupan alazar sin que exista relación ni distancia defini-da entre ellos.

Los sólidos amorfos suelen ser isótropos, estoes, presentan las mismas propiedades en cual-quier dirección del espacio que se considere.

Los tratamientos térmicos pueden cambiarlas características estructurales de un sólido y,en consecuencia, modificar también sus pro-piedades mecánicas.

Así, un enfriamiento lento favorece la apari-ción de estructuras cristalinas mientras que unenfriamiento rápido favorece la formación desólidos amorfos.

4. Podemos distinguir entre propiedades físicas,químicas y mecánicas.

— Las propiedades físicas más importan-tes son: extensión, impenetrabilidad ycomportamiento del material bajo la accióndel calor, la electricidad, el magnetismoo la luz.

— Las propiedades químicas más signifi-cativas son la oxidación, la corrosión y lacapacidad de reacción frente a diversosagentes.

1. Estructura y propiedades de los materiales

— Las propiedades mecánicas son: cohe-sión, dureza, elasticidad, plasticidad, ma-leabilidad, ductilidad, tenacidad, fragilidad,fatiga y resiliencia.

A la hora de fabricar los componentes de unautomóvil habrá que tener en cuenta las pro-piedades siguientes:

— Para los neumáticos: resistencia térmica,impermeabilidad, inercia química frente aagentes atmosféricos y elasticidad.

— Para el bloque motor: bajo coeficiente dedilatación, tenacidad y resistencia a la fa-tiga.

— Para las barras de torsión: elasticidad y re-sistencia a la fatiga.

— Para las lunas: inercia química frente a losagentes atmosféricos, dureza y transpa-rencia.

— Para el cigüeñal y las bielas: bajo coefi-ciente de dilatación, tenacidad y resisten-cia a la fatiga.

— Para las válvulas, el cilindro y el pistón:bajo coeficiente de dilatación, resistencia ala corrosión y dureza.

— Para la correa de distribución: elasticidad,resistencia térmica y resistencia a la fatiga.

— Para la carrocería: plasticidad, resistenciaa la corrosión, dureza y resiliencia.

5. De acuerdo con las propiedades anteriores,los materiales más adecuados serían:

— Para los neumáticos: caucho vulcanizado(químicamente inerte y muy elástico).

— Para el bloque motor: fundición o aleacio-nes de aluminio (tenaces y resistentes a lafatiga).

— Para las barras de torsión: acero para mue-lles de baja aleación (soporta bien los es-fuerzos de torsión).

— Para las lunas: vidrio laminado (duro, trans-parente y químicamente inerte).

— Para el cigüeñal y las bielas: acero al cro-mo-níquel de baja aleación (duro, tenaz yfácilmente mecanizable).

— Para las válvulas, el cilindro y el pistón:aceros inoxidables (duros, tenaces y conbuena resistencia a los agentes corrosi-vos).

— Para la correa de distribución: neopreno(resistente a la tracción y elástico).

— Para la carrocería: chapa de acero o dealuminio (plásticas y resistentes a la corro-sión si han sido previamente tratadas).

6. a) Un trozo de madera de pino se hiende confacilidad: cohesión escasa.

b) No puede clavarse un clavo sobre una pie-za de acero: dureza elevada.

c) Al dejar de presionar un muelle, éste recu-pera su forma inicial: elasticidad elevada.

d) Una barra de plomo de pequeño diámetropuede doblarse fácilmente con las manos:plasticidad elevada.

e) Pueden obtenerse hilos de volframio demuy pequeño calibre: ductilidad elevada.

f) El arrabio que sale del horno alto puedeser extendido en láminas: maleabilidadelevada.

g) El hierro dulce admite bien los procesos deforja en caliente: tenacidad escasa.

h) El vidrio de ventana se rompe si se le gol-pea con un objeto contundente: fragilidadelevada.

i) Si doblamos repetidamente un alambre porel mismo sitio, acaba rompiéndose: fatiga.

7. El vidrio de ventana es una mezcla en diferen-tes proporciones de sílice, caliza y otros com-ponentes. No presenta una estructura cristali-na definida, sino que es amorfo. Por eso, esincorrecto denominarlo cristal.

8. La estructura microcristalina de los materialesvitrocerámicos les confiere una elevada resis-tencia mecánica, una elevada temperatura defusión y una dilatación térmica muy baja. Poreste motivo, están especialmente indicadospara fabricar componentes sometidos a cho-ques térmicos bruscos, ya que su escasa dila-tación hace poco probable que puedan llegara romperse.

12

13

9. Los materiales cerámicos más empleado en la fabricación de núcleos de bobina de elec-troimanes y de imanes permanentes son lasferritas (óxidos de hierro, a los que se añadeníquel, cobalto o magnesio, y que se obtienenpor sinterización).

— Para fabricar electroimanes se utilizan lasferritas blandas porque mantienen las pro-piedades magnéticas mientras dura el pasode corriente y se desmagnetizan inmedia-tamente una vez cesa ésta.

— Para fabricar imanes permanentes seemplean ferritas duras, capaces de mante-ner las propiedades magnéticas a lo largodel tiempo.

La ventaja fundamental respecto a los imanesmetálicos radica en su baja conductividad eléc-trica, que impide la propagación de corrientesinducidas.

10. (La respuesta dependerá de las aleacionesenumeradas por cada alumno o alumna. Noobstante, se ofrece un modelo de respuesta.)

• Aleación: latón fundido

Composición: 65 % Cu - 35 % Zn

Propiedades: buena resistencia al agua y alvapor, dúctil y maleable.

Aplicaciones: fabricación de casquillos deajuste de piezas mecánicas.

• Aleación: duraluminio

Composición: 95,5 % Al - 4,5 % Cu

Propiedades: resistencia a los agentes at-mosféricos, tenacidad.

Aplicaciones: materiales de construcción(marcos de puertas y ventanas).

• Aleación: soldadura blanda

Composición: plomo, estaño y antimonio endistintas proporciones.

Propiedades: bajo punto de fusión, durezaen frío.

Aplicaciones: como material de aportaciónen las soldaduras eléctricas.

• Aleación: Nicrom

Composición: níquel ( 80 %) y cromo.

Propiedades: elevada resistividad.

Aplicaciones: fabricación de resistenciaseléctricas.

11. Una aleación de sustitución se forma cuandolos átomos del metal base y de los aleantesson muy semejantes en tamaño, composicióny forma de cristalización, por lo que los nudosde la red cristalina pueden ser ocupados in-distintamente por átomos de uno u otro com-ponente. Son habituales cuando el disolventey el soluto son metales. Es el caso del bronceo el latón.

Una aleación intersticial se forma cuando losátomos de los aleantes son lo suficientementepequeños como para que puedan alojarse enlos intersticios de la red cristalina del metalbase. Se producen cuando los aleantes sonno metales de pequeño diámetro atómicocomo el hidrógeno, el boro, el carbono y el ni-trógeno. Es el caso de los aceros (aleación dehierro y carbono).

12. Para determinar la temperatura de fusión decada aleación procederemos del modo si-guiente:

— Se traza una línea vertical sobre los valo-res 0,8 y 3,5 del eje de abscisas hasta quecorten la curva del diagrama.

— Desde los respectivos puntos de corte setrazan dos paralelas al eje de abscisashasta que corten al eje de ordenadas.

— Los valores que se leen en dicho eje corres-ponden a los puntos de fusión, que resultanser aproximadamente:

1,76 4,7 6,67

%C

°C

1535

1145

00,8 3,5

14151340

• Para el acero: 1 415 °C

• Para la fundición: 1 340 °C

— La proporción entre fase líquida y fase sóli-da será equivalente a la distancia que me-dia entre el punto intermedio (1 200 °C), ylos límites de la solución sólida (1 145 °C) y la solución líquida (las temperaturas defusión respectivas).

• Para el acero:

x (sólido) 1 145 1 200 215—————— ———————— ———y (líquido) 1 200 1 145 55

x y 100

x 80Resultado:

y 20

A 1 200 °C, la fase sólida del acero repre-senta el 80 % y la fase líquida, el 20 %.

• Para la fundición:

x (sólido) 1 340 1 200 140—————— ———————— ———y (líquido) 1 200 1 145 55

x y 100

x 72Resultado:

y 28

A 1 200 °C, la fase sólida de la fundiciónrepresenta el 72 % y la fase líquida, el28 %.

13. Los metales pueden someterse a diversos tra-tamientos térmicos, entre los que destacan el recocido, el normalizado, el temple y el re-venido.

(La descripción del tratamiento dependerá dela elección que realice el alumno/a. No obs-tante, se ofrece un modelo de respuesta.)

Temple

Consiste en calentar el acero a una tempera-tura elevada para, a continuación, someterlo aun proceso de enfriamiento rápido. De estemodo se consigue una estructura de la super-ficie del metal anormalmente dura. Esta dure-za se debe a la tensión a que quedan someti-dos los cristales por la deformación de suestructura cristalina, ya que el proceso de en-friamiento rápido les impide alcanzar un equili-brio estable.

Para llevar a cabo el temple de una pieza sehan de tener en cuenta diversos factores,como la composición del acero o de la alea-ción, la temperatura a la que hay que calentar,el tiempo de calentamiento, la velocidad deenfriamiento y los medios empleados para en-friar la pieza.

Según estas características, distinguimos dife-rentes tipos de temple, entre los que destacanel temple martensítico, el temple de precipita-ción y el temple superficial.

• El temple martensítico debe su nombre ala martensita, aleación muy rica en carbonoque se forma en la superficie del materialdurante el proceso de enfriamiento rápido yque se caracteriza por su extremada durezay fragilidad. Se aplica a los aceros.

• El temple de precipitación se denominaasí porque el enfriamiento provoca la preci-pitación de un compuesto químico que poneen tensión los cristales del metal y los endu-rece. Se aplica a las aleaciones de aluminio,magnesio y cobre.

• El temple superficial se consigue provo-cando un calentamiento muy rápido, de for-ma que sólo una capa muy delgada de lasuperficie consiga la temperatura adecua-da, seguida de un enfriamiento rápido. Parala fase de calentamiento puede utilizarseuna llama o bien corrientes de inducción.

De este modo se consigue un temple mar-tensítico sólo en la capa externa sin que la parte interna de la pieza sufra ningunatransformación. El material que se obtieneresulta tenaz, resilente y resistente al des-gaste.

Se aplica a piezas que en su trabajo estánsometidas a un gran rozamiento superficial,golpes bruscos y vibraciones, como los en-granajes, los bulones, las coronas, las vál-vulas, etc.

14. El estirado se aplica a barras de diámetro su-perior a 10 mm procedentes de la fundición demetales como el cobre, el latón y el aluminio ysus aleaciones.

El dispositivo utilizado en el proceso se de-nomina banco de estirar. Sobre él se sitúa la

14

15

hilera y frente a ella hay un carro desplaza-ble provisto de una mordaza para sujetar labarra.

Antes de iniciar el proceso, la barra es afiladaen uno de sus extremos para poder introducir-la en la hilera.

Si se trata de estirar barras de acero, es nece-sario someterlas a un proceso de decapado,es decir, limpiarlas y eliminar las escamas ylos óxidos que pudiera tener su superficie.

El estirado se provoca mediante desplaza-miento del carro a lo largo del banco. De estemodo, se ejerce la fuerza de tracción necesa-ria para que la barra pase a través de la hilera.Al hacerlo, aumenta su longitud y disminuyesu sección.

En los procesos de estirado, el material pasauna sola vez a través del orificio de la hilera.

Una vez estirada la barra, se procede al cortedel extremo afilado y se le somete a un reco-cido o a otro tratamiento similar con objeto dereducir el endurecimiento que se produce du-rante el estirado.

El trefilado se aplica a los redondos proce-dentes de la laminación de metales como losaceros dulces, los aceros duros, el cobre, elbronce y el aluminio y sus aleaciones, con diá-metros que oscilan entre 5 mm y 8 mm.

El dispositivo empleado se denomina bancode trefilar. Está provisto de una devanade-ra, que contiene el rollo de material que se de-sea trefilar, una hilera, colocada en un soportey con un dispositivo de lubricación continua, yuna bobina de arrastre, cuyo movimiento derotación provoca el arrastre del material y suarrollamiento posterior.

Como en el caso anterior, el redondo es afila-do en uno de sus extremos y se le somete aun proceso de decapado, para limpiarlo super-ficialmente.

El movimiento de rotación de la bobina dearrastre provoca la fuerza de tracción nece-saria para que el redondo pase a través de lahilera.

A diferencia del proceso de estirado, en el tre-filado el material va a ir pasando en frío y de

modo continuo por orificios cada vez menoresde las hileras, hasta obtener la sección o eldiámetro adecuado.

Una vez trefilado el material, se procede alcorte del extremo afilado y se le somete a unrecocido como en el caso anterior. A continua-ción, se pule o se le da un tratamiento super-ficial (galvanizado, esmaltado o niquelado).

15. La oxidación es una reacción en la cual elelemento que se oxida cede electrones al ele-mento oxidante. Se trata de un proceso quími-co. Los metales pueden ser oxidados cuandoson atacados por el oxígeno del aire (O2), elcloro (Cl2), el bromo (Br2), el azufre (S), el hi-drógeno (H2), el yodo (I2), los óxidos de azufre(SO2 y SO3) y los de carbono (CO y CO2).

Se trata de un proceso que se inicia en la su-perficie de los metales. Dependiendo de la na-turaleza de éstos y de la temperatura, la oxi-dación puede avanzar hacia el interior de lamasa metálica o detenerse en su superficie.

La corrosión es la destrucción lenta y progre-siva de un material producida por el oxígenodel aire combinado con la humedad. Se tratade un proceso electroquímico. Los agentescorrosivos más habituales son el cloruro desodio (NaCl), presente en el agua del mar, y eldióxido de azufre (SO2).

Dependiendo del tipo de corrosión, puede ini-ciarse en la superficie (corrosión superficial) oen el interior de la masa metálica (corrosiónintergranular) sin que en la superficie se apre-cie ninguna anomalía.

16. Los procesos electrolíticos consisten en ladescomposición química de una sustanciaconductora en estado líquido o fundido, deno-minada electrólito, cuando es atravesada poruna corriente eléctrica continua.

Para ello se coloca el electrólito en el interiorde un recipiente, llamado cuba electrolítica, yse introducen en ella dos electrodos conec-tados a una fuente de alimentación de corrien-te continua. Al cerrar el circuito, los iones elec-tropositivos presentes en la disolución —to-dos los iones metálicos más el hidrógeno—serán atraídos por el electrodo negativo o cá-todo, mientras que los iones electronegativos

lo serán por el electrodo positivo o ánodo. Enconsecuencia, el metal que se desea recubrirsiempre actuará como cátodo.

En este tipo de procesos, las tensiones nosuelen superar los 100 V, pero las intensida-des pueden llegar a alcanzar los 15 A/dm2 desuperficie de recubrimiento, si bien las tempe-raturas no suelen pasar de los 100 °C paraevitar la ebullición del electrólito.

Este procedimiento se emplea en diferentestécnicas de protección, tales como la oxida-ción anódica, la galvanoplastia, la galvanoste-gia, la electrodeposición, la electroforesis, eindirectamente en la protección catódica.

17. El interior de un envase alimentario metálico:oxidación anódica.

Los semáforos y las farolas de alumbrado ur-bano: galvanizado en caliente (cincado).

Las verjas de una vivienda situada a la orillade la playa: galvanizado en caliente (cinca-do).

El interior de una cisterna destinada a trans-portar líquidos corrosivos: oxidación anódica.

La carrocería de un automóvil: electroforesis,fosfatación y pintado.

18. La electrodeposición es un procedimientoelectrolítico que consiste en conectar el obje-to al cátodo de la cuba electrolítica, que tieneforma de tambor giratorio, en cuyo interior seencuentra un electrólito, que suele ser una di-solución de sales de aluminio, magnesio o tita-nio.

El proceso presenta diferentes modalidadessegún el tipo, la forma y la reactividad del ma-terial base.

— Si las piezas son de material no conductor,se han de recubrir previamente con unacapa de material conductor.

— Cuando las piezas son de pequeño tama-ño, como tornillos, clavos y arandelas, sedejan sueltas en el interior del tambor gira-torio. En cambio, las de tamaño mayor sefijan a sus paredes.

Los alambres y los flejes no se fijan en eltambor, sino que se les hace pasar de for-ma continua por el interior del baño.

— Para la mayoría de los metales, el electróli-to es una solución acuosa, excepto paraaquellos que reaccionan con el oxígeno delagua. En este caso, se emplea una disolu-ción no acuosa.

Cualquiera que sea la modalidad del proceso,los iones metálicos de las sales son atraídoshacia el cátodo y se depositan sobre el objetoformando una fina película.

En el proceso se emplea corriente continua auna tensión aproximada de 100 V. La intensi-dad puede llegar a alcanzar los 10 000 A, loque determina un calentamiento de la cuba yla necesidad de su refrigeración por diferentesprocedimientos.

El tambor giratorio que constituye la cubaelectrolítica va revestido de diferentes mate-riales, como caucho, plástico o material cerá-mico.

— Los revestidos de caucho o plástico pro-tegen mejor las piezas, pero no soportanaltas temperaturas.

— Los revestidos de material cerámico re-sisten mejor el calor, pero son más frágiles.

19. Cuando dos metales están en contacto, se es-tablece una pila galvánica en la que el quetiene el potencial inferior actúa como ánodode sacrificio y se oxida.

El plomo y el estaño tienen un potencial deoxidación superior al del hierro. Si se utilizancomo elementos de protección, sería el hierroel que se oxidaría antes, por lo que no se con-seguiría la protección deseada.

Por el contrario, el cinc tiene un potencial deoxidación inferior al del hierro, lo que lo haceespecialmente indicado para actuar comoánodo de sacrificio en los procesos de corro-sión. Así, mientras exista cinc en la aleaciónsuperficial que se forma durante los procesosde galvanizado en caliente, el hierro permane-cerá intacto y será este elemento el que seoxide.

16

17

Actividades de aplicación (pág. 59)

1. La dureza del cuarzo en la escala de Mohs es 7 y la del topacio, 8. Un material capaz derayar al cuarzo, pero que es rayado por el to-pacio, tendrá una dureza de 7,5.

4. Datos: H V 630 kg/mm2

P 50 kg

A partir de la expresión que da la dureza Vic-kers en función de la carga y la longitud de lasdiagonales de la huella, podemos obtener di-cha longitud:

P 1,844 PH V 1,844 — ⇒ I ————

I 2 H V

1,844 50 kgl ——————— 0,3825 mm

630 kg/mm2

Las diagonales de la huella miden 0,3825 mm.

5. Datos: HP 150SP 0,28 mmS 0,21 mm

Sustituimos los datos en la expresión que dala dureza por el método de impacto y obtene-mos ésta:

SP 0,28 mmH —— HP ⇒ H ————— 150 200

S 0,21 mm

La dureza del material resulta ser 200.

6. El método de Shore consiste en medir la du-reza de un material en función de la altura quealcanza en el rebote un martillo que se deja

caer desde una altura determinada. Este mé-todo se emplea cuando no se desea que que-de impresa la huella.

Los aparatos mas empleados son el escleró-metro de Shore y el duroscopio.

— El esclerómetro de Shore consta de untubo de vidrio en cuyo interior puede desli-zarse el martillo sin rozamiento.

La escala de dureza Shore se divide en 130 divisiones y, en ella, el grado 100 corres-ponde al acero templado.

— El duroscopio es una variante del escleró-metro en el que el golpe se efectúa de for-ma pendular. La escala se divide en gradosen vez de unidades de longitud.

La ventaja de este método reside en que pue-den aplicarse a todo tipo de materiales, ya quees capaz de medir tanto las deformacioneselásticas como las permanentes.

Basta pensar que, por los métodos de huella,el caucho daría una dureza infinita.

7. Datos: D 20 mm

P 2 000 kg

I0 5 m 5 000 mm

l 2 mm

3. Datos: P 3 000 kgD 10 mmd 5,88 mm

Aplicamos la ecuación que da la dureza Brinell y resulta:

2 P 2 3 000 kgH B ————————— —————————————————————— 99,97 100

D (D √D 2

d 2

) 3,14 10 mm (10 mm (10 mm)2 (5,88 mm)2)

La dureza Brinell del bronce es 100.

2. Datos: a 11,7

Aplicamos la ecuación de la dureza Martens yresulta:

10 000 10 000 M ———— ⇒ M ———— 73,05 73

a2 a2

La dureza Martens del acero dulce es 73.

2. Ensayos mecánicos sobre materiales

√

√

√

18

Calculamos primero la sección S0 de la barra:

D 2 3,14 (20 mm)2S0 —— ⇒ S0 ————————

4 H V 314 mm2

Con este dato, calculamos la tensión unitaria :

P 2 000 kg —— ⇒ ————— 6,369 kg/mm2

S0 314 mm2

Determinamos también el incremento unitariode longitud A:

l 2 mmA —— ⇒ A ————— 0,0004

l0 5 000 mm

Conocidos y , podemos calcular el módulode elasticidad E:

6,369 kg/mm2E — ⇒ E ———————

A 0,0004

15 923,5 kg/mm2

El módulo de elasticidad de la barra resultaser de 15 923,5 kg/mm 2.

8. Tensión unitaria es el esfuerzo que soportael material por unidad de sección. Se repre-senta por y viene dada por la expresión:

P ——

S0

donde P es el esfuerzo, o tensión aplicada, yS0 es la sección inicial de la probeta.

Alargamiento unitario es el cociente entre el alargamiento provocado por la tensión apli-cada y la longitud inicial de la probeta. Se re-presenta por A y viene dado por la expresión:

lA ——

l0

donde l es el alargamiento total producido porla tensión y l0, la longitud inicial de la probeta.

Límite elástico es el esfuerzo que, aplicado auna probeta durante 10 segundos, produce enella una deformación permanente superior al0,2 % de la longitud inicial.

Estricción es la disminución de sección quese produce en el centro de una probeta some-tida a esfuerzos de tracción cuando éstos su-peran el valor del límite elástico convencional.

9. Datos: s 60 MN/m2 6 107 N/m2

S 20 20 cm 400 cm2 0,04 m2

A partir de la expresión de la tensión unitariade compresión, despejamos y calculamos elvalor de la tensión aplicada P:

P —— ⇒ P S0

S0

NP 6 107 —— 0,04 m2 2,4 106 N

m2

Recordando la relación entre N y kg, resulta:

1 kg2,4 106 N ——— 244 898 kg

9,8 N

La columna puede soportar una carga máxi-ma de 244 898 kg.

10. Datos: P 175 kgD 2 mm

Calculamos primero la sección S0 del clavo:

D 2 3,14 (2 mm)2S0 —— ⇒ S0 ———————

4 4

3,14 mm2

Con este dato, calculamos la tensión de rotura:

P 175 kg —— ⇒ ————— 55,73 kg/mm2

S0 3,14 mm2

La tensión de rotura del clavo es 55,73 kg/mm 2.

11. Resiliencia es la capacidad de un material deabsorber energía en la zona elástica al some-terlo a un esfuerzo de rotura.

El péndulo de Charpy es un dispositivo me-cánico mediante el cual se lanza un martillodesde una altura determinada sobre una pro-beta de material. Cuando el martillo impactasobre la probeta, la rompe y continúa ascen-diendo.

La diferencia entre la energía que poseía elmartillo antes del choque (que es función de laaltura desde la que se lanza) y la que poseedespués del choque (que depende de la alturaque alcanza tras la rotura) es igual a la ener-gía absorbida por la probeta en el impacto:

P (H h) P l (cos cos )

19

donde P es el peso del martillo, l es la longituddel péndulo, y y son, respectivamente, losángulos que forma el péndulo con la verticalantes y después del choque.

La resiliencia se obtiene dividiendo por lasección S de la probeta.

12. (La respuesta puede variar según los compo-nentes enumerados por el alumno o la alum-na. En todo caso, ofrecemos un modelo derespuesta.)

Cigüeñal. Está sometido a esfuerzos de em-puje procedentes de las bielas. Estos esfuer-zos se producen en diferentes puntos y en dis-tintos momentos del proceso.

Amortiguadores. Están sometidos a esfuer-zos de compresión variables dependiendo delas irregularidades del terreno.

Discos de freno. Están sometidos a fuerzasde rozamiento variables en intensidad y tiem-po, dependiendo de la fuerza y la frecuenciacon se que oprima el pedal del freno.

Bloque motor. Está sometido a incrementos ydisminuciones de temperatura, variables enintensidad y tiempo, que provocan dilatacio-nes y contracciones del metal.

Broca de una taladradora. Está sometida aesfuerzos de compresión variables (depen-diendo de la dureza del material que se tala-dra) y de flexión o pandeo (dependiendo delmodo de uso).

13. Los ensayos de forja más empleados son elplatinado, el recalcado, el mandrilado y los en-sayos de soldadura.

— El platinado permite determinar el gradode forjabilidad de un material.

— El recalcado se realiza para determinar lacalidad de los materiales empleados parala fabricación de remaches.

— El mandrilado mide la capacidad de perfo-ración de un material.

— Los ensayos de soldadura permiten com-probar la resistencia de una soldadura.

14. Para efectuar un ensayo eléctrico sobre unmaterial conductor se procede del modo si-guiente:

— Se unen dos contactos o escobillas A y B auna batería de baja tensión y se cierra elcircuito eléctrico a través del metal objetode análisis. De este modo se establece uncampo eléctrico uniforme.

— Entre la escobillas anteriores se intercalanotras dos, C y D, a distancia constante, seunen a un microvoltímetro y se van despla-zando a lo largo del material.

Mientras no existan irregularidades, el mi-crovoltímetro no detectará ninguna varia-ción de tensión.

Pero si surge alguna variación de continui-dad (grietas, oquedades o rechupes), elvoltímetro detectará una variación de ten-sión al cambiar la resistencia del materialentre ambos contactos.

Este tipo de ensayos se basa en la variaciónde resistencia que se produce en un materialconductor cuando contiene alguna impureza.

Como es sabido, la resistencia de un materiales directamente proporcional a su coeficientede resistividad y a su longitud, e inversamenteproporcional a su sección. En consecuencia,cualquier variación de longitud o de seccióndebido a alguna perturbación de continuidad(grietas, poros, impurezas) se manifestará conuna variación de su resistencia.

15. Vías del ferrocarril: ensayo eléctrico.

Cigüeñal de un automóvil: ensayo macroscó-pico.

Vigas y columnas de una estructura metálica:ensayo ultrasónico.

Columna de hormigón: ensayo ultrasónico.

16. Los rayos X no necesitan utilizar isótopos ra-diactivos, resultan adecuados para espesorespequeños. Las radiografías presentan mayorcontraste que las gammagrafías y, por último,el tiempo de exposición es menor.

Actividades de aplicación (pág. 85)

1. (La contestación puede variar de unos alum-nos a otros. No obstante, se ofrece un modelode respuesta.)

— Aceite de motor: residuo industrial.

— Alambre, cable eléctrico: residuos de cons-trucción y demoliciones.

— Arena, grava y áridos: residuos de cons-trucción y demoliciones.

— Botellas de vidrio: residuo domiciliario pro-cedente del consumo doméstico.

— Cascotes: residuos de construcción y de-moliciones.

— Colchón de poliuretano: residuo domésticovoluminoso.

— Disolventes y pinturas: residuo industrial.

— Electrodoméstico inservible: residuo do-méstico voluminoso.

— Embalajes de cartón: residuo comercial.

— Envases de plástico de productos de lim-pieza: residuo domiciliario procedente delconsumo doméstico.

— Fragmentos de cajas de madera proceden-te de embalajes: residuo comercial.

— Isótopos radiactivos procedentes de apara-tos terapéuticos: residuo sanitario.

— Ladrillos: residuos de construcción y de-moliciones.

— Latas de refrescos vacías: residuo domici-liario procedente del consumo doméstico.

— Libretas usadas: residuo domiciliario pro-cedente del consumo doméstico.

— Líquidos orgánicos humanos y heces feca-les: residuos sanitarios.

— Medicamentos caducados: residuo sanitario.

— Muebles viejos: residuo doméstico volumi-noso.

— Piezas de desguace de automóviles: resi-duo industrial.

— Pilas usadas: residuo domiciliario proce-dente del consumo doméstico.

— Puertas y ventanas de derribo: residuos deconstrucción y demoliciones.

— Recortes de chapa de madera: residuo do-miciliario procedente del consumo domés-tico.

— Recortes de escayola: residuos de cons-trucción y demoliciones.

— Recortes de textil y cuero: residuo industrial.

— Restos de alimentos cocinados: residuodomiciliario procedente del consumo do-méstico.

— Restos de alimentos frescos: residuo co-mercial.

— Ropa usada: residuo domiciliario proce-dente del consumo doméstico.

— Sanitarios usados: residuos de construc-ción y demoliciones.

— Tóner de impresoras y fotocopiadoras: re-siduo industrial.

— Tuberías de plomo: residuos de construc-ción y demoliciones.

— Tuberías de PVC: residuos de construc-ción y demoliciones.

— Vendas, gasas, algodón: residuo sanitario.

2. Datos: m 100 t 100 000 kgPC 1 200 kcal/kg 70 % 0,7Coste: 0,079 €/kWh

Calculamos primero el poder calorífico teóricototal de los RSU:

kcalPC total 100 000 kg 1 200 ——

kg 1,2 108 kcal

Conocido el rendimiento de la instalación y laequivalencia kWh/kcal, calculamos los kWhque pueden producirse:

1 kWh1,2 108 kcal ———— 0,7 97 222 kWh

864 kcal

20

3. Reciclaje de materiales. Importancia económica

21

Sabiendo el precio del kWh, podemos valorarel ahorro energético:

euros97 222 kWh 0,079 ——— 7 680,54 euros

kWh

La incineración de los residuos puede aportarhasta 97 222 kWh, que supondrían un ahorroenergético de 7 680,54 euros.

3. El compost es un producto que se obtiene apartir de la descomposición microbiológica aerobia de residuos orgánicos de distinta pro-cedencia, en condiciones de temperatura, hu-medad y aireación controladas.

El proceso de obtención tiene dos fases biendiferenciadas: la fase de compostaje y la fasede maduración o estabilización.

— En la fase de compostaje, la actividad delos microorganismos es muy intensa, yaque tienen a su alcance gran cantidad decompuestos fácilmente biodegradables.Predomina la mineralización de la fracciónorgánica.

— En la fase de maduración o estabiliza-ción, la actividad de los microorganismosdecrece ya que la reserva de material bio-degradable está agotada. Predomina la po-limerización y la condensación de com-puestos, dando lugar a un producto similaral humus.

La obtención industrial de compost puedellevarse a cabo en sistemas abiertos o cerra-dos.

— Los sistemas abiertos son los más fre-cuentes por razones económicas. En ellos,los residuos, después de homogeneizarse,se extienden al aire libre en montones detamaño variable. La aireación necesaria(para garantizar que el proceso se desarro-lle en condiciones aerobias) se lleva a cabomediante volteo periódico o por medio deuna red de tuberías perforadas distribuidaspor todo el terreno a través de las cualesse inyecta aire o se aspiran los gases re-sultantes. En algunas ocasiones, se combi-nan ambos procedimientos de aireación.

— Los sistemas cerrados emplean reactoresen cuyo interior se establecen las condicio-nes aerobias de modo continuo. Estos siste-mas aceleran el proceso, requieren menos

espacio de instalación y evitan el impactomedioambiental de los malos olores, peroresultan más costosos.

El compost de RSU se emplea fundamental-mente en la agricultura con dos finalidadesbásicas: como enmienda orgánica y comosustrato hortícola.

— Empleado como enmienda orgánica, per-mite mejorar las características físicas,químicas, biológicas y mecánicas del sueloal que se aplica, ya que aporta gran canti-dad de materia orgánica y de elementosfertilizantes. De este modo, al aumentar lafertilidad de los suelos, se estimula el creci-miento de las plantas y se incrementa laproductividad.

— Su uso como sustrato hortícola permiteel cultivo de plantas ornamentales en ma-ceta, sin necesidad de utilizar suelo naturalpara la implantación del sistema radicularde los vegetales.

Sin embargo, existe una serie de factores quepueden limitar el aprovechamiento agrícoladel compost. Entre ellos, cabe señalar:

— La presencia de materiales inertes (meta-les, vidrio, etc.), que disminuye el poderfertilizante del compost y perjudica el usode aperos de labranza.

— La emisión de malos olores, como conse-cuencia de una incorrecta aireación duran-te el proceso de compostaje.

— La salinidad elevada, consecuencia de lapresencia de sales minerales en gran can-tidad. Este inconveniente puede eliminarseprocediendo a un lavado sistemático delcompost antes de su utilización.

— La presencia de contaminantes orgáni-cos de carácter tóxico, lo que exige la rea-lización de un test de fitotoxicidad antes deutilizar el compost.

— La presencia de metales pesados (plomo,mercurio, etc.) que puede llegar a impedir eluso agrícola del compost, por su incidenciasobre la cadena alimentaria y las dificultadesde recuperación de suelos contaminados.

— La inmadurez del compost, que puedeprovocar una inmovilización del nitrógenodel suelo, una baja concentración de oxí-geno en la zona radicular y, en consecuen-

cia, una inhibición o reducción del creci-miento vegetal.

4. Las aguas residuales procedentes de una in-dustria papelera han de ser tratadas por mediode plantas depuradoras con el fin de eliminarlos productos químicos empleados en el pro-ceso de fabricación del papel. Una vez descon-taminadas, pueden devolverse al entorno (ríos,lagos), utilizarse para fines no potables (riego,lavado de instalaciones, etc.) o reutilizarse enla propia industria.

Los humos procedentes de una central térmi-ca han de someterse a un riguroso filtradopara eliminar las partículas sólidas (hollín) quecontienen y a un proceso de lavado para disol-ver los contaminantes gaseosos (óxidos de nitrógeno y de azufre) causantes de la lluviaácida. Después, pueden ser emitidos a la at-mósfera.

Los residuos radiactivos procedentes de launidad de cobaltoterapia de un hospital hande ser introducidos en contenedores herméti-cos especiales y, posteriormente, enterradosen cementerios de residuos radiactivos hastaque resulten inertes.

5. El carbono es uno de los componentes bási-cos de los seres vivos, tanto animales comovegetales. Todos los compuestos biológicoscontienen carbono.

— En los procesos de respiración, los seresvivos emiten dióxido de carbono (CO2) a laatmósfera. Este compuesto es posterior-mente utilizado por los vegetales superio-res, en la fotosíntesis, para producir mate-ria orgánica.

— El carbono presente en los compuestos or-gánicos fertiliza la tierra y pasa de nuevo aformar parte de la estructura de los seresvivos cuando estos compuestos son absor-bidos por las raíces de las plantas.

Por otra parte, cuando grandes masas de ve-getales y de restos de animales quedan ente-rradas, pueden experimentar un proceso decarbonización que da origen a las diferentesvariedades de carbones y al petróleo, es decir,los denominados combustibles fósiles. Esteproceso puede durar miles y hasta millones deaños.

— La combustión de estos combustibles des-prende dióxido de carbono (CO2), que eslanzado a la atmósfera, de donde las plan-tas lo toman para fijarlo de nuevo en su es-tructura, con lo que se cierra el ciclo.

Por este motivo, aunque la cantidad de carbo-no permanece invariable, su utilización en loscombustibles fósiles depende del proceso decarbonización. Por eso se consideran no re-novables, ya que las masas vegetales actua-les sólo se podrán convertir en carbón o enpetróleo dentro de un período de tiempo extra-ordinariamente largo, que resulta mucho ma-yor que el ritmo actual de consumo de com-bustibles.

6. Los convertidores LD presentan dos venta-jas fundamentales en relación con el horno deSiemens-Martin:

— Los aceros obtenidos son de gran pureza.

— El proceso transcurre con bajo consumoenergético.

Los hornos eléctricos también presentan dosventajas:

— Se alcanzan temperaturas muy elevadas,que permiten fundir materiales como el vol-framio, el molibdeno, el níquel, el cromo, elvanadio, el manganeso y el titanio.

— Permiten obtener aceros especiales.

Sin embargo, el elevado consumo energéticoobliga a reducir su utilización a los procesosde afino.

7. Las ventajas de la fabricación y la utilizacióndel papel reciclado son las siguientes:

— Disminución del consumo de madera, loque favorece el desarrollo de las masas forestales, con todos los beneficios queello acarrea, y reduce los costes de talado,transporte y manipulación.

— Disminución de consumo energético pri-mario, cuyo ahorro puede llegar al 62,5 %.

— Reducción del 86% en el consumo de agua.

— Reducción del 92 % en los niveles de con-taminación del agua, de la atmósfera y delsuelo ya que, en la fabricación de papel re-ciclado, los productos químicos empleadospara regular la alcalinidad son biodegrada-

22

23

bles, por lo que disminuyen la contamina-ción química.

— Reducción de masa de RSU en los verte-deros. En los países de nivel económicoalto, esta reducción alcanza hasta el 30 %.

Los principales inconvenientes son los si-guientes:

— La menor calidad del papel reciclado frenteal nuevo. Esto podría evitarse sometiendoel papel reciclado a procesos de depura-ción, blanqueado y satinado.

— La utilización de algunos agentes contami-nantes para el blanqueo, como el sulfito desodio (Na2SO3), lo que exige someter lasaguas residuales a procesos de depura-ción antes de devolverlas al entorno.

— El coste final del producto, todavía supe-rior al del papel nuevo. Puede disminuirseinvestigando y mejorando los procesos tecnológicos para abaratar costes, aumen-tando el consumo de papel reciclado, loque incidiría en una disminución de su pre-cio, o subvencionando la fabricación de pa-pel reciclado desde los poderes públicos.

8. Los principales inconvenientes del depósitode plásticos no reciclados en los vertederosson:

— Se trata de materiales inertes no biodegra-dables, por lo que permanecen en el mis-mo estado aunque haya pasado muchotiempo.

— Su escasa densidad hace que el viento losesparza por toda la zona, con el consiguien-te impacto visual negativo.

— Su impermeabilidad puede llegar a impedirla fermentación aerobia de los residuos or-gánicos.

— Su inflamabilidad y su elevado poder calo-rífico los hace potencialmente peligrososen caso de incendio o de combustión es-pontánea de los residuos depositados enel vertedero.

9. Los plásticos termoestables se obtienen porpolicondensación y están constituidos por ma-cromoléculas orientadas en todas direcciones.

Si se les somete a calor, se produce en ellosuna modificación fisicoquímica que les endure-

ce definitivamente. De este modo, pueden so-meterse a operaciones de mecanizado comotaladrado, aserrado, limado...

Una vez endurecidos no pueden volver a fun-dirse porque sus características fisicoquími-cas sufren importantes modificaciones y sedegradan.

Son termoestables la baquelita, la melamina,las resinas fenólicas, las siliconas, etc. Conellos se fabrican interruptores, portalámparas,clavijas, cubiertos, platos, vasos, revestimien-to de muebles de cocina, juguetes, mangos deutensilios de cocina, carcasas de teléfonos,cubiertas de edificios, cascos de embarcacio-nes, depósitos, gomaespuma, etc. Algunos deellos se emplean como componentes de co-las, barnices, esmaltes y pegamentos.

Los plásticos termoplásticos se obtienen porpolimerización directa y están constituidos pormoléculas de cadenas paralelas con algunosenlaces entre ellas.

Se caracterizan porque se reblandecen cuan-do son calentados y se endurecen cuando seenfrían. Este proceso puede repetirse de formaindefinida porque el calor no provoca en ellosninguna transformación química, sino sólo uncambio físico.

Son ejemplos de termoplásticos el PVC (cloru-ro de polivinilo), el polietileno, el poliestireno,el polipropileno, el polimetacrilato de metilo oplexiglás y las poliamidas como el nailon. Conellos se fabrican tuberías, válvulas, mangue-ras, prendas impermeables, botas, regletaseléctricas, mangos de herramientas, piezastransparentes sustitutivas del vidrio, cojinetes,engranajes, correas de transmisión, tejidos,cordajes, etc.

10. (La respuesta deberá incluir uno sólo de lostratamientos. No obstante, se ofrecen todos.)

En el tratamiento hidrociclónico, se separanprimero los envases de polietileno y el restose tritura. Las partículas trituradas se sometena un sistema de remolinos ascendentes y des-cendentes que, en una o dos pasadas, clasifi-ca los plásticos y la celulosa con una purezadel 97 %. Este tratamiento presenta altos ren-dimientos, requiere un espacio mínimo y pocamano de obra y los materiales para construc-ción de los hidrociclones son de tecnologíacomún.

La tecnología láser aplicada a los plásticospermite observar las características espec-troscópicas de su composición y, a partir deellas, los clasifica. Este proceso, actualmenteen fase experimental, pretende conseguir laselección automática.

La separación electrostática aprovecha la di-ferente conductividad eléctrica de cada tipo deplástico. Para ello, se cargan eléctricamentemediante sofisticados procedimientos de fric-ción y se someten a la acción de un campoeléctrico de alto voltaje que produce la sepa-ración de las partículas.

11. Datos: m 1 t 1 000 kgPC 8 000 kcal/kg

Para resolver este problema, supondremosque el rendimiento del proceso es del cien porcien.

Multiplicamos la masa por el poder caloríficounitario y obtenemos la energía desprendidaen kcal.

kcalE m PC 1 000 kg 8 000 ——

kg 8 000 000 kcal

Recordando la relación entre kcal y kJ:

1 kJ8 000 000 kcal ————— 33 333 333 kJ

0,24 kcal

Se obtendrán 8 000 000 kcal, que son equiva-lentes a 33 333 333 kJ.

12. El vidrio es un material que se obtiene me-diante fusión de diferentes componentes, comola arena, la caliza, la sosa y otros componen-tes.

— La arena o sílice es dióxido de silicio, SiO2,y se encarga de dar resistencia mecánicaal vidrio. Su principal inconveniente es suelevado punto de fusión: 1 723 °C.

— La caliza es carbonato de calcio, CaCO3,que actúa como componente estabilizador.

— La sosa es carbonato de sodio, Na2CO3.Actúa como fundente y permite rebajar latemperatura de fusión hasta 852 °C.

— Los otros componentes se añaden enfunción del tipo de vidrio que se desea ob-

tener. Podemos citar diversos óxidos —desodio, de potasio y de plomo—, bórax, co-lorantes y también vidrio triturado para re-cuperar.

13. (La respuesta dependerá del punto de vista de los alumnos. No obstante, se ofrece un mo-delo.)

Los envases no retornables presentan algu-nas ventajas frente a los retornables:

— Evitan a las empresas tener que disponerde una planta de higienización, ya que enningún caso se reutilizan como envasesoriginales.

— Permiten reducir el coste energético de laproducción de vidrio, ya que pueden serutilizados como calcín.

Sin embargo, no hay que olvidar los inconve-nientes, que también los hay:

— El coste de un envase no retornable es su-perior al coste de higienización de uno re-tornable.

— Los envases no retornables que no se reci-clan contribuyen a incrementar el volumende RSU, con el agravante de que se tratade materiales inertes que dificultan el com-postaje.

14. El proceso de reciclaje del vidrio pasa porcuatro fases: recogida selectiva, transporte,tratamiento previo y obtención del vidrio.

— En la fase de recogida selectiva los enva-ses son recogidos en contenedores dis-tribuidos al efecto por las ciudades. La eficiencia de este sistema de recogida de-pende del nivel de concienciación ciuda-dana, ya que son los usuarios quienes hande separar el vidrio del resto de RSU.

— La fase de transporte se produce cuandolos contenedores se encuentran llenos.Unos vehículos provistos de grúas espe-ciales retiran los envases de los contene-dores y los transportan hasta las plantasde tratamiento.

— El tratamiento previo se lleva a cabo en laplanta. Los envases se limpian, se triturany se retiran los cuerpos extraños que pue-dan acompañarlos (fundamentalmente ta-

24

25

pones metálicos). Éstos últimos se recupe-ran por medio de electroimanes.

— La obtención del vidrio también se lleva acabo en la planta. Se mezclan las materiasprimas (sílice, caliza y sosa) con el vidriotriturado y limpio, que recibe el nombre decalcín. Posteriormente se introduce la mez-cla en el crisol para fundirla y obtener el vi-drio nuevo.

15. Datos: m vidrio 18 765 762 kg 18 765,762 t

Para resolver este problema hemos de teneren cuenta que por cada tonelada de vidriousado que se recicla, se ahorran 1,2 tonela-das de materias primas y 0,13 TEP.

Así, multiplicando la masa de vidrio recogidapor los parámetros anteriores, obtenemos elahorro en materia prima y en combustible.

1,2 t materias primas18765,762 t vidrio PC —————————

1 t vidrio

22 518,914 t 22 518 914 kg

0,13 TEP18 765,762 t vidrio ————— 2 439,55 TEP

1 t vidrio

El tratamiento del vidrio usado permitió un aho-rro de 22518 914 kg de materias primas y de2 439,55 TEP (toneladas equivalentes de pe-tróleo).

16. Los inconvenientes medioambientales deldepósito de neumáticos en vertederos son el riesgo de incendio y los problemas de salu-bridad.

Por otra parte, los neumáticos no pueden so-meterse a los mismos procesos de compacta-ción que el resto de RSU por dos motivos fun-damentales:

— Su proceso de descomposición biológicaes tan lento que, en la práctica, puedenconsiderarse residuos no biodegradables.

— Poseen una elevada elasticidad que impidesu compactación.

17. (La respuesta deberá incluir una sola de lasalternativas. No obstante, se ofrecen todas.)

El recauchutado es una forma de recicla-je muy empleada en los neumáticos de gran

tamaño, como los de camiones y tractores.Consiste en sustituir la banda de rodaduragastada por otra nueva, con lo que se puedeprolongar la duración del resto del neumáticodurante un tiempo similar al de un neumáticonuevo. Su principal inconveniente es que elvolumen de neumáticos que puede recauchu-tarse es limitado y, además, el resto del neu-mático ha de estar en buenas condiciones.

La pirólisis consiste en convertir el caucho enhidrocarburos ligeros mediante un procesotérmico. De este modo se obtienen productossimilares a los de la destilación del petróleo:alquitranes, aceites, gases combustibles, etc.

Para llevar a cabo estos procesos se empleanhornos de inducción y hornos microondas,aprovechando la componente metálica quellevan inmersa los neumáticos. El rendimientoes muy elevado en ambos casos. Su inconve-niente radica en el coste de producción, queencarece los productos obtenidos.

Los neumáticos de desecho pueden ser em-pleados como combustibles para la obten-ción de energía térmica en ciertos hornos,como los de cemento, ya que la potencia calo-rífica oscila entre las 6 500 y las 7 000 kcal/kg.Sin embargo, hay que tener en cuenta el trata-miento de los humos por su elevada contami-nación.

También pueden emplearse para la produc-ción de energía eléctrica. Considerando elrendimiento normal de las centrales térmicas(30-35 %), pueden obtenerse de 2 a 3 kWh porkg de neumático. En Gran Bretaña existe unade estas instalaciones que recupera 15 000 to-neladas anuales de neumáticos usados enuna central de 20 MW de potencia. Los incon-venientes son los mismos que en el apartadoanterior.

Aunque en pequeñas cantidades, los neumáti-cos usados pueden ser reutilizados en puer-tos y embarcaciones como elementos de pro-tección por su elasticidad, evitando golpes enlas maniobras de atraque. El inconveniente esla escasa cantidad de neumáticos que puedendedicarse a este fin.

La obtención de productos de caucho mol-deado consiste en añadir ciertas proporcio-nes de caucho al caucho virgen. Para ello hande molerse previamente los neumáticos y se-parar los alambres de acero. El producto obte-

nido se emplea en la fabricación de losetaspara suelos, cintas transportadoras, arande-las, etc. Como en otros casos, sólo una partede los neumáticos puede ser destinada a estafinalidad.

Los neumáticos también pueden emplearseen metalurgia para recuperar el acero de suestructura. Para ello, los neumáticos se mue-len previamente y, a continuación, se recuperael acero por medio de electroimanes. Los frag-mentos obtenidos se emplean como chatarray su recuperación se lleva a cabo en hornoseléctricos, como ya se ha indicado. Sin embar-go, hay que tener en cuenta que, aunque elalambre es de una gran proporción de hierrocon baja proporción de residuos, suele llevarciertos contaminantes debido al caucho al queestaba adherido y que deben ser eliminados,como el azufre para el vulcanizado, el carbo-no, que se añade para proteger el neumáticode los rayos solares, y el arsénico, que facilitala ligazón entre el acero y el caucho.

18. Datos: E 1 000 kWh 50 % 0,5PC 7 000 kcal/kg

Conociendo la relación entre kWh y kcal, ex-presamos la energía producida en kcal:

864 kcal1 000 kWh ———— 864000 kcal

1 kWh

A partir de la expresión de la energía produci-da, despejamos m.

EE m PC ⇒ m ————

PC

864000 kcalm ————————— 246,8 kg

kcal7 000 —— 0,5

kg

La central puede reciclar 246,8 kg diarios deneumáticos.

19. Los agentes contaminantes que pueden es-tar presentes en el aire que respiramos se cla-sifican en dos categorías: contaminantes ga-seosos y partículas en suspensión.

Los contaminantes gaseosos son gases yvapores que disminuyen el contenido de oxí-geno. Pueden permanecer en la atmósfera lar-gos períodos de tiempo y pueden desplazarse

a grandes distancias. En este grupo están losóxidos de carbono (CO, y CO2), los de nitróge-no (NO y NO2) y los de azufre (SO2 y SO3).

Las partículas en suspensión pueden sersólidas o líquidas.

— Las sólidas se manifiestan en forma de pol-vo y de humos. El polvo procede de las dis-gregaciones mecánicas en minas, canteras,fábricas de cemento, industrias cerámicas,químicas y de abonos. Los humos son partí-culas sólidas formadas por condensación.

— Las líquidas son finísimas gotas en sus-pensión procedentes de la condensaciónde gases y vapores o de la reacción de és-tos con el vapor de agua atmosférico.

Las vías de entrada de estos contaminantespueden ser diversas: respiratoria, dérmica ydigestiva.

— La vía respiratoria incluye la boca, la nariz,la faringe, la laringe, la tráquea, los bron-quios y los pulmones. Es la vía natural deentrada de los contaminantes atmosféricos.

— La vía dérmica comprende toda la superfi-cie epidérmica que envuelve el cuerpo hu-mano. El contacto de la piel con los conta-minantes produce urticarias, inflamacionesy otras alteraciones.

En ocasiones, se especifica la vía muco-sa, constituida por las partes húmedas delorganismo, como la conjuntiva del ojo, y lavía parenteral, es decir, las discontinuida-des de la piel (heridas, pinchazos, etc.).

— La vía digestiva está formada por el siste-ma digestivo: boca, faringe, esófago, estó-mago e intestinos. Éstos pueden verseafectados como consecuencia de la inges-tión de productos contaminados.

20. El calor seco es aquel que se manifiesta con unbajo nivel de humedad relativa (inferior al 50%).Este calor, aunque molesto, facilita la evapora-ción del sudor y es fácilmente combatible.

En cambio, el calor húmedo es aquel que semanifiesta con elevado nivel de húmeda rela-tiva (superior al 50 %). Cuando más alta es lahumedad, mayor es la dificultad para la evapo-ración del sudor. En estas condiciones, si latemperatura es muy elevada puede llegar aaparecer el golpe de calor, alteración que se

26

27

produce porque el organismo es incapaz deevacuar el exceso de calor como consecuen-cia de la humedad elevada.

Para reducir su impacto, los lugares puedendisponer de sistemas de acondicionamientodel aire que disminuyan la temperatura am-biente o, al menos, reduzcan el contenido enhumedad.

Si esto no es posible, conviene alternar la es-tancia en estos lugares con períodos de des-canso en lugares más frescos o con menorhumedad, con el fin de que el organismo pue-da recuperarse.

21. Entre las actividades industriales que supe-ran los 80 dB pueden citarse los talleres me-talmecánicos, en los que existen máquinasherramientas, las industrias cerámicas, en lazona de prensas, las siderurgias, las cadenasde montaje de automóviles, las plantas demotores, las obras públicas subterráneas (tú-neles), la industria aeroespacial...

En estos casos, la normativa de seguridad es-pañola e internacional obliga a la protecciónde los oídos mediante cascos o tapones.

Entre las actividades cotidianas que tam-bién superan los 80 dB, destacan el tráficoruidoso, el metro, las discotecas, los ciclomo-tores a escape libre y los fuegos artificiales.

La forma más adecuada de protección es evi-tar los lugares en los que se produzca ruidoexcesivo (discotecas) y reducir el que emiti-mos nosotros mismos (motocicletas, músicaestridente, etc.).

22. Las principales aplicaciones pacíficas de laradiactividad son las siguientes:

— En la investigación química se utilizan

para la obtención de polímeros desconoci-dos para la química clásica.

— En medicina se usan para la destrucciónselectiva de células cancerígenas o malig-nas (cobaltoterapia) y para la visualizacióndel interior de los seres vivos (rayos X).

— En agricultura tienen multitud de aplicacio-nes: permiten el seguimiento del metabolis-mo de las plantas y pueden aprovecharsepara provocar mutaciones y obtener varie-dades de nuevos vegetales más resistentesa las plagas.

— En la industria energética se aprovechael calor generado por las reacciones en ca-dena para la obtención de energía eléctricaen las centrales nucleares.

— En la industria alimentaria son útiles paraesterilizar alimentos y envases.

— En metalurgia, el empleo de radiografíaspermite estudiar el reparto de los compo-nentes de las aleaciones y la calidad de losmetales.

— En arqueología se aprovecha la desinte-gración del carbono 14 para datar restosde materiales de antiguas culturas.

Los principales inconvenientes son dos:

— La dosis de irradiación a que están so-metidas las personas que trabajan en es-tos campos, que puede llegar a superar elmáximo permitido por la normativa interna-cional (5 sievert/año).

— El desecho y la acumulación de residuosradiactivos procedentes de diversas acti-vidades, cuyo control puede garantizarsedurante un cierto período de tiempo, perodesconocemos sus consecuencias a largoplazo.

23. Neumoconiosis de origen mineral

Silicosis Asbestosis Antracosis Siderosis Calicosis

Producida por el pol-vo de sílice. Producetrastornos respirato-rios graves.

Producida por elpolvo de asbestoy de amianto.

Producida por el pol-vo de carbón. Produ-ce insuficiencia res-piratoria.

Producida por el polvo demineral de hierro. Pue-de provocar hemorragiaspulmonares.

Producida por elpolvo de piedracaliza. Es la me-nos perjudicial.

Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispo-sitivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.

El motor de explosión de cuatro tiempos(pág. 95)

1. Datos: D 81 mmS 79 mm

Para calcular la relación carrera-diámetro, di-vidimos la carrera S entre el diámetro D:

S 79 mm— ———— 0,975D 81 mm

Para determinar la cilindrada, calculamos elvolumen del cilindro entre el PMI y el PMS:

D 2 SV —————

4 000

3,14 (81 mm)2 79 mmV ——————————— 406,88 cc

4 000

La relación carrera-diámetro es 0,975 y la ci-lindrada, 406,88 cc.

2. Datos: VC 42 cc

VD 406,88 cc (del ejercicio anterior)

La relación volumétrica de compresión r es el cociente entre el volumen total del cilindro(VC VD) y el volumen de la cámara de com-presión (VC).

VC VDr ———— ⇒VC

28

Neumoconiosis de origen vegetal

Bisinosis Cannabosis Lisinosis Tabacosis

Producida por el polvode algodón.

Producida por el polvode cáñamo.

Producida por los hilados, lospelos y las plumas.

Producida por el polvo detabaco.

Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispo-sitivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.

Neumoconiosis de origen animal

Alergias respiratorias

Producida por el polvo procedente de la lana, la seda, las plumas, los cueros, etc.

Profilaxis: evitar la inhalación del polvo mediante mascarillas protectoras, llevando a cabo el trabajo en dispo-sitivos cerrados o humedeciendo los materiales cuando sea posible para evitar la formación del polvo.

Intoxicaciones

Hidrargirismo Arsenicismo Fosforismo Saturnismo

Producida por el mercu-rio, sus amalgamas y suscompuestos.

Producida por el arséni-co y sus compuestos.

Producida por el fósforo ysus compuestos.

Producida por el plomo ysus compuestos.

Profilaxis: protección conmáscaras, guantes y ro-pas especiales.

Profilaxis: higiene de ma-nos y boca, y baños fre-cuentes.

Profilaxis: higiene bucal yprevención de la apari-ción de caries.

Profilaxis: protección conmáscaras, guantes y ro-pas especiales.

Enfermedades infectoparasitarias

Profilaxis: protección con indumentaria adecuada e higiene rigurosa.

Producidas por los gérmenes infecciosos presentes en los RSU.

4. Motores térmicos

29

42 cc 406,88 cc⇒ r ————————— 10,68

42 cc

La relación volumétrica de compresión es10,68.

3. Conocidos la cilindrada total y el número de cilindros, determinamos la cilindrada unitaria(VD). A partir de este dato y de la relación decompresión r, averiguamos el volumen de lacámara de combustión, VC, según la expre-sión:

VC VDr ———— ⇒ r VC VC VD ⇒VC

⇒ r VC VC VD ⇒ VC (r 1) VD ⇒

VD⇒ VC ———r 1

Opel Astra 1.6 16V: VT 1 598 ccr 10,5Z 4 (cilindros)

VT 1 598 ccVD —— ⇒ VD ———— 399,5 cc

Z 4

VD 399,5 ccVC ——— ⇒ VC ————— 42,05 cc

r 1 10,5 1

VW Golf 1.6: VT 1 595 ccr 10,2Z 4 (cilindros)

VT 1 595 ccVD —— ⇒ VD ———— 398,75 cc

Z 4

VD 398,75 ccVC ——— ⇒ VC ————— 43,34 cc

r 1 10,2 1

Peugeot 605 V6: VT 2 946 ccr 10,5Z 6 (cilindros)

VT 2 946 ccVD —— ⇒ VD ———— 491 cc

Z 6

VD 491 ccVC ——— ⇒ VC ————— 51,68 cc

r 1 10,5 1

Los volúmenes de las cámaras de combustiónson, respectivamente, 42,05 cc para el OpelAstra 1.6 16 V; 43,34 cc para el VolkswagenGolf 1.6; y 51,68 cc para el Peugeot 605 V6.

4. Si trazamos una línea vertical que pase por laabscisa 3 500 rpm, obtendremos los puntosde corte con las curvas de par y de potencia.

— La ordenada del punto de corte con la cur-va de par se lee en el eje de la derecha, yresulta ser 225 Nm.

— La ordenada del punto de corte con la cur-va de potencia se lee en el eje de la iz-quierda y resulta ser 75 CV.

El motor de explosión de dos tiempos(pág. 97)

5. Para calcular el volumen de la cámara de com-presión aplicaremos la misma expresión quehemos deducido en el ejercicio 3:

VDVC ———r 1

Motor de competición: VD 331 ccr 11,7

VD 331 ccVC ——— ⇒ VC ————— 30,93 cc

r 1 11,7 1

Motor de paseo: VD 49 ccr 11

VD 49 ccVC ——— ⇒ VC ———— 4,9 cc

r 1 11 1

El volumen de la cámara de compresión delmotor de competición es 30,93 cc y el del mo-tor de paseo, 4,9 cc.

6. Datos: S 66 mmD 85 mmr 11,7 mm

Calcularemos primero la nueva cilindrada, VD,y, a partir de ella, determinaremos el volumende la cámara de compresión:

D 2 SVD ————

4 000

3,14 (85 mm2) 66 mmVD ——————————— 374,33 cc

42 cc

VD 374,33 ccVC ——— ⇒ VC ————— 35 cc

r 1 11,7 1

La nueva cilindrada resulta ser 374,33 cc y elvolumen de la cámara de compresión, 35 cc.

El motor Diesel (pág. 99)

7. Diferencias estructurales:

• El motor Diesel carece de bujías y, en su lu-gar, dispone de inyectores de combustible.

• La cámara de combustión suele estar labra-da en la parte superior del pistón.

• Algunos motores Diesel poseen bujías deincandescencia para el calentamiento inicialdel combustible.

• La relación de compresión de un motor Die-sel es notablemente superior a la de un mo-tor MEP.

• Existe una precámara de combustión en laque se quema parte del combustible. El res-to pasa a la cámara de combustión principal.

Diferencias de funcionamiento:

• El combustible del motor Diesel ha de serprecalentado antes de ser inyectado en loscilindros.

• En la fase de admisión, el cilindro se llenasólo de aire.

• El combustible finamente pulverizado se in-yecta al final de la fase de compresión.

• La autoinflamación del combustible se pro-duce por compresión, sin que medie ningúnelemento externo.

8. Para averiguar el volumen de la cámara decombustión, procederemos del mismo modoque en el ejercicio 3, sabiendo que:

VDVC ———r 1

Audi A6 2.5 TDI: VT 2 496 ccr 19,5Z 6 (cilindros)

VT 2 496 ccVD —— ⇒ VD ———— 416 cc

Z 6

VD 416 ccVC ——— ⇒ VC ————— 22,48 cc

r 1 19,5 1

Renault Laguna: VT 1 870 ccr 18,3Z 4 (cilindros)

VT 1 870 ccVD —— ⇒ VD ———— 467,5 cc

Z 4

VD 467,5 ccVC ——— ⇒ VC ————— 27,02 cc

r 1 18,3 1

El volumen de la cámara de combustión delAudi A6 2.5 TDI es de 22,48 cc y el del Re-nault Laguna RXE 1.9, 27,02 cc.

Combustibles (pág. 103)

9. El gasóleo es más estable que la gasolinafrente al calor. A temperatura ambiente no seinflama, por lo que en caso de derrame, el pe-ligro de autoinflamación es menor.

10. La tendencia a la detonación viene dada por elnúmero de octano (NO). A mayor octanaje,menor tendencia a la detonación.

El combustible menos detonante es la gasoli-na súper porque tiene el NO más elevado (98).

Actividades de aplicación (pág. 109)

11. Motor es toda máquina que transforma cual-quier tipo de energía (química, hidráulica, eléc-trica...) en energía mecánica.

Atendiendo al elemento que proporciona laenergía, los motores se clasifican en tres gran-des grupos: los que utilizan la energía de unfluido (líquido o gas), los que utilizan la energíade un sólido y los que utilizan formas especia-les de energía.

— Entre los que utilizan la energía de un flui-do destacan los motores eólicos, los hidráu-licos, los de aire comprimido y los térmicos.

— Los motores que utilizan la energía de unsólido aprovechan la energía potencial deéste para producir trabajo. Ejemplos carac-terísticos son los motores de pesas o deresorte y el volante de inercia.

— Dentro del grupo de motores que utilizanuna forma especial de energía destacanlos motores eléctricos.

12. La potencia aportada (PA ) es la potencia totalque se suministra al motor, mientras que lapotencia útil (PU) es la potencia que suminis-tra el motor.

30

Primer principio

Cualquiera que sea el procedimiento emplea-do para convertir el calor en trabajo o vice-versa, existe una relación constante entre eltrabajo desarrollado y el calor consumido,siempre que el estado final del sistema seaigual al inicial. Esta relación recibe el nombrede equivalente mecánico del calor y es igual a427 kgm/kcal.

Segundo principio

Una máquina térmica sólo puede efectuar tra-bajo si absorbe calor de un manantial a tem-peratura superior (más caliente) y lo cede aotro a temperatura inferior (más frío).

16. En los motores de combustión externa, éstase lleva a cabo en un espacio exterior al motorpropiamente dicho. Por este motivo, puedenutilizar cualquier tipo de combustible.

En cambio, en los de combustión interna, és-ta se produce en el interior del motor, por loque sólo pueden utilizar combustibles voláti-les, es decir, que puedan pasar fácilmente afase vapor.

17.

18. Cilindro: espacio en el que se lleva a cabo laadmisión, la compresión, la expansión y el es-cape de la mezcla combustible.

Pistón: pieza que encaja en las paredes del ci-lindro y que se mueve solidariamente con labiela. Sus movimientos alternativos determi-nan las distintas fases del funcionamiento delmotor.

Bujía: dispositivo eléctrico que produce unachispa en el instante de máxima compresiónde la mezcla combustible.

31

La magnitud que las relaciona se denominarendimiento () y se define como el cocienteentre la potencia útil (PU) y la potencia aporta-da (PA ).

PU ——

PA

13. El par motor es el momento de rotación queactúa sobre el eje del motor y que determinasu giro. Podemos distinguir teóricamente entrepar de arranque, par de aceleración y par no-minal.

— Par de arranque es el par motor necesariopara que el motor inicie su giro partiendodel reposo.

— Par de aceleración es el par que actúa so-bre el motor desde el instante del arranquehasta que alcanza la velocidad normal.

— Par nominal es el par que actúa sobre elmotor una vez que éste ha alcanzado suvelocidad normal.

14. Un motor térmico es aquel que permite obte-ner energía mecánica a partir de la energíatérmica almacenada en un fluido.

15. El funcionamiento de un motor térmico selleva a cabo en un proceso o ciclo cerrado enel que tiene lugar lo siguiente:

— En un momento determinado de su funcio-namiento, el motor recibe una determinadacantidad de calor QA (calor aportado) y,posteriormente, cede o se le sustrae otracantidad de calor QC (calor cedido), menorque QA.

— Como el calor aportado, QA, es mayor queel cedido o sustraído, QC, se produce la de-saparición de una cierta cantidad de ener-gía térmica que se transforma en trabajomecánico T. El trabajo obtenido puede cal-cularse a partir de la expresión:

T 427 (QA QC)

donde QA y QC se miden en kcal y T semide en kgm.

Este proceso se basa en el primer y el segun-do principios de la termodinámica, que pue-den enunciarse del modo siguiente:

Válvula de admisión

Válvula de escape

Segmentos

Pistón

Biela

Càrter

Cámarade combustión

Bloque

Cigüeñal

Bujía

Cigüeñal: árbol acodado que recibe el impulsode la biela y, posteriormente, le transmite laenergía acumulada en el volante de inercia.

Biela: pieza rígida solidaria con el pistón yajustada al cigüeñal. Transforma el movimien-to rectilíneo alternativo del pistón en movi-miento circular del cigüeñal y viceversa.

Válvula de admisión: válvula situada en la par-te superior del cilindro por donde le entra lamezcla combustible.

Válvula de escape: válvula situada en la partesuperior del cilindro por donde salen los gasesprocedentes de la combustión.

Árbol de levas: árbol provisto de piezas excén-tricas denominadas levas, cuya función esabrir o cerrar las válvulas de admisión y esca-pe en el momento oportuno.

Correa de distribución: correa dentada de trans-misión que permite sincronizar el movimien-to de giro del cigüeñal con el del árbol de levaspara que las válvulas se abran y se cierrencuando corresponde.

19. Las etapas de funcionamiento de un motorde cuatro tiempos son: admisión, compresión,expansión y escape.

— En la fase de admisión, el pistón descien-de desde el punto muerto superior (PMS)arrastrado por el movimiento del cigüeñal.Como consecuencia, se produce una de-presión en el interior del cilindro que permi-te que éste se llene con la mezcla de com-bustible y aire a través de la válvula deadmisión, que permanece abierta.

Cuando el pistón llega al punto muerto infe-rior (PMI) concluye la primera carrera y el ci-güeñal ha girado un ángulo de 180°. En estemomento, la válvula de admisión se cierra.

— En la fase de compresión, el pistón ascien-de desde el PMI hasta el PMS, arrastradotambién por el movimiento del cigüeñal. Lasdos válvulas permanecen cerradas y la mez-cla se comprime en el interior del cilindro.

Cuando el pistón llega al PMS, concluye lasegunda carrera y el cigüeñal habrá giradootros 180°. La mezcla de combustible y aireestá comprimida al máximo.

— En la fase de expansión, salta la chispaprocedente de la bujía y la mezcla se infla-

ma. Las dos válvulas siguen cerradas y elpistón es obligado a desplazarse violenta-mente hacia el PMI por efecto de la presiónejercida por los productos de la combus-tión. Los gases se expanden y el movimien-to del pistón arrastra el cigüeñal.

Cuando el pistón llega al PMI, concluye latercera carrera y el cigüeñal ha girado denuevo 180°. En este momento, la válvulade escape se abre.

— En la fase de escape, el pistón se despla-za desde el PMI hasta el PMS, arrastradopor el movimiento del cigüeñal. La válvulade escape, que permanece abierta, permi-te la salida de los gases quemados.

Al llegar el pistón al PMS, concluye la cuar-ta carrera, asociada a un nuevo giro del ci-güeñal de 180°.

La válvula de escape se cierra y la válvulade admisión se abre, con lo que se está endisposición de iniciar un nuevo ciclo.

El trabajo útil se lleva a cabo en la fase de ex-pansión, que es el momento en que el pistónarrastra el cigüeñal y le transmite la energíaprocedente de la combustión de la mezcla. Entodas las demás fases, no hay trabajo útil.

20. Datos: Z 4 (cilindros)D 83 mmS 90 mm

Para determinar la cilindrada, calculamos elvolumen del cilindro entre el PMI y el PMS:

D 2 SVD ————

4 000

3,14 (83 mm2) 90 mmVD ——————————— 486,7 cc

4 000

Para calcular la cilindrada total, multiplicamosla cilindrada unitaria por el número de cilindros.

VT Z VD ⇒ VT 4 486,7 cc 1 946,8 cc

Para calcular la relación carrera-diámetro divi-dimos la carrera S entre el diámetro D:

S 90 mm— ———— 1,08D 83 mm

La cilindrada unitaria es 486,7 cc , la cilindradatotal, 1 946,8 cc y la relación carrera-diámetro,1,08.

32

33

21. Datos: r 10,3

VD 486,7 cc (del ejercicio anterior)

Para calcular el volumen de la cámara decompresión aplicaremos la misma expresiónque hemos deducido en ejercicios anteriores:

VD 486,7 ccVC ——— ⇒ VC ————— 52,33 cc

r 1 1,08 1

El volumen de la cámara de combustión delmotor del ejercicio anterior es 52,33 cc.

22. Datos: Z 6 (cilindros)

VT 2 946 cc

VC 51,68 cc

Determinamos primero la cilindrada unitaria,VD. Con este dato y con el volumen de la cá-mara de combustión, VC, calcularemos r:

VT 2 946 ccVD —— ⇒ VD ———— 491 cc

Z 6

VD VCr ———— ⇒VC

491 cc 51,68 cc⇒ r ———————— 10,5

51,68 cc

La relación volumétrica de compresión delmotor es de 10,5.

23. Datos: Z 4 (cilindros)

VT 1 948 cc

r 21,5 cc

Determinamos primero la cilindrada unitaria,VD. A partir de este dato y de la relación decompresión r, averiguamos el volumen de lacámara de combustión, VC:

VT 1 948 ccVD —— ⇒ VD ———— 487 cc

Z 4

VD 487 ccVC ——— ⇒ VC ————— 23,75 cc

r 1 21,5 1

El volumen de la cámara de combustión resul-ta ser de 23,75 cc.

24. El par máximo es la ordenada (leída en el ejede la derecha) del máximo de la curva A, queresulta ser 35 kgm.

Para expresarlo en Nm, basta aplicar el factorde conversión adecuado.

9,8 Nm35 kgm ———— 343 Nm

1 kgm

La potencia máxima es la ordenada (leída enel eje de la izquierda) del máximo de la curvaB, que resulta ser 285 CV.

Los regímenes de giro del par y la potencia má-ximos son las abscisas de los máximos decada una de las curvas: 4 800 rpm y 7 000 rpm,respectivamente.

La diferencia de regímenes a los que se alcan-za el par máximo (4800 rpm) y la potencia má-xima (7000 rpm) se explica si tenemos en cuen-ta que el aumento del número de revolucionespuede compensar la disminución del par y per-mitir que la potencia aumente un poco más.

25. Diferencias estructurales:

• El motor de explosión de cuatro tiempos dis-pone de bujías para la inflamación de lamezcla combustible, mientras que el motorDiesel carece de ellas.

• La cámara de combustión de un motor deexplosión es el espacio que queda entre elpistón y la parte superior del cilindro, mien-tras que en el motor Diesel suele estar la-brada en la parte superior del pistón.

• Algunos motores Diesel poseen bujías deincandescencia para el calentamiento inicialdel combustible, mientras que los motoresde explosión carecen de ellas.

• La relación de compresión de un motor Die-sel es notablemente superior a la de un mo-tor de explosión de cuatro tiempos.

• En los motores Diesel existe una precámarade combustión en la que se quema parte delcombustible, mientras que los motores deexplosión carecen de ella.

Diferencias de funcionamiento:

• El combustible del motor Diesel ha de serprecalentado antes de ser inyectado en loscilindros, mientras que en los motores deexplosión no es necesario.

• En la fase de admisión, el cilindro de un mo-tor de explosión se llena de mezcla combus-

tible, mientras que en el motor Diesel se lle-na sólo de aire, ya que el combustible fina-mente pulverizado se inyecta al final de lafase de compresión.

• La autoinflamación del combustible en unmotor Diesel se produce por compresión, sinque medie ningún elemento externo, mien-tras que en los motores de explosión es ne-cesaria la intervención de la bujía.

26.

27. Analogías:

• El principio de funcionamiento es el mismo:el ciclo se divide en cuatro fases (admisión,compresión, expansión y escape).

• Ambos motores necesitan el concurso deuna bujía para provocar la ignición de lamezcla combustible.

Diferencias:

• El pistón del motor de explosión de cuatrotiempos efectúa un movimiento rectilíneo al-ternativo, mientras que el del motor Wankellleva a cabo un movimiento circular.

• Los motores de explosión de cuatro tiemposdisponen de válvulas de admisión y de es-cape, mientras que el motor Wankel las sus-tituye por lumbreras.

• El bloque motor de los motores de explosiónde cuatro tiempos, de interior cilíndrico, essustituido por el estátor del motor Wankel,de interior casi elíptico.

• Un motor Wankel provisto de un solo pistónequivale a un motor de explosión de tres cilindros.

28.

29. El poder calorífico de un combustible es lacantidad de calor desprendido por unidad decombustible, cuando la combustión es com-pleta.

Su valor varía según que la combustión se llevea cabo a presión constante o a volumen cons-tante; aunque, en los combustibles más usua-les, las diferencias son mínimas, por lo que nomerece la pena distinguirlas.

El poder calorífico se mide en energía por uni-kJ

dad de masa —— o en energía por unidad kg

kJ kJde volumen ——, ——.dm3 m3

Por ejemplo:kJ

— Gasolina: HC 43 900 ——kg

kJHC 32 050 ——

dm3

kJ— Gasóleo: HC 43 500 ——

kg

kJHC 36 000 ——

dm3

La diferencia de poder calorífico por unidad de masa y por unidad de volumen radica en la densidad de los combustibles (menor que la

34

Lumbrerade admisión

Rotor

EstátorBujía

Camara decombustión

Piñón

Coronadentada

Lumbrera de escape

Motor de explosión de cuatro tiempos

Transporte por carretera (automóviles y motoci-cletas de cilindrada superior a 125 cc). Acciona-miento de equipos.

Motor de explosión de dos tiempos

Pequeños motores para lanchas fueraborda, mo-tocicletas de pequeña cilindrada y auxiliares.Grandes motores marinos de elevada potencia.

Motor Diesel

Transporte por carretera (automóviles, camio-nes, autocares), maquinaria agrícola y de obraspúblicas. Propulsión de ferrocarriles. Generaciónde energía eléctrica.

Motor Wankel

Vehículos ligeros de turismo, embarcaciones li-geras (motores fueraborda), aparatos de jardi-nería.

35

kJdel agua, que es de 1 000 ——. Así, la gaso-

m3

kglina tiene una densidad de 730 ——, mientras

m3

kgque la del gasóleo es 872 ——.

m3

30. El número de octano (NO) mide la mayor o lamenor tendencia de un combustible a detonar:cuanto mayor es este número, menor es latendencia a la detonación.

Se aplica a los combustibles utilizados en losmotores de encendido provocado (MEP), esdecir, las gasolinas, que deben tener una bajatendencia a la autoinflamación con el fin deevitar detonaciones.

El número de cetano (NC) mide la tendenciaa la autoinflamación: cuanto mayor es este nú-mero, mayor es la tendencia del combustible aautoinflamarse.

Se aplica a los combustibles utilizados en losmotores Diesel (MEC), es decir, los gasóleos,los cuales, al contrario que en el caso anterior,deben tener una elevada tendencia a la au-toinflamación, para que no se acumulen en el

cilindro grandes cantidades de mezcla de airey combustible.

31. Los principales gases nocivos que emite unmotor de combustión interna son el monóxidode carbono, los óxidos de nitrógeno y los hi-drocarburos no quemados.

— El monóxido de carbono (CO) se produ-ce en las combustiones incompletas porescasez de oxígeno en la mezcla.

Se trata de un gas muy tóxico, capaz dedestruir la hemoglobina de la sangre cuan-do se inhala.

— Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2) segeneran en la cámara de combustión cuan-do se alcanzan grandes presiones y tempe-raturas.

En contacto con el vapor de agua de la atmósfera, generan pequeñas cantidadesde ácidos y son responsables, junto conotros compuestos, de la denominada lluviaácida.

— Los hidrocarburos no quemados se des-prenden en las combustiones incompletasy son agentes cancerígenos.

Bomba de calor (pág. 119)

1. Según el principio de conservación de la ener-gía, en las máquinas frigoríficas y en las bom-bas de calor se cumple siempre que:

Q1 Q2 W

donde Q1 es el calor cedido al foco caliente;Q2 es el calor sustraído del foco frío, y W es laenergía aportada a la máquina.

El rendimiento () de una bomba de calor sedefine como el cociente entre el calor suminis-trado por la máquina (Q1) y la energía que lehemos aportado al compresor (W ):

Q1 ——

W

Del principio de conservación de la energía sededuce que Q1 siempre es mayor que W. Portanto, el rendimiento de una bomba de calorsiempre será mayor que la unidad.

El efecto frigorífico (ef ) de una máquina fri-gorífica se define como el cociente entre el ca-lor sustraído al foco frío (Q2) y la energía quehemos aportado al compresor (W ):

Q2ef ——W

Del principio de conservación de la energía nopuede deducirse qué relación existe entre es-tas dos magnitudes. Por lo tanto, dependiendode cómo sea, el efecto frigorífico podrá ser ma-yor o menor que la unidad.

2. Datos: PU 567 000 kcal/hPS 153 kW

Expresamos la potencia útil en kW:

kcal 1 kJ 1 hPU 567 000 —— ———— ————

h 0,24 kcal 3 600 s

656,25 kW

5. Máquinas frigoríficas. Bomba de calor

El rendimiento es el cociente entre la potenciaútil (PU) y la potencia suministrada (PS).

PU 656,25 kW —— ⇒ ————— 4,29

PS 153 kW

El rendimiento de la instalación, funcionandocomo bomba de calor, es de 4,29.

3. Formulamos la relación entre las cantidadesde calor transferidas y las temperaturas de losfocos. A partir de ella, despejamos Q1:

Q1 T1 T1—— —— ⇒ Q1 Q2 ——Q2 T2 T2

Sustituimos Q1 por su valor en la expresión delprincipio de conservación de la energía en unabomba de calor y despejamos el valor de Q2:

Q1 Q2 AW

T1Q2 —— Q2 AWT2

T1Q2 —— Q2 AWT2

T1Q2 —— 1 AWT2

T1 T2Q2 ———— AWT2

T2Q2 AW ————T1 T2

4. Datos: EU 120 000 kcal 4

Expresamos la energía útil en kWh utilizandoel factor de conversión adecuado:

1 kWhEU 120 000 kcal ———— 138,9 kWh

864 kcal

A partir del dato del rendimiento, calculamosla energía suministrada al compresor:

EU EU 138,9 kW —— ⇒ ES —— —————

ES 4

34,7 kW

La energía consumida por el compresor hasido de 34,7 kWh.

5. Datos: t1 20 °C 293 Kt2 0 °C 273 K

Confeccionamos una tabla para calcular elrendimiento de la bomba de calor en interva-los de 3 en 3 K:

Representamos gráficamente la variación delrendimiento con respecto a la temperatura del foco frío:

Actividades de aplicación (pág. 127)

6. El funcionamiento de un motor térmico sebasa en un proceso o ciclo cerrado, es decir,al finalizar un ciclo de trabajo, el motor vuelvea las condiciones iniciales o de partida.

El proceso que se lleva a cabo es el siguiente:en un momento determinado de su funciona-miento, el motor recibe una determinada canti-dad de calor QA (medido en cal o kcal) y pos-teriormente cede o se le sustrae otra cantidadde calor QC, menor que QA.

Como el calor aportado, QA, es mayor que elcedido o sustraído, QC, se produce la desapa-

36

t2

(°C)T2

(K)T1

(K)T2—T1

T21 —T1

1 ———

T21 —T1

0 273 293 0,931 0,069 14,49

3 276 293 0,942 0,058 17,24

6 279 293 0,952 0,048 20,83

9 282 293 0,962 0,038 26,31

12 285 293 0,973 0,027 37,03

15 288 293 0,983 0,017 58,83

60

50

40

30

20

10

00 3 6 9 181512

Rendimiento

Temperatura del foco frío (°C)

Tem

pera

tura

del

foco

cal

ient

e (°

C)

37

rición de una cierta cantidad de energía térmi-ca que se transforma en trabajo mecánico T.

El funcionamiento de una máquina frigoríficatambién se basa en un ciclo cerrado, pero quees inverso al de los motores térmicos: la má-quina frigorífica toma una cantidad de calorQ2 de un foco frío, denominado evaporador, ycede una cantidad de calor Q1 a un foco ca-liente, llamado condensador.

De acuerdo con el principio anterior, para queeste proceso tenga lugar, es necesario sumi-nistrarle una cierta cantidad de energía W.

7. El fluido frigorígeno es una sustancia quecambia de estado por condensación o porevaporación a una presión y temperatura de-terminadas.

En las máquinas frigoríficas, el fluido frigorí-geno circula en circuito cerrado por el sistemay sufre una serie de transformaciones:

— Primero es comprimido en el compresor.Este proceso no se lleva a cabo espontá-

neamente, por lo que, para que transcurra,es necesario aportar una cierta cantidad deenergía, W.

— A continuación, es licuado por enfriamientoen el condensador. Este cambio de esta-do supone una cesión de calor de Q1 calo-rías.

— Después es sometido a un proceso de ex-pansión en el sistema de expansión. Deeste modo, el fluido disminuye su presiónhasta alcanzar la del evaporador.

— Al llegar al evaporador, el fluido se evapora.Para efectuar este nuevo cambio de esta-do, ha de tomar una cantidad de calor Q2,con lo que se produce el enfriamiento delelemento.

— Tras la evaporación, el fluido recupera lascondiciones iniciales, por lo que pasa denuevo al compresor para iniciar un nuevociclo.

En las bombas de calor, el sistema funcionade modo similar, aunque el efecto que se con-sigue es el contrario:

— El fluido frigorígeno toma una cierta canti-dad de calor Q2 del foco frío o evaporadory se evapora.

— Una vez evaporado, pasa al compresor,donde es comprimido gracias a la energíaW aportada.

— El gas comprimido pasa al condensador,donde se licua y cede una cierta cantidadde calor Q1, que es aprovechada para ca-lefacción.

— Una vez licuado, pasa a través de la válvu-la de expansión hasta alcanzar de nuevo lapresión del evaporador, donde comenzaráde nuevo el ciclo.

8. Las condiciones básicas que han de cumplirlos fluidos frigorígenos son las siguientes:

— Deben ser no tóxicos. De este modo, si seproducen fugas en la instalación, los usua-rios no correrán riesgos innecesarios.

— No pueden ser fácilmente inflamables osusceptibles de producir explosiones. Conello se garantiza la seguridad de la insta-lación ya que algunos de sus elementos(como el compresor) funcionan con ener-

QA

QC

T

Foco caliente

Foco frío

Motor térmico

Foco frío(evaporador)

Foco caliente(condensador)

Q2

Q1

WMáquinafrigorifica

gía eléctrica y una chispa podría provocarun accidente.

— Han de tener una viscosidad tal que impidaque se produzcan fugas fáciles. Así, seasegura el buen funcionamiento de la ins-talación.

— No han de ser corrosivos para los metales.Hay que tener en cuenta que las conduc-ciones por las que circula el fluido son me-tálicas.

Los fluidos frigorígenos más utilizados a lolargo de la historia tecnológica han sido: elagua; los dióxidos de azufre y de carbono (SO2y CO2); los cloruros de metilo y etilo (CH3Cl yCH3—CH2Cl), más conocidos como freones;el amoníaco (NH3); algunos hidrocarburos decadena corta, como el propano y el butano(C3H8 y C4H10); y más recientemente los hidro-carburos fluorados y clorados.

Sin embargo, muchos de estos fluidos no cum-plen las especificaciones necesarias para suutilización industrial.

— El agua no es tóxica ni inflamable, pero suscaracterísticas físicas la hacen poco ren-table.

— El dióxido de azufre es tóxico.

— Algunos freones, como el R113, son tóxi-cos.

— El amoníaco, aunque no es tóxico en pe-queñas cantidades, tiene un olor desagra-dable y, además, es poco viscoso.

— El propano y el butano son gases económi-cos y de empleo sencillo, pero resultan pe-ligrosos por su alta inflamabilidad.

— Los clorofluorocarbonados (CFC) inciden deforma negativa sobre la capa de ozono queprotege la atmósfera terrestre, por lo queestá en proceso su sustitución por otras sus-tancias menos agresivas.

En la actualidad, se está procediendo a la sustitución de todos los fluidos frigorígenospor los HCFC o hidroclorofluorocarbonados,que resultan menos agresivos con la capa deozono.

9. Una máquina frigorífica tipo está provista decompresor, condensador, acumulador conválvula de expansión y evaporador.

El cometido del compresor es doble:

— Por una parte, comprime el fluido frigoríge-no en estado de vapor, con lo que reducesu volumen y aumenta su presión y su tem-peratura.

— Por otra, facilita la circulación del fluido a lolargo del ciclo.

El compresor está movido por un motor dearrastre que consume la energía W que seaporta al sistema.

El gas frigorígeno entra en el condensadordonde se produce su licuefacción, ya sea porcirculación de aire o de agua. En esta fasecede una cantidad de calor Q1 y disminuye suvolumen, a presión constante.

En el acumulador o depósito se almacena elfluido frigorígeno procedente del condensadory, desde aquí, se alimenta el evaporador a tra-vés de la válvula de expansión. El líquido seexpansiona disminuyendo su presión de P2(alta presión) a P1 (baja presión) y aumentan-do su volumen.

La válvula de expansión puede consistir enun orificio calibrado o en un tubo capilar dondese produce la expansión.

En el evaporador se produce la transforma-ción del líquido frigorígeno en vapor. Para ello,toma una cantidad de calor Q2 de su entornoy produce el enfriamiento.

A la salida del evaporador tenemos el fluidofrigorígeno en las condiciones iniciales paracomenzar un nuevo ciclo.

38

Acumulador Condensador

Evaporador

Válvula de expansiónCompresor

Motorde arrastre

Q1

W

W

Q2

39

10. El elemento encargado de refrigerar un lugaro un ambiente determinado es el evapora-dor porque en él se produce la evaporacióndel fluido frigorígeno y, para que ésta se dé, es necesario que el fluido tome calor del en-torno, provocando de este modo su enfria-miento.

11. Las máquinas frigoríficas funcionan según unciclo presión-volumen denominado ciclo deCarnot, semejante al de los motores térmi-cos. La diferencia fundamental entre ambosciclos es el sentido de recorrido del ciclo, yaque en un caso se recorre en sentido contrarioal otro.

El fluido, una vez recuperadas sus condi-ciones iniciales (P1 y V1), puede volver acomenzar el ciclo.

12. El sentido del circulación del fluido frigorígenoes correcto. Sin embargo, las cantidades decalor que aparecen están mal simbolizadas:

— El calor cedido al entorno por el condensa-dor al foco caliente no es Q2, sino Q1.

— Lógicamente entonces, el calor sustraídopor el evaporador del foco frío no es Q1,sino Q2.

13. La máquina frigorífica y la bomba de calor fun-cionan siguiendo el mismo ciclo. La diferenciaradica en el aprovechamiento:

— En la máquina frigorífica se aprovecha elevaporador para sustraer calor de un lugaro un ambiente y provocar un descenso dela temperatura.

— En la bomba de calor se aprovecha elcondensador para aportar calor al entornoy provocar un aumento de la temperatura.

14. El circuito clásico de una bomba de calor con-tiene esencialmente los mismos elementosque una máquina frigorífica: compresor, con-densador, sistema de expansión y evaporador.

La diferencia radica en el aprovechamientodel condensador, en lugar del evaporador,para provocar el aumento de la temperaturade un lugar o un ambiente.

15. Datos: Q1 10 500 kcalW 8 kWh

Aplicamos el principio de conservación de la energía en una bomba de calor y despeja-mos Q2:

Q1 Q2 AW ⇒ Q2 Q1 AW

V3 V4 V2 V1

P1

P2

P

C B

AD

Q2

Q1

Q1

Q2W

V

Condensador

Evaporador

CompresorSistema

de expansió

— De A a B se produce la compresión del flui-do: su volumen disminuye de V1 a V2 y supresión aumenta de P1 a P2.

En esta fase, la máquina recibe la energíaW necesaria para que actúe el compresor.

— De B a C se produce la licuefacción o con-densación del fluido a presión prácticamen-te constante, y el volumen disminuye denuevo de V2 a V3.

En esta fase, la máquina cede una canti-dad de calor Q1 al foco caliente.

— De C a D se origina la expansión del fluidocon un ligero aumento del volumen de V3 aV4 y una disminución de la presión de P2a P1.

— De D a A se produce la evaporación, a pre-sión constante, con un aumento del volu-men de V4 a V1. La máquina absorbe unacantidad de calor Q2 del foco frío y produceel enfriamiento.

kcalQ2 10 500 kcal 864 —— 8 kWh

kWh

3 588 kcal

El calor sustraído al foco frío es 3 588 kcal.

16. Datos: Q1 10 500 kcalQ2 3 588 kcalW 8 kWh

Calculamos el rendimiento cuando la máquinaactúa en modo bomba de calor:

Q1 10 500 kcal —— ⇒ ————————— 1,52

AW kcal864 —— 8 kWh

kWh

Calculamos el efecto frigorífico cuando la má-quina actúa en modo acondicionador de aire:

Q2 3 588 kcalef —— ⇒ ef ————————— 0,52

AW kcal864 —— 8 kWh

kWh

Cuando la máquina funciona como bomba decalor, su rendimiento es 1,52 y cuando lo hacecomo acondicionador de aire, el efecto frigorí-fico es 0,52.

17. Datos: t1 30 °C ⇒ T1 303 Kt2 10 °C ⇒ T2 283 KW 2 kWh

Para averiguar la cantidad de calor sustraídadel foco frío, aplicamos la expresión:

T2Q2 AW ————T1 T2

kcal 3 588 KQ2 864 —— 2 kWh ———————

kWh (30º3 283) K

24 451,2 kcal

Para averiguar la cantidad de calor suministra-da al foco caliente, aplicamos la expresión:

T1Q1 AW ————T1 T2

kcal 303 KQ1 864 —— 2 kWh ———————

kWh (303 283) K

26 179,2 kcal

Para determinar el rendimiento, aplicamos laexpresión:

Q1 26 179,2 kcal —— ⇒ ————————— 15,5

AW kcal864 —— 2 kWh

kWh

El calor sustraído al foco frío es 24 451,2 kcal,el suministrado al foco caliente, 26 179,2 kcal,y el rendimiento, 15,15.

18. En estas condiciones, la bomba de calor nopuede funcionar.

En efecto, el 0 K se considera el cero absolutode temperatura, lo que significa que no puedeabsorberse calor del foco frío puesto que estosignificaría hacer disminuir su temperatura pordebajo del cero absoluto, hecho que, eviden-temente, es imposible.

19. En estas condiciones, hay que distinguir entreel instante inicial y el resto del tiempo de fun-cionamiento de la máquina.

— En el instante inicial, el rendimiento de lamáquina sería teóricamente infinito, ya quela diferencia T1 T2 es cero. Esto produci-ría un inmediato incremento de la tempera-tura del foco caliente.

— A partir de este momento, el rendimientoiría decreciendo hasta que se alcanzara latemperatura de referencia.

20. El rendimiento de una bomba de calor au-menta a medida que la diferencia de tempe-raturas entre los focos caliente y frío dismi-nuye.

En efecto, el rendimiento puede calcularsemediante la expresión:

T1 ————

T1 T2

donde T1 es la temperatura del foco caliente yT2, la del foco frío.

Cuanto menor sea la diferencia entre T2 y T1,menor será el denominador y mayor resultaráel valor de .

Por lo tanto, el rendimiento de una bomba decalor será mayor cuanto menor sea la diferen-cia entre las temperaturas del foco caliente ydel foco frío.

40

41

21. En caso de que el sistema funcione como má-quina frigorífica, el rendimiento o efecto fri-gorífico puede calcularse mediante la ecua-ción:

T1ef ————T1 T2

donde T1 es la temperatura del foco caliente yT2, la del foco frío.

La diferencia entre esta expresión y la de la ac-tividad anterior radica en el numerador, mien-tras que el denominador permanece invaria-ble. Por consiguiente, el razonamiento seráidéntico: cuanto menor sea la diferencia entreT2 y T1, menor será el denominador y mayorresultará el valor de ef.

Por lo tanto, el rendimiento o efecto frigoríficode una máquina frigorífica será mayor cuantomenor sea la diferencia entre las temperaturasdel foco caliente y del foco frío.

22. Datos: t2 5 °C ⇒ T2 278 K

16,5

Para determinar la temperatura del foco ca-liente, partiremos de la expresión del rendi-miento en función de las temperaturas y des-pejaremos T1:

T1 ————

T1 T2

(T1 T2) T1

T1 T2 T1

T1 T1 T2

T1 ( 1) T2

T1 ———— T2

1

16,5T1 ———— 278 K 296 K 23 °C

16,5 1

La temperatura máxima que puede alcanzar-se en el foco caliente es 23 °C.

23. Partimos de la ecuación del principio de con-servación de la energía y despejamos AW:

Q1 Q2 AW ⇒ AW Q1 Q2

Sustituimos AW por su valor en la expresióndel rendimiento.

Q2 Q2 —— ————

AW Q1 Q2

Como la temperatura es una medida del calor,sustituimos Q1 y Q2 por las temperaturas ab-solutas de los focos caliente y frío, respectiva-mente, y transformamos la expresión:

Q2 Q2 1 ———— ———— ————

Q1 Q2 T1 T2 T1— 1T2

24. Datos: t1 22 °C ⇒ T1 295 K

t 2 6 °C ⇒ T2 279 K

W 5 kWh

Para averiguar la cantidad de calor sustraídadel foco frío, aplicamos la expresión:

T2Q2 AW ————T1 T2

kcal 279 KQ2 864 —— 5 kWh ———————

kWh (295 279) K

75 330 kcal

Para averiguar la cantidad de calor suministra-da al foco caliente, aplicamos la expresión:

T1Q1 AW ————T1 T2

kcal 295 KQ2 864 —— 5 kWh ———————

kWh (295 279) K

79 650 kcal

Se han sustraído 75 330 kcal del foco frío y sehan aportado 79 650 kcal al foco caliente.

25. Datos: t1 22 °C ⇒ T1 295 K

t2 6 °C ⇒ T2 279 K

Confeccionamos una tabla para calcular elrendimiento de la bomba de calor en interva-los de 2 en 2 K:

Representamos gráficamente la variación delrendimiento con respecto a la temperatura delfoco frío:

Actividades de aplicación (pág. 151)

1. Datos: L 80 cm 0,8 m

I 4 A

B 2 T

a) Si el conductor se sitúa perpendicularmen-te a las líneas de fuerza del campo magné-tico, 90° y sen 1.

El módulo de la fuerza viene dado por laexpresión F I L B sen . En este caso:

F 4 A 0,8 m 2 T 1 6,4 N

b) Si el conductor forma un ángulo de 60° conlas líneas de fuerza del campo magnético,entonces 60° y sen 0,866.

El módulo de la fuerza será:

F 4 A 0,8 m 2 T 0,866 5,54 N

En el primer caso, el campo ejerce una fuerzade módulo 6,4 N y en el segundo, de 5,54 N.

2. Si invertimos simultáneamente el sentido decirculación de la corriente en un conductor y lapolaridad del campo magnético, cambiarátambién el sentido de los vectores L y B. Enconsecuencia, y en aplicación de la regla de lamano izquierda, el sentido de la fuerza per-manecerá invariable, como puede apreciarseen la figura siguiente:

3. Datos: L 5 cm 0,05 mI 3 An 100B 2,5 T

Cuando la espira se sitúa perpendicularmen-te a las líneas de fuerza del campo, 90° ysen 1.

El módulo del momento del par que actúa so-bre cada espira es: M I S B sen . Como labobina dispone de n espiras, el módulo será:M n I S B sen .

M 100 3 A 3,14 (0,025 m)2 2,5 T 1

1,47 Nm

El módulo del par que actúa es de 1,47 Nm.

4. El motor de corriente continua consta de doselementos fundamentales, denominados está-tor y rotor.

El estátor es la parte fija del motor, responsa-ble del establecimiento del campo magnético.

42

t2

(°C)T2

(K)T1

(K)T2—T1

T21 —T1

1 ———

T21 —T1

6 279 295 0,946 0,054 18,52

14 287 295 0,973 0,027 37,04

16 289 295 0,980 0,020 50,00

60

50

40

30

20

10

00 3 6 8 181612 1410

Rendimiento

Temperatura del foco frío (°C)

Tem

pera

tura

del

foco

cal

ient

e (°

C)

12 285 295 0,966 0,034 29,41

6. Motores eléctricos

F F

B

B

L

Lα α

10 283 295 0,959 0,01 24,93

8 281 295 0,953 0,047 21,28

43

Para ello dispone de una serie de bobinas,que reciben el nombre de bobinas inductoras,situadas alrededor de los polos del electroi-mán. Éstos van sujetos a la carcasa.

El rotor es la parte móvil del motor. Consta deotro conjunto de bobinas (bobinas inducidas)que van arrolladas sobre las ranuras de un nú-cleo de hierro denominado inducido. Los ex-tremos de las bobinas se sueldan a una seriede láminas de cobre, llamadas delgas, queforman el colector. El conjunto se monta sobreun eje.

Además, el motor dispone de escobillas, mon-tadas sobre los portaescobillas. Estos disposi-tivos están en contacto permanente con el co-lector y suministran la corriente eléctrica a lasbobinas inducidas.

5. El principio de funcionamiento de un motorde corriente continua se basa en las fuerzaselectromagnéticas que un campo magnéticoejerce sobre un conductor situado en su seno,por el que circula una corriente eléctrica.

Si el conductor tiene forma de espira y éstapuede girar sobre un eje, el par de fuerzas queactúa sobre ambas partes de la espira provo-cará en ella un movimiento de rotación.

Al conectar el motor a la fuente de alimenta-ción, la corriente eléctrica circula por las bobi-nas inductoras generando un electroimán ycreando el campo magnético que necesitamos.

Esta corriente continua también circula por lasbobinas inducidas a través de las escobillas ydel colector.

Una vez establecido el campo magnético, lospares de fuerzas que actúan sobre las bobi-nas inducidas, las obligarán a girar y, conellas, lo hará todo el rotor.

De este modo, la energía eléctrica suministra-da al motor se transforma en energía mecáni-ca de rotación.

— Si la corriente sólo circulara por las bobi-nas inductoras, pero no por las inducidas,se generaría un campo magnético porefecto del electroimán. Pero, al no circularcorriente por las bobinas inducidas, I 0 yentonces no existiría ninguna fuerza queactuara sobre estas bobinas. El motor nofuncionaría.

— Si, por el contrario, la corriente sólo circula-ra por las bobinas inducidas, pero no porlas inductoras, no se generaría ningún cam-po magnético, es decir, B 0, y, en con-secuencia no existiría ninguna fuerza queactuara sobre las bobinas inducidas. El mo-tor tampoco funcionaría.

6. Los motores serie, shunt y compound son mo-tores de corriente continua que difieren en laforma de conexión de las bobinas inductoras einducidas.

— En el motor serie, las bobinas inductoras einducidas están conectadas en serie. Enconsecuencia, la intensidad I, absorbida porel motor al conectarlo a la red de corrientecontinua, es la misma en todo el motor.

El motor serie puede desarrollar un eleva-do par motor en el instante de arrancar. Sidisminuye la intensidad absorbida por dis-minución de la carga en el motor, éste correel peligro de aumentar excesivamente develocidad (embalamiento).

Los motores serie se utilizan en vehículosde tracción eléctrica, como tranvías, loco-motoras, trolebuses, etc.

— En el motor shunt, las bobinas inductorasvan conectadas en paralelo o derivacióncon las bobinas inducidas. En consecuen-cia, de toda la corriente I absorbida por elmotor, una parte (Ii) circula por las induci-das y la otra parte (Iex), por las inductoras.

+

–

A B

I

I

F

E

+

–

A B

I

I

F

E

+

–

A BI

I

C D

Ii

Iex

En el arranque, el par motor es menor queel del motor serie. Pero si la intensidad sereduce, el régimen de giro apenas varía(no se produce embalamiento).

Estos motores se utilizan preferentementeen las máquinas herramientas.

— El motor compound es una combinaciónde motor serie y motor shunt. Las bobinasinductoras quedan divididas en dos partesiguales. Una parte de ellas se conecta enserie con las inducidas y la otra parte, enparalelo. Así, una parte de la intensidad Iabsorbida por el motor se divide en dos:una parte, Ii, circula por las bobinas induci-das y la mitad de las inductoras y la otra,Iex, por el resto de bobinas inductoras.

Este motor se comporta con un par motoralgo mayor que el shunt, pero menor queel serie. Al disminuir la intensidad absorbi-da, el régimen de giro apenas varía y nohay peligro de que se embale al trabajar envacío.

Su uso está especialmente indicado en má-quinas herramientas y en vehículos de trac-ción eléctrica.

7. Para averiguar los parámetros del motor en elrégimen de funcionamiento dado, procedere-mos del modo siguiente:

— Trazamos una línea vertical sobre el valor60 A, de modo que corte las curvas delmotor serie.

— A partir de los puntos de corte con las res-pectivas curvas, trazamos líneas horizonta-les que nos permitan leer los valores corres-pondientes en los ejes verticales.

Siguiendo este procedimiento, se obtienen losresultados siguientes:

• Rendimiento: 85 %

• Régimen de giro: 600 rpm

• Par motor: 40 kgm

• Potencia absorbida: 31 kW

8. (Se trata de una experiencia de taller. No tie-ne, por tanto, respuesta escrita.)

9. En los motores de corriente alterna, el campomagnético que se genera en las bobinas induc-toras provoca la aparición de una corrienteeléctrica inducida en los conductores del indu-cido (por eso se llama así). En consecuencia,como ya disponemos de un campo magnético yde un conductor por el que circula una corrien-te eléctrica, se producirán las fuerzas electro-magnéticas capaces de hacer girar el motor.Por esta razón, no es necesario suministrarenergía eléctrica procedente de la fuente de ali-mentación a los conductores del inducido.

10. Datos: f 50 Hzp 4 (8 polos 4 pares)

Aplicamos directamente la expresión que dala velocidad de giro del campo magnético:

60 f 6 050n1 —— ⇒ n1 ——— 750 rpm

p 4

El rotor gira a 750 rpm.

11. Datos: f 50 Hzn2 950 rpmp 3 (6 polos 3 pares)

Calcularemos primero la velocidad de giro delcampo magnético, n1:

60 f 6 050n1 —— ⇒ n1 ——— 1 000 rpm

p 3

A partir de este dato, y conocido n2, podemoscalcular el deslizamiento absoluto D y el rela-tivo d.

D n1 n2 ⇒⇒ D 1 000 rpm 950 rpm 50 rpm

n1 n2d ———— 100 ⇒n1

50 rpm⇒ d ————— 100 5 %

1 000 rpm

El deslizamiento absoluto es de 50 rpm y elrelativo, del 5 %.

12. Los motores asíncronos monofásicos no seponen en funcionamiento por sí solos, sino

44

+

–

A BI

C D

E FI

Ii

Iex

45

que necesitan un elemento auxiliar para quecomiencen a girar. Este elemento auxiliar pue-de ser una bobina auxiliar o una espira en cor-tocircuito.

— Los motores que incorporan una bobinaauxiliar disponen en el estátor de una bo-bina inductora principal o de trabajo, co-nectado a la red y otra bobina auxiliar queva a permitir que el motor se ponga en fun-cionamiento al conectarlo.

Una vez que el motor ha arrancado y el ro-tor alcanza su velocidad nominal, el bobi-nado auxiliar se desconecta y el motor fun-ciona normalmente.

— Los motores que incorporan espiras encortocircuito disponen de un rotor en jau-

la de ardilla y un estátor con polos salien-tes, similar al que emplean los motores decorriente continua. Cada uno de los poloslleva la bobina inductora correspondien-te, más una espira en cortocircuito. Las corrientes inducidas que se generan en ellapermiten la puesta en marcha del motor.

13. (Se trata de una experiencia de taller. No tie-ne, por tanto, respuesta escrita.)

14. (Se trata de una experiencia de taller. La res-puesta dependerá del aparato electrodomésti-co seleccionado.)

15. (Se trata de una experiencia de taller. La res-puesta dependerá del juguete seleccionado ydel tipo de motor de éste.)

7. Transductores de posición y de proximidad

Actividades de aplicación (pág. 177)

1. La instrumentación es la técnica que se ocu-pa de medir, transmitir y regular las magnitu-des físicas y químicas de las que depende elrendimiento, la calidad y la seguridad de unainstalación.

Las magnitudes se clasifican por grupos enfunción de su importancia y de su abundancia.

— En el grupo I se encuadran las más impor-tantes y abundantes: la temperatura, lapresión, el nivel o el caudal.

— En el grupo II aparecen otras magnitudesbásicas, aunque menos frecuentes: la den-sidad, el peso o el pH.

— En el grupo III se integran las magnitudesde menor importancia: la humedad, la ve-locidad y otras.

2. Los instrumentos miniatura presentan ven-tajas frente a los convencionales. Entre otras,cabe destacar:

• Su menor tamaño permite ubicarlos en es-pacios reducidos.

• Su mayor flexibilidad posibilita su intercam-bio en procesos diferentes.

• Su mayor velocidad de respuesta reduce los

tiempos de control y permite obtener datosen tiempo real.

• Su coste reducido, gracias a la utilización decomponentes electrónicos, permite su ad-quisición y su incorporación a multitud deprocesos.

• La posibilidad de ser utilizados en combi-nación con los ordenadores permite su apli-cación en sistemas informáticos de control.

3. Un sistema de control está formado por di-ferentes elementos componentes: sensores,transmisores, comparadores, reguladores, ac-tuadores y visualizadores.

— Los sensores son los elementos del sis-tema de control encargados de medir elvalor de una magnitud.

— Los transmisores son los elementos que seencargan de transformar una señal en otra.

Sensores

Visualizadores

Actuadores

Reguladores

Comparadores

Transmisores

Con frecuencia, se suelen integrar estos doselementos (sensores y transmisores) en elgrupo de los transductores o captadores.

— Los comparadores son los elementos en-cargados de proporcionar una señal enfunción de la diferencia existente entre elvalor de salida y el valor esperado.

— Los reguladores son los dispositivos en-cargados de mejorar las respuestas delsistema.

— Los actuadores son los dispositivos encar-gados de actuar sobre el proceso una vezrecibida la orden del regulador.

— Los visualizadores son los dispositivosencargados de dar la expresión final de lamedida con la función deseada.

4. Un transductor es un elemento que transmi-te la señal de un sistema situado a su entradaa otro ubicado a su salida.

También puede definirse como un elementoque transforma una determinada magnitud deentrada (física, química, etc.) en otra de salidaque sea más fácilmente procesable.

Un captador es un transductor encargado deadaptar la señal de salida del sistema paravolver a utilizarla de nuevo.

En consecuencia, la única diferencia entre elloses su situación en el sistema.

Los pulsadores son dispositivos de acciona-miento manual capaces de emitir una señaleléctrica.

Los finales de carrera son mecanismos queemiten las señales mecánicas que capta elmicrorruptor.

(Los ejemplos del entorno pueden variar deunos alumnos a otros. No obstante, ofrecemosun modelo de respuesta.)

Uno de los sistemas de control que con másfrecuencia utilizamos es el ascensor. En él po-demos encontrar pulsadores, finales de carre-ra y microrruptores.

Cuando nos introducimos en un ascensor con-vencional, encontramos un panel con pulsa-dores, cada uno de los cuales permite que elascensor vaya a un nivel o piso diferente.

Cuando accionamos manualmente uno de lospulsadores, éste emite una señal eléctrica quees transmitida hasta el circuito de control, elcual activa el motor y el ascensor se pone enmarcha.

Cuando el ascensor llega hasta el nivel o pisoseleccionado, una pieza mecánica que se en-cuentra en el exterior de la caja actúa sobre elfinal de carrera que se encuentra en dicho ni-vel. La señal mecánica es captada por un mi-crorruptor que desconecta el motor y el as-censor se detiene.

6. Cuando se oprime el pulsador, se cierra tam-bién el circuito que alimenta el diodo LED yéste se ilumina. Al dejar de oprimir, se abre elcircuito y el LED se apaga.

El LED necesita resistencia de protección por-que la tensión de la señal que transmite el pul-sador suele ser muy superior que la que escapaz de soportar el LED. En consecuencia,hay que instalar la resistencia en serie con elLED de forma que absorba la mayor parte dela tensión que pasa por la línea.

7. La resistencia de protección y el LED estánconectados según el siguiente esquema:

46

24 V

I = 20 mA

2 V

Señal de mando

Transductor

Señal de referencia

Comparador

Señal de salida

Captador

Proceso

5. Los microrruptores son interruptores que obe-decen a una señal mecánica externa.

47

Si el LED sólo puede soportar 2 V, la diferen-cia de potencial entre los extremos de la resis-tencia será de 24 2 22 V.

Por otra parte, la intensidad que circula por am-bos componentes ha de ser la misma: 20 mA.

En estas condiciones, aplicamos la ley de Ohmy resulta:

VV I R ⇒ R —

I22 V

————— 1100 2 102 A

La resistencia tiene un valor de 1 100 .

8. Permeabilidad magnética es la facilidad queposeen ciertos cuerpos para dejarse atrave-sar por los campos magnéticos.

Como los detectores de proximidad inductivosusan el principio de la inducción electromag-nética, los materiales más fácilmente detecta-bles serán aquellos que resulten permeablesal flujo magnético. Éstos son precisamente losferromagnéticos.

9. Un sistema de control provisto de detector deproximidad inductivo está formado por varioselementos básicos: la fuente de alimentación,la bobina detectora, el oscilador, el rectifica-dor y el conmutador-disparador.

— Si el objeto se encuentra muy alejado de laplaca detectora, el oscilador da una señalalterna de salida muy alta y, en consecuen-cia, la salida continua del rectificador es lamáxima posible. En estas condiciones, unconmutador invierte la señal de modo queel disparador no se activa.

— A medida que el objeto se va acercando aldetector, la señal de salida del oscilador vadisminuyendo en amplitud pero no lo sufi-

ciente como para provocar una disminu-ción de la señal de salida del rectificador,por lo que el disparador sigue inactivo.

Si el objeto se sigue acercando, llega unmomento en que la señal del oscilador eslo suficientemente pequeña como para pro-vocar una disminución de la señal del recti-ficador, que se produce aproximadamentede forma lineal.

Cuando la señal del rectificador disminuyehasta el 50 % de la tensión de salida, se al-canza el nivel de operación: el conmutadorvaría la señal y el disparador se activa.

La señal de salida del disparador se man-tiene mientras el objeto se encuentra den-tro de la zona de detección.

— A medida que el objeto se aleja de la placa,se produce el efecto contrario: la señal desalida del oscilador comienza a aumentary, con ella, se incrementa también lineal-mente la señal del rectificador.

— En el momento que esta señal alcanza denuevo el 50 % de su valor nominal, el con-mutador invierte otra vez la señal y desac-tiva el disparador. Esto se produce cuandoel objeto sale de la zona de detección.

10. Un sistema de control provisto de detector deproximidad capacitivo está constituido por va-rios elementos básicos: la fuente de alimenta-ción, la placa sensora, el oscilador, el rectifi-cador y el disparador.

Como puede apreciarse, la estructura del de-tector capacitivo es idéntica a la del inductivo.El único elemento diferente es la placa sen-sora, que es metálica.

Oscilador Rectificador

Fuentede alimentación

Tensiónde alimentación

Conmutadordisparador

Placa

Bobina

Señal de salida Salida

Señalde entrada

Distanciade detección

Nivel de reposiciónNivel de operación

Una vez construido el transductor, entre la pla-ca sensora y tierra existe una capacidad pará-sita muy pequeña, a la que denominaremos C0.

Al aproximarse un objeto a la placa, la capaci-dad parásita total aumenta, con lo que la reac-tancia disminuye y la intensidad de la señalsuministrada por el oscilador se incrementaprogresivamente hasta que activa la respues-ta del disparador.

— Cuando no hay objeto detectable o está le-jano, el dieléctrico del condensador forma-do por la placa y tierra es el aire. En estascondiciones, la capacidad parásita C0 esmuy baja, la reactancia es alta y el oscila-dor no produce señal. El disparador estádesactivado.

— Cuando el objeto se aproxima, el dieléc-trico estará formado por el aire y el objeto.La capacidad aumenta progresivamente, la reactancia disminuye y el oscilador em-pieza a producir señal alterna. La señal delrectificador comienza a aumentar de formalineal.

— En el momento que la señal del rectificadoralcance el nivel de operación, el dispara-dor se activa.

— A medida que el objeto se aleja se produceel fenómeno contrario: la señal del oscila-dor disminuye de intensidad y, con ella, ladel rectificador.

— Cuando se alcanza el nivel de reposición,el conmutador invierte de nuevo la señal yel disparador se desactiva.

48

C0C1

Oscilador Rectificador Disparador

Salida

Fuentede alimentación

11. Si comparamos los ciclos de funcionamientode un detector de proximidad inductivo y deotro capacitivo, podemos confeccionar un cua-dro que recoja las analogías y las diferen-cias.

PlacaObjeto

Tensión

de alimentación

Distanciade detección

Nivel deoperación

Nivel dereposición

Detector inductivo Detector capacitivo

En ausencia de objetodetectable, el oscila-dor emite la señal má-xima y el rectificadortambién.

En ausencia de objetodetectable, ni el osci-lador ni el rectificadoremiten señal alguna.

Cuando un objeto seaproxima, aumenta laresistencia equivalentede la bobina y, en con-secuencia, disminuyela señal del oscilador.

La disminución de laseñal del oscilador pro-voca una disminuciónaproximadamente li-neal de la señal del rec-tificador.

Cuando un objeto seaproxima, aumenta lacapacidad parásita loque hace disminuir laresistencia de la placay aumenta la señal deloscilador.

El aumento de la señaldel oscilador provocaun aumento aproxima-damente lineal de laseñal del rectificador.

Cuando el objeto entraen la zona de detec-ción, se activa el dispa-rador.

La señal del rectifica-dor disminuye hastaanularse.

Cuando el objeto entraen la zona de detec-ción, se activa el dis-parador.

La señal del rectifica-dor aumenta hasta suvalor máximo.

Cuando el objeto salede la zona de detec-ción, se desactiva eldisparador.

La señal del rectifica-dor vuelve a aumentarde forma lineal a medi-da que lo hace la señaldel oscilador.

Cuando el objeto salede la zona de detec-ción, se desactiva eldisparador.

La señal del rectifica-dor vuelve a disminuirde forma lineal a medi-da que lo hace la señaldel oscilador.

Cuando el objeto seencuentra fuera de lazona de detección, ladisminución de la re-sistencia equivalentede la bobina hace quela señal del osciladorvuelva a ser máxima y,con ella, también esmáxima la señal delrectificador.

El disparador no actúa.

Cuando el objeto seencuentra fuera de lazona de detección, ladisminución de la ca-pacidad parásita au-menta la resistencia dela placa y hace que laseñal del oscilador de-saparezca y, con ella,la señal del rectificador.

El disparador no actúa.

49

12. Nivel de llenado de una botella: detector capa-citivo, porque los líquidos son, en general, die-léctricos y no modificarían el flujo magnéticode la bobina de un detector inductivo.

Tapón de corcho de una botella: si se tratarade un tapón metálico, podría utilizarse un de-tector inductivo. En cambio, como es de cor-cho (material dieléctrico), será necesario utili-zar un detector capacitivo.

Goma de borrar: detector capacitivo, ya quese trata de un material dieléctrico.

Tijeras: detector inductivo ya que se trata deun objeto de hierro o acero (material ferro-magnético) fácilmente detectable con este tipode transductores.

13. Distancia de detección nominal es la dis-tancia de detección previsible de un detectordeterminado, teniendo en cuenta las toleran-cias en el proceso de fabricación y para unascondiciones dadas de temperatura ambiente ytensión de alimentación.

Distancia de detección real es la distanciade detección, medida con el objeto patrón(pieza de hierro de forma cuadrada de 1 mmde espesor y de lado igual al diámetro míni-mo de la placa detectora), en la cual el de-tector actúa en condiciones nominales de tem-peratura y de tensión. Esta medida debe man-tenerse entre el 90 % y el 110 % de la distancianominal.

Distancia de detección útil es la distanciadesde la superficie sensora del detector deproximidad hasta el objeto patrón que permitela detección en cualquier circunstancia, inde-pendientemente de las variaciones en la tem-peratura o las fluctuaciones en la tensión dealimentación. Debe mantenerse entre el 90 %y el 110 % de la distancia real.

Distancia de detección diferencial es la dis-tancia entre la posición del objeto cuando seaproxima perpendicularmente al actuador yéste comienza a detectarlo, y la posición delobjeto cuando se aleja perpendicularmente aldetector y éste deja de detectarlo.

Si la distancia de detección nominal de un dis-positivo es de 150 mm, la distancia real debe

oscilar entre el 90 % y el 110 % de dicha me-dida:

90 % (150 mm) 135 mm

110 % (150 mm) 165 mm

El umbral de detección deberá situarse entre135 mm y 165 mm.

14. Aunque el disparador del sistema de controlesté desactivado, la pequeña señal de corrien-te que suministra el circuito de detección fluyea través de la carga. Esta corriente puede lle-gar a ser de varios mA y se detecta fácilmentemediante un electropolímetro.

15. La impedancia interna de un circuito es laresistencia equivalente global que presenta alpaso de una corriente eléctrica, como conse-cuencia de su propia estructura (resistencias,bobinas y condensadores).

El valor de la impedancia Z depende de la re-sistencia óhmica equivalente de todos los com-ponentes del circuito, R; del coeficiente de autoinducción de las bobinas, L; y de la capa-cidad equivalente de los condensadores quepueda contener, C. La impedancia se mide enohmios.

16. El problema fundamental radica en la excesivalongitud del cable de transmisión, que puedeprovocar pérdidas en la señal.

— Si el detector dispone de amplificador inter-no, puede ajustarse éste para compensarlas pérdidas, aunque no se recomienda so-brepasar los 200 m de longitud máxima.

— Si el detector no dispone de amplificador yéste va separado, la distancia ha de seraún menor.

+

–

Ir Carga

Interruptorelectrónico

Circuito dedetección

17.

— El transistor actúa como un interruptorelectrónico que cierra el circuito cuando laseñal del detector es suficientemente altacomo para polarizarlo.

— El diodo Zener impide el paso de corrienteen sentido inverso.

— La carga absorbe parte de la tensión y evi-ta que el sistema se cortocircuite cuando seconecta con la fuente de alimentación (con-figuración normalmente cerrada), o cuandose actúe el sistema (configuración normal-mente abierta).

18. Las diferencias fundamentales son dos:

— De una parte, la disposición de la carga yde los diodos de protección, que es dife-rente en uno y en otro.

— De otra parte, el funcionamiento: el tran-sistor NPN cierra el circuito cuando la se-ñal de detección es capaz de polarizarlo,mientras que el PNP lo abre en las mismascircunstancias.

19.

En los detectores de dos hilos alimentadoscon corriente alterna, la carga deberá conec-tarse en serie con la alimentación ya que, encaso contrario, si el detector no dispone deprotección contra cortocircuitos, podemos inu-tilizarlo de forma irreversible.

Interiormente el detector funciona con corrien-te continua, por lo que es necesario rectificarla alimentación de corriente alterna medianteel puente de diodos conectados a la entradadel detector.

En este caso, el SCR (rectificador controladode silicio) es el encargado de actuar comoconmutador, en sustitución de los transistoresque aparecían en los circuitos anteriores.

El SCR o rectificador controlado de silicioes un diodo en el que puede elegirse el mo-mento de la conducción mediante el terminalde puerta G.

Actividades de aplicación (pág. 205)

1. a) La medida de una distancia en m. Transduc-tor ultrasónico o potenciómetro.

b) El desplazamiento del plato de una balan-za electrónica. Transformador diferencial.

c) El espesor de un libro. Medidor láser.

d) Las dimensiones de un campo de fútbol.Radar o medidor láser.

2. Para medir la profundidad del agujero puedenutilizarse dos medidores láser como detecto-res de diferencia de nivel.

Para ello, hay que situar los dos láser en para-lelo: uno emite un haz de luz que incide sobrela superficie exterior de la tapa y el otro lo emi-te sobre el fondo del agujero.

Las salidas de ambos medidores se conectana un circuito de control y se ajusta la tensióninterna de éste (VOFFSET) de modo que seaigual a cero.

De este modo, la tensión de la señal de salida,V0, es proporcional a la profundidad del aguje-ro, p.

V0 k p

50

V

O

SCR

A K

G

A K

G

Circuitoprincipal

Carga

Diodo Zener

Diodo semiconductor

TransistorNPN

S1

S2

Carga

Circuitoprincipal

Fuente dealimentación

(c. a.)

Puente de diodos

8. Otros transductores. Actuadores

51

Para determinar el valor de la constante deproporcionalidad, K, hay que efectuar una me-dida previa con un agujero patrón de profundi-dad conocida, p. De este modo:

V0K ——p

Sustituyendo el valor de K en la expresión an-terior y despejando el valor de p, resulta:

V 0 pK —— p ⇒ p V0 ——

p V 0

3. La salida 0 de un encoder es un dispositivoque emite una señal de paso por origen cadavez que el eje en el que está situado el enco-der da una vuelta completa.

Contando el número de impulsos emitidos poresta salida 0 puede conocerse el número devueltas que da el eje.

Para facilitar el cómputo, es conveniente rese-tear el contador del encoder, es decir, poner elcontador a 0 cada vez que queramos medir el número de impulsos emitidos.

4. Diferencias anatómicas

• El disco de los encoders incrementales dis-pone de dos series de ranuras denomina-das canales.

El disco de los encoders absolutos no estáranurado, sino dividido en sectores pintadosde blanco o negro, respectivamente.

• En los encoders incrementales, los emiso-res y los receptores se sitúan a ambos la-dos del disco.

En los encoders absolutos, los emisores ylos receptores se sitúan en el mismo ladodel disco.

• Los encoders incrementales disponen dedos emisores y dos receptores.

Los encoders absolutos tienen cuatro emi-sores y cuatro receptores.

Diferencias funcionales

• En los encoders incrementales, los hacesde luz atraviesan el disco por los canalespracticados en él.

En los encoders absolutos, los haces de luzse reflejan en el disco.

• Los encoders incrementales determinan laposición del eje por el número de impulsosrecibidos durante el movimiento de giro.

Los encoders absolutos determinan la posi-ción del eje por la combinación de bits quecorresponde al sector en el que se refleja la luz.

• Los encoders incrementales no pueden de-terminar la posición del eje cuando está pa-rado, sino sólo el giro efectuado.

Los encoders absolutos pueden determinarla posición del eje cuando está parado.

5. Los dos canales de salida de un encoder incre-mental sólo se utilizan cuando se trata de en-coders bidireccionales. La diferencia de faseexistente entre ellos permite determinar el sen-tido de giro:

— Si la señal del canal A llega antes que ladel B, el encoder gira en un sentido.

— Si la señal del canal B llega antes que ladel A, el encoder gira en sentido contrario.

En el caso de encoders unidireccionales, sólose utiliza uno de los canales, el A, ya que só-lo necesitamos contar el número de impulsos.

6.

7. Un termopar está constituido por dos meta-les o aleaciones de diferente naturaleza, uni-

Ubicación de dos medidores láser en oposición

Interposición de un objeto patrón de espesor conocido

Activación del dispositivo

Cálculo de la constante de proporcionalidad K

Interposición del paquete de hojas de espesor calculable

Activación del dispositivo

Cálculo del espesor del paquete de hojas

Cuando la distancia entre la termorresistenciay el circuito de control es inferior a 5 m, las re-sistencias de los cables pueden considerarsedespreciables frente a RT, por lo cual:

R total RT

Sin embargo, cuando la distancia es superiora 5 m, es conveniente incorporar un tercer ter-minal D, ya que, en este caso, el valor óhmicode la resistencia de los cables puede inducirun error de medida. Para corregirlo, basta res-tar la resistencia medida entre D y D de la re-sistencia total, ya que RAB RCD .

En este caso:

R total RT RAB RCD (RCD RCD)

R total RT

10.

El sensor puede ser una fotocélula que emiteun haz de luz que se refleja sobre la superficiedel coche.

La señal recibida es enviada al comparador,que se encarga de compararla con un valor dereferencia estándar previamente determinado(el color del coche que se desea obtener). Si laseñal recibida está dentro de los límites de tolerancia, el comparador no interviene.

Si la señal recibida no corresponde con el colorpredeterminado, el comparador envía una se-ñal de alarma al regulador, que la amplifica yla ajusta a las necesidades del sistema.

La señal amplificada por el regulador es envia-da al actuador, que se encarga de interveniren el proceso. En este caso puede ser desde lasimple detención de la cadena de montaje has-

52

dos mediante soldadura en uno de sus ex-tremos.

Cada metal posee diferente potencial de oxida-ción, por lo que en la soldadura se genera unadiferencia de potencial (d.d.p.) del orden deunos pocos mV que varía con la temperatura.Esta variación pueden ser detectada y permitecontrolar los cambios térmicos que se produ-cen en el objeto.

8. Cuando se conecta directamente un termopara un dispositivo controlador de temperatura,siempre se induce un error de medida produ-cido por la temperatura a la que se encuentrael propio controlador, que suele ser la tempe-ratura ambiente.

Sin embargo, no es frecuente que el contro-lador se encuentre tan cerca del objeto cuyatemperatura se desea medir. Los más normales que el termopar se conecte al controladorpor medio de cables.

Si se emplean cables de cobre ordinarios, elerror de medida inducido es todavía mayor, yaque hay que descontar la temperatura que to-man los cables de cobre al estar en contactocon el termopar.

Por esta razón, se utilizan cables compensa-dos, es decir, cables fabricados con un materialde las mismas características que el termopar.Así, el único error inducido es el de la tempera-tura ambiente y el controlador puede situarse acierta distancia del objeto que se mide.

Este tipo de cables se utiliza siempre que elcontrolador de temperatura de un proceso seencuentra situado en un panel de control cen-tralizado, alejado del lugar donde se desarro-lla el proceso, por ejemplo, el control de latemperatura de la cuba de galvanizado en ca-liente de una planta de cincado.

9. Si la termorresistencia está conectada al cir-cuito de control por medio de un cable de doshilos, la resistencia total es igual a la suma delvalor óhmico de la termorresistencia, RT, másel de los cables de conexión, RAB y RCD.

Rtotal RT RAB RCD

B

D

t°

A

C

B

D

t° D’

A

C

Vehículo

Actuador

Sensor

Comparador

Regulador

Visualizador

53

ta la activación de un dispositivo complejo quesepare el coche incorrecto de la línea y lo reen-víe a la sección de pintura.

Si interesa visualizar el resultado, puede incor-porarse un visualizador que traduzca la señaldel sensor y la interprete en términos de coloro en cualquier otro código predeterminado.

Actividades de aplicación (pág. 231)

1. Distinguiremos entre variables internas del sis-tema y variables de entrada a éste.

Las variables internas pueden ser, a su vez,variables de estado y variables de salida.

• Las variables de estado son la carga Q dela bobina y el valor óhmico R de la resisten-cia, ya que se trata de valores anteriores alinicio del funcionamiento del sistema.

• Las variables de salida son la tensión apli-cada a la bobina, VL, la tensión aplicada a laresistencia, VR, y la intensidad I de la co-rriente que circula por el circuito, ya que setrata de variables que pueden ser medidas.

Las variables de entrada pueden ser, a suvez, variables de control y perturbaciones.

• La variable de control, en este caso, es latensión V aplicada, que no depende de lasvariables internas del sistema y que puedeser modificada a voluntad.

• Las perturbaciones serán cualquier varia-ción imprevista de la tensión o modificacio-nes en la temperatura, que pueden provocarcambios de comportamiento del sistema.

2. Como puede apreciarse, se trata de un siste-ma de control con realimentación positiva, yaque la señal realimentada, u1, se suma a laseñal de entrada, u, para dar la señal . Eneste sistema, G es la función de transferenciasin realimentación y H es la función de transfe-rencia de lazo de realimentación positivo.

La señal inicial de salida no realimentada, y,depende de la de entrada, u, según la funciónde transferencia G:

y G u

Si muestreamos la salida del sistema, la señalde salida del bloque muestra, u1, dependeráde y, según la función de transferencia H:

u1 H y

Al sumar la señal realimentada, u1, a la señalinicial, u, se obtendrá una nueva señal, :

u u1 u H y

En consecuencia, la señal de salida del siste-ma dependerá ahora de la nueva señal, , se-gún la función de transferencia G:

y G G (u H y) G u G H y

A partir de la expresión anterior, podemos ob-y

tener el cociente — en función de G y H, tal yu

como habíamos previsto en un principio:

y G H y G u

y (1 G H) G u

y G— ————u 1 G H

3. El regulador es el elemento que nos permitemodificar o ajustar los parámetros del sistemade control, una vez conocidos el proceso y losdemás elementos. Mediante este dispositivopuede obtenerse la función de transferenciaadecuada a cada necesidad.

Los reguladores permiten mejorar las respues-tas del sistema, tanto en el régimen transitorio(período que abarca desde el momento en quese da la orden de referencia hasta que el siste-ma responde y alcanza la respuesta deseada)como en el permanente (período en el que elsistema debe mantener la respuesta alcanza-da y solucionar los problemas de perturbacio-nes o de otro tipo que puedan presentarse).

11. El actuador más adecuado para abrir unapuerta un ángulo de 75° es un motor paso apaso conectado con un encoder provisto decontador.

El encoder cuenta el número de impulsos ne-cesarios para girar la puerta y envía estos im-pulsos al motor paso a paso para que la abra.

9. Estructura de un sistema automático

4. El regulador proporcional permite una ac-ción de control de modo que la variable de salida es proporcional a la desviación del sis-tema con respecto al punto de referencia, den-tro de la banda proporcional, que viene deter-minada por dos valores, por encima y pordebajo del punto de referencia, entre los cua-les puede moverse la variable que estamoscontrolando.

Tan pronto como el valor de la magnitud seencuentra dentro de la banda proporcional, lasalida disminuye de forma progresiva y pro-porcional a la desviación: cuando se alcanzael punto de referencia, la salida se reduce al50 % y sigue disminuyendo hasta que se al-cance el límite superior de la banda proporcio-nal. En ese momento, la potencia debe ser 0.

Las ventajas de esta reducción de la señal desalida son dos:

— Por una parte, se disminuye progresiva-mente la oscilación de la variable en tornoal valor de referencia y se consigue minimi-zar el OFFSET.

— Por otra, la reducción progresiva de poten-cia aportada a medida que el valor de lavariable se aproxima al de referencia supo-ne un importante ahorro energético.

5. En un regulador proporcional P, la disminuciónde la ganancia supone que el sistema reaccio-na más lentamente y la variable tarda mástiempo en alcanzar el valor de referencia. Eneste sentido decimos que empeora el régimentransitorio.

Pero, por otra parte, la propia lentitud de res-puesta del sistema determina que su inercia

sea menor y, en consecuencia, la señal oscilamenos en torno al valor de referencia y se es-tabiliza antes. En este sentido decimos que semejora el régimen permanente.

6. La banda proporcional es el rango de valo-res que puede adoptar la variable, y cuyos lí-mites se encuentran por encima y por debajodel valor de referencia. Sus límites determinanel aporte de potencia.

La banda proporcional de un regulador P debeser relativamente estrecha, aunque no dema-siado.

— Si la banda es muy ancha, el aporte de po-tencia comenzará a disminuir mucho antesde que la variable se aproxime al valor dereferencia. En consecuencia, se corre elriesgo de que no llegue a alcanzarlo nuncay el OFFSET sea mayor del previsto.

— Si la banda es demasiado estrecha, la se-ñal oscilará mucho en torno al valor de re-ferencia y el sistema puede llegar a no es-tabilizarse nunca.

7. Se denomina OFFSET a la diferencia entre elvalor de referencia marcado por el sistema decontrol y el valor real que alcanza la variableuna vez estabilizado el sistema.

8. Los reguladores derivativos PD ajustan laseñal de salida de forma proporcional a la ve-locidad de los cambios de la magnitud que secontrola. Por este motivo, actúa en el régimentransitorio y sólo lo hace en el régimen perma-nente cuando se produce una oscilación brus-ca de la señal.

En efecto, en el régimen transitorio, el valorde la magnitud controlada varía de forma cons-tante y progresiva. Puesto que la velocidad sedefine como la derivada del valor en funcióndel tiempo, el regulador PD interviene y mejorala respuesta del sistema.

En cambio, en el régimen permanente, unavez el sistema se ha estabilizado, la velocidadde cambio es prácticamente nula y el regula-dor PD no actúa. Pero si se produce una per-turbación y el valor de la magnitud cambiabruscamente (velocidad de cambio no nula),el regulador responderá y tratará de estabili-zar de nuevo el sistema.

54

100

50

0

t

t

Magnitud

BandaproporcionalPunto de

referencia

Salida %

55

9. Los reguladores PD pueden eliminar el OFF-SET cuando la perturbación que se produceen el sistema es puntual. Sin embargo, noconsiguen eliminarlo si se trata de una pertur-bación permanente.

La razón es simple: como el regulador deri-vativo sólo actúa en caso de cambios en el valor de la magnitud, un cambio puntual se in-terpreta como una variación de velocidad ypermite actuar al regulador, pero un cambiopermanente puede llegar a interpretarse entérminos de valor estabilizado y el reguladorno actúa.

10. Como consecuencia de lo indicado en la acti-vidad anterior, la única forma de conseguir que la magnitud se sitúe de nuevo en el valorde referencia, en caso de OFFSET no corregi-do, es la función manual de reinicio (reset) queposeen algunos reguladores PD. Al activarla,el regulador interpreta que ha de comenzar denuevo el proceso de aproximación del valor de la magnitud al de referencia, independiente-mente de su situación concreta. De este mo-do, se corrige manualmente tanto el OFFSET,que se produce como consecuencia del funcio-namiento normal, como el provocado por unaperturbación.

11. Los reguladores PI incorporan una acción in-tegral que permite mejorar exclusivamente elrégimen permanente. De este modo, se corri-ge automáticamente el OFFSET y se ajusta elvalor de la variable al punto de referencia.

12. El regulador PID combina simultáneamentela acción proporcional, la derivativa y la inte-gral. Por este motivo, puede efectuar un con-trol óptimo de cualquier proceso.

— La acción proporcional (P) permite reali-zar el control reduciendo las oscilacionesdel régimen transitorio.

— La acción derivativa (D) actúa rápidamen-te para corregir los cambios que se produ-cen en la magnitud controlada durante elrégimen permanente como consecuenciade una perturbación externa.

— La acción integral (I) corrige automática-mente el OFFSET y ajusta el valor de la va-riable al punto de referencia.

La utilización de reguladores PID supone al-gunas ventajas sobre los P, PD o PI.

— Los reguladores P son capaces de mejo-rar el régimen transitorio, pero a costa deempeorar el régimen permanente.

— Los reguladores PD mejoran aún más elrégimen transitorio y corrigen algunas per-turbaciones puntuales en el régimen perma-nente, pero no pueden ajustar el valor de lavariable al de referencia.

— Los reguladores PI mejoran el régimenpermanente, pero, no actúan sobre el tran-sitorio.

— Sólo los reguladores PID, al incorporar to-das las funciones de los anteriores, son ca-paces de garantizar la regulación del siste-ma de control tanto en el régimen transitoriocomo en el permanente y corregir automá-ticamente las desviaciones provocadas porperturbaciones, tanto puntuales como per-manentes.

13. El control todo/nada activa y desactiva rápi-damente el sistema controlado cuando éstese aleja o alcanza, respectivamente, el puntode referencia.

En consecuencia, la señal oscilará de formapermanente: cuando se activa el sistema, laseñal aumenta de valor, y cuando se desacti-va, la señal disminuye.

14. Si utilizamos un control todo/nada, la variableoscilará en torno al punto de referencia. Por lotanto, para garantizar que el material se man-tenga en un valor determinado, el punto de refe-rencia deberá situarse por encima de este valor,lo que supone un mayor consumo energético.

t

t

Magnitud

Potencia

Por el contrario, el uso de un regulador PIDpermitirá situar el punto de referencia en el va-lor que se desea alcanzar, ya que este dispo-sitivo es capaz de ajustar automáticamente elOFFSET y situar la señal prácticamente sobreel valor de referencia.

15. Muchos de los controladores comerciales incor-poran un relé a su salida para que éste actúe di-rectamente sobre el proceso. La acción del relépuede ser directa o a través de algún elementointerpuesto. En este caso, lo más habitual esque el relé abra o cierre un circuito eléctrico.

16. Cuando se controlan cargas inductivas, talescomo motores, los contactos de relé internosestán sometidos a picos de corriente relativa-mente de larga duración que provocan deposi-ción de metal en los contactos.

Por ello, es recomendable la utilización de uncircuito de protección de relé interno quepermita suprimir el ruido eléctrico y evitar la de-posición de carbonilla en sus contactos. Los cir-cuitos de protección más comunes son por re-sistencia/condensador, por diodo y por varistor.

El funcionamiento de un circuito que disponede un relé protegido por resistencia/conden-sador se muestra en la figura siguiente:

— Cuando el contacto del relé interno estácerrado, la carga inductiva de la bobinaalmacena una cierta cantidad de energíaeléctrica.

— Cuando el contacto se abre, la energía al-macenada en la bobina se descarga por elcondensador C, con lo que se evita queafecte al contacto del relé.

— La resistencia R limita la corriente aplicadacuando se cierra nuevamente el contacto.

Este circuito es efectivo si se conecta a travésde la carga cuando la alimentación es de 24 a 48 V. Cuando la alimentación es de 100 a240 V, es conveniente conectar el circuito a tra-vés de los contactos.

56

t

t

100 %

50 %

0

Temperatura

Potencia

Control todo/nada

Control todo/nada

Control proporcional

Control proporcional

Si utilizamos un control todo/nada, durantela fase de arranque, y hasta que el material al-cance el valor de referencia, el aporte de po-tencia será del cien por cien.

En cambio, la utilización de un regulador pro-porcional reduce progresivamente el aportede potencia una vez que la señal ha alcanza-do el nivel inferior de la banda proporcional.

t

>200°C

200°C

R

C

C R

Temperatura

Control todo/nada

Control proporcional

Alimentación Carga

Alimentación Carga

57

El circuito de protección por diodo consiste enconectar un diodo en paralelo con la bobina,tal y como se indica en la figura siguiente:

Su funcionamiento es el siguiente:

— Cuando el contacto del relé interno está cerrado, la carga inductiva de la bobina al-macena una cierta cantidad de energíaeléctrica.

— Cuando el contacto se abre, la energía al-macenada en la bobina se descarga por eldiodo conectado en derivación, y es disipa-da por efecto Joule en la resistencia de lacarga inductiva.

Los varistores son resistencias dependientesde la tensión (VDR), es decir, elementos cuyovalor óhmico aumenta conforme se incremen-ta la tensión que se les aplica. De este modo,la señal de salida puede ser constante aunquevaríe la tensión.

Este circuito previene la aplicación de picos detensión a los contactos, utilizando la caracte-rística de tensión constante de un varistor.

Este sistema de protección aumenta tambiénel tiempo de reposición y es efectivo si se co-necta a través de la carga cuando la alimenta-ción es de 24 a 48 V. Cuando la alimentaciónes de 100 a 240 V, es conveniente conectar laVDR a través de los contactos.

17. Se trata de un circuito de protección de un relépor resistencia/condensador. Para que funcio-ne correctamente es necesario incorporar unaresistencia óhmica R conectada en serie conel condensador, que absorba parte de la ten-sión y proteja el condensador de sobrecargas.

Sin resistencia de protección, el condensadorpuede perforarse y dejar de funcionar.

18. De acuerdo con lo descrito en el ejemplo 4, elsistema de control consiste en disponer dosdetectores de nivel por encima y por debajodel nivel de referencia, h0:

Si utilizamos un control todo/nada, el siste-ma funcionará del modo siguiente:

— La válvula de entrada X4 aporta agua conun caudal fijo. El nivel del depósito comien-za a ascender.

— Cuando el nivel alcanza la cota del detec-tor superior, éste envía una señal al siste-ma de control, el cual cierra la válvula deentrada X4 y abre la de salida, X3, que pro-voca el vaciado del depósito con un caudaltambién constante. El nivel del depósitocomienza a descender.

— Cuando, en su descenso, el nivel alcanzala cota del detector inferior, la señal queemite éste es captada por el sistema decontrol, el cual invierte el proceso: cierra laválvula de salida, X3, y abre de nuevo la deentrada, X4. El nivel del depósito vuelve aascender de nuevo.

Este proceso se repetirá indefinidamente, demodo que el nivel de agua nunca llegará a esta-bilizarse y oscilará constantemente entre las co-tas del detector superior y del detector inferior.

Si se produce una perturbación, el sistema nomodificará su comportamiento y la variableseguirá oscilando indefinidamente.

D

x4

x3

q2

q4

q1 h0

q2

x4

x3

q2

q4

q1 h0

q2

VDR

VDR

Alimentación Carga

Alimentación Carga

AlimentaciónCarga

Si incorporamos un regulador PID al circuitode control, hará falta incorporar un tercer de-tector de nivel, que se situará justo en la alturade referencia h0. En este caso, el sistema fun-cionará del modo siguiente:

— Durante el régimen transitorio (es decir,mientras se produce el llenado inicial del depósito), el regulador activará al máximo elfuncionamiento de la válvula de entrada, X4.

— Cuando el nivel alcance la cota del detec-tor inferior (margen inferior de la bandaproporcional), el regulador reducirá progre-sivamente el aporte de agua de la válvulade entrada, X4.

— Cuando se alcanza el nivel de referencia,el regulador reduce aún más el aporte dela válvula X4 y abre un poco la válvula X3,

de modo que la salida contrarreste el apor-te de agua.

— Si se llega a alcanzar la cota del detectorsuperior, el regulador cierra totalmente laválvula X4 y abre más la válvula X3, paraque se provoque el descenso del nivel deldepósito.

En estas condiciones, el nivel oscilará hastaque se equilibre el aporte de la válvula X4 y laextracción de la válvula X3, momento en elque se alcanzará el régimen permanente.

Si se produce una perturbación, el reguladorreaccionará abriendo o cerrando las válvulasde modo que se corrija automáticamente lacausa que produce el desequilibrio y se resta-blezca el régimen permanente.

58

10. Circuitos neumáticos

Mando básico de cilindros (pág. 253)

1. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto y una válvula 4/2 conmando por pulsador y retorno por resorte.

— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantieneel émbolo en la posición máxima de retro-ceso.

— Cuando se oprime el pulsador, la válvula5/2 cambia su posición de trabajo: el airepenetra en la cámara posterior del cilindroy se produce la carrera de avance.

— Al dejar de oprimir el pulsador, el muelle deretorno hace que la válvula 5/2 vuelva acambiar su posición de trabajo: el aire pe-netra en la cámara anterior del cilindro y seproduce la carrera de retroceso.

2. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto y una válvula 5/2 conmando por pulsador y retorno por resorte.

— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantieneel émbolo en la posición máxima de retro-ceso.

— Cuando se oprime el pulsador, la válvula4/2 cambia su posición de trabajo: el airepenetra en la cámara posterior del cilindroy se produce la carrera de avance.

— Al dejar de oprimir el pulsador, el muelle deretorno hace que la válvula 4/2 vuelva acambiar su posición de trabajo: el aire pe-netra en la cámara anterior del cilindro y seproduce la carrera de retroceso.

4 2

3 1

4 2

31

5

59

3. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto y una electroválvula conretorno por resorte y mando conectado a red.

— En posición de reposo, la entrada de aire ala cámara anterior del cilindro mantiene elémbolo en la posición máxima de retroceso.

— Cuando se oprime el pulsador eléctrico, laelectroválvula cambia su posición de traba-jo: el aire penetra en la cámara posterior delcilindro y se produce la carrera de avance.

— Al dejar de oprimir el pulsador eléctrico, elmuelle de retorno hace que la electrovál-vula vuelva a cambiar su posición de traba-jo: el aire penetra en la cámara anterior delcilindro y se produce la carrera de retroceso.

4. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una válvula 5/2 conmando neumático y retorno por resorte, y unamicroválvula 3/2 con mando por pulsador y re-torno por resorte.

— En posición de reposo, la microválvula 3/2impide el paso de aire al órgano de mandoneumático de la válvula 5/2. La posición detrabajo de ésta permite la entrada de aire ala cámara anterior del cilindro y el émbolose encuentra en la posición máxima de re-troceso.

— Cuando se oprime el pulsador de la micro-válvula 3/2, ésta cambia su posición de tra-

— En posición de reposo, la entrada de aire a la cámara anterior del cilindro mantiene elémbolo en la posición máxima de retroceso.

— Cuando se oprime el pulsador de la micro-válvula 3/2 de mando, ésta cambia su posi-ción de trabajo y permite el paso de airehasta el órgano de mando de la válvula 5/2.

El aire que llega a ésta, la obliga a cambiarsu posición de trabajo: el aire penetra en lacámara posterior del cilindro y se producela carrera de avance.

Cuando dejamos de oprimir el pulsador de lamicroválvula 3/2 de mando, su muelle de re-torno hace que vuelva a cambiar su posiciónde trabajo, de modo que el aire ya no llega alórgano de mando de la válvula 5/2. Sin em-bargo, no hay cambio en la posición de tra-bajo de la válvula 5/2.

bajo y permite el paso de aire hasta el ór-gano de mando de la válvula 5/2.

El aire que llega a ésta, la obliga a cambiarsu posición de trabajo: el aire penetra en lacámara posterior del cilindro y se producela carrera de avance.

— Cuando dejamos de oprimir el pulsador de la microválvula 3/2, su muelle de retor-no hace que vuelva a cambiar su posiciónde trabajo: el aire ya no llega al órgano demando de la válvula 5/2.

Como consecuencia, el muelle de retornode la válvula 5/2 hace que ésta vuelva avariar su posición de trabajo: el aire pene-tra en la cámara anterior del cilindro y seproduce la carrera de retroceso.

5. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una válvula 5/2 conmando y retorno neumáticos, y dos microvál-vulas 3/2 con mando por pulsador y retornopor resorte.

4 2

315

4

2

3 1

2

135

4 2

315

2

3 1

— Cuando se oprime el pulsador de la micro-válvula 3/2 de retorno, ésta cambia su posi-ción de trabajo y permite el paso de airehasta el órgano de retorno de la válvula 5/2.

El aire que llega a ésta, la obliga a cambiarde nuevo su posición de trabajo: el aire pe-netra ahora en la cámara anterior del cilin-dro y se produce la carrera de retroceso.

Cuando dejamos de oprimir el pulsador de lamicroválvula 3/2 de retorno, el muelle de re-torno de ésta hace que vuelva a cambiar suposición de trabajo. El aire no llega al órga-no de retorno, pero no se produce la carrerade avance sino que se vuelve a la situacióninicial.

Mando desde diferentes puntos (pág. 254)

6. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto y una electroválvula 4/2con mando y retorno eléctricos.

Cuando dejamos de oprimir este pulsador,no se aprecia cambio en la posición de tra-bajo de la válvula y regresa a la situacióninicial.

7. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de simple efecto, cuatro válvulas 3/2 NCcon mando mecánico y retorno por resorte, ytres válvulas selectoras de circuito.

— En posición de reposo, la entrada de aire alcilindro está bloqueada por las cuatro vál-vulas, por lo que el muelle de retorno delcilindro mantiene el émbolo en la posiciónmáxima de retroceso.

— Cuando se oprime el pulsador de la válvu-la 1, ésta cambia su posición de trabajo y permite el paso del aire. Al llegar éste a la primera válvula selectora, desplaza elpistón para que bloquee el circuito de laválvula 2 y prosigue su camino. En la si-guiente válvula selectora, desplaza el pis-tón de ésta para bloquear los circuitos delas válvulas 3 y 4 y llega al cilindro. El airepenetra en la cámara posterior y se produ-ce la carrera de avance.

Al dejar de oprimir el pulsador de la válvula1, su muelle de retorno hace que ésta vuel-va a cambiar su posición de trabajo y per-mita la salida del aire. El muelle de retornodel cilindro obliga al aire a salir por el mis-mo camino por el que entró (las válvulasselectoras permanecen en la misma posi-ción en que se quedaron cuando entró elaire) y se produce la carrera de retroceso.

— Si oprimimos el pulsador de la válvula 2, serepite el proceso anterior, sólo que estavez, el pistón de la primera válvula selec-tora cambiará su posición para bloquear el circuito de la válvula 1. Se produce la carrera de avance.

Al dejar de oprimir el pulsador de la válvula2, se repite también el proceso anterior,

60

1 2

— En posición de reposo, la entrada de aire ala cámara anterior del cilindro mantiene elémbolo en la posición máxima de retroceso.

— Cuando se oprime el pulsador eléctrico 1,que activa el mando de la electroválvula,ésta cambia su posición de trabajo: el airepenetra en la cámara posterior del cilindroy se produce la carrera de avance.

Al dejar de oprimir este pulsador, no seaprecia cambio en la posición de trabajo dela válvula.

— Cuando se oprime el pulsador eléctrico 2,que activa el retorno de la electroválvu-la, ésta cambia de nuevo su posición detrabajo: el aire penetra en la cámara ante-rior del cilindro y se produce la carrera deretroceso.

1 2 3 4

61

sólo que esta vez el aire saldrá por la vál-vula 2. Se produce la carrera de retroceso.

— Si accionamos el pedal de la válvula 3, seproduce un proceso similar: el aire que en-tra desplaza primero el pistón de la primeraválvula selectora para que bloquee el cir-cuito de la válvula 4, y después, el de la si-guiente, de modo que bloquee los circuitosde las válvulas 1 y 2. De nuevo se producela carrera de avance.

En el momento en que dejamos de actuarsobre el pedal, se produce la carrera de re-troceso siguiendo un proceso similar a losdescritos.

— Si actuamos sobre la roldana de la válvula4, el avance y el retroceso seguirán el mis-mo procedimiento descrito. El aire despla-zará los pistones de las válvulas selectoraspara bloquear los restantes circuitos.

Regulación de la velocidad (pág. 255)

8. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando por pulsador y retorno por resorte, ydos válvulas reguladoras de caudal.

La velocidad de esta carrera se limita pormedio de una válvula reguladora de cau-dal, ya que el antirretorno obliga al aire deentrada a circular por la vía en la que seencuentra el tornillo de regulación.

El aire contenido en la cámara anterior salelibremente a través del antirretorno de laotra válvula selectora.

— Cuando dejamos de oprimir el pulsador, elmuelle de retorno cambia de nuevo la posi-ción de trabajo de la válvula y el aire pene-tra otra vez en la cámara anterior provo-cando la carrera de retroceso.

La velocidad de esta carrera también se li-mita por medio de otra válvula reguladorade caudal, que funciona de modo idénticoa la anterior.

El aire contenido en la cámara anterior saleahora libremente a través del antirretorno dela primera válvula selectora.

9. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una electroválvula 5/2con mando conectado a red y retorno por re-sorte, y una válvula reguladora de caudal.

— En posición de reposo, la válvula 4/2 per-mite la entrada de aire a la cámara anteriordel cilindro y el émbolo se mantiene en laposición máxima de retroceso.

— Al oprimir el pulsador, la válvula 4/2 cam-bia su posición de trabajo y permite el pasodel aire, que circula libremente hacia la cá-mara posterior provocando la carrera deavance.

— En posición de reposo, la válvula 4/2 per-mite la entrada de aire a la cámara anteriordel cilindro y el émbolo se mantiene en laposición máxima de retroceso.

— Al oprimir el pulsador eléctrico, la electro-válvula cambia su posición de trabajo: elaire penetra en la cámara posterior del ci-lindro y se produce la carrera de avance.

Aunque la entrada de aire se lleva a cabolibremente, la velocidad de la carrera deavance viene limitada por la válvula regula-dora de caudal, ya que el antirretorno obli-ga al aire que sale a circular por la vía en laque se encuentra el tornillo de regulación.

4 2

3 1

4 2

315

— Cuando dejamos de oprimir el pulsadoreléctrico, el muelle de retorno de la electro-válvula cambia de nuevo la posición de tra-bajo de ésta y el aire penetra en la cámaraanterior provocando la carrera de retroceso.

La velocidad de esta carrera no está limita-da, pues el aire de entrada puede fluir libre-mente a través del antirretorno de la válvulareguladora de caudal y el de salida no en-cuentra ningún obstáculo.

10. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una válvula 5/2 conmando por pulsador y retorno por resorte, yuna válvula de escape rápido.

— En posición de reposo, la válvula 5/2 per-mite la entrada de aire a la cámara anteriordel cilindro y el émbolo se mantiene en laposición máxima de retroceso.

— Al oprimir el pulsador, la válvula 5/2 cam-bia su posición de trabajo: el aire penetraen la cámara posterior del cilindro y se ori-gina la carrera de avance.

El aire procedente de la cámara anteriordesplaza la membrana de la válvula de es-cape rápido y sale directamente a la atmós-fera sin pasar por la válvula 5/2. De estemodo se consigue aumentar la velocidadde desplazamiento del vástago en la carre-ra de avance.

— Cuando dejamos de oprimir el pulsador, elmuelle de retorno de la válvula 5/2 cambiade nuevo la posición de trabajo de ésta y elaire penetra en la cámara anterior a travésde la válvula de escape rápido, provocandola carrera de retroceso.

El aire procedente de la cámara posteriorescapa hacia el circuito a través de la vál-vula 5/2.

Control de la fuerza del vástago (pág. 256)

11. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando y retorno neumáticos, una microválvu-la 3/2 con mando por pulsador y retorno porresorte, otra microválvula 3/2 con mando neu-mático y retorno por resorte, y una válvula re-guladora de presión.

— En posición de reposo, la válvula 4/2 per-mite la entrada de aire a la cámara anteriordel cilindro y el émbolo se mantiene en laposición máxima de retroceso.

— Cuando se oprime el pulsador de la micro-válvula 3/2 de mando, ésta cambia su posi-ción de trabajo y permite el paso de airehasta el órgano de mando de la válvula 4/2.

El aire que llega a ésta, la obliga a cambiarsu posición de trabajo: el aire penetra en lacámara posterior del cilindro y se producela carrera de avance. Sin embargo, la pre-sión que ejercerá el aire sobre el émbolodependerá de la presión a la que se hayacalibrado la válvula reguladora: cuanto ma-yor sea la presión umbral, menor será lafuerza ejercida por el vástago.

Al dejar de oprimir el pulsador de la micro-válvula 3/2 de mando, su muelle de retornohace que vuelva a cambiar su posición detrabajo, de modo que el aire ya no llega alórgano de mando de la válvula 4/2. Sin em-bargo, no hay cambio en la posición de tra-bajo de esta válvula.

— Cuando el émbolo llega al extremo de sucarrera, la válvula reguladora de presiónenvía una señal neumática al órgano demando de la otra microválvula 3/2, obligán-

62

4 2

315

4 2

3 1

63

dola a cambiar su posición de trabajo ypermitiendo el paso de aire hasta el órganode retorno de la válvula 4/2. Ésta vuelve acambiar su posición de trabajo y permiteque el aire penetre en la cámara anteriordel cilindro, provocando la carrera de retro-ceso.

Una vez cesa la señal neumática, el muellede retorno obliga a esta segunda micro-válvula a cambiar de nuevo su posición detrabajo y el sistema retorna a la posicióninicial.

Control de la carrera (pág. 257)

12. El circuito neumático está formado por un ci-lindro de doble efecto, una electroválvula 4/2,dos microrruptores eléctricos que actúan de fi-nales de carrera y una electroválvula 2/2 conretorno por resorte.

— En posición de reposo, la electroválvula 4/2permite la entrada de aire a la cámara an-terior del cilindro y el émbolo se mantieneen la posición máxima de retroceso.

— Cuando se cierra el circuito, la microválvula2/2 de mando cambia su posición de traba-jo y permite el paso de aire. Al mismo tiem-po, la electroválvula 4/2 también cambia suposición de trabajo y envía el aire hasta lacámara posterior del cilindro, provocandola carrera de avance.

— El avance continúa hasta que se activa elmicrorruptor de final de carrera de avance.La señal eléctrica activa el retorno de laelectroválvula 4/2, que cambia su posiciónde trabajo y envía el aire hasta la cámaraposterior del cilindro, provocando la carrerade retroceso.

— El retroceso continúa hasta que se activael microrruptor de final de carrera de retro-ceso, momento en el cual la señal eléctricainvierte de nuevo el proceso y se vuelve aproducir la carrera de avance.

— Los sucesivos avances y retrocesos del vás-tago continúan ininterrumpidamente mien-tras se mantenga cerrado el circuito.

— Cuando se abre, el muelle de retorno de laelectroválvula 2/2 cambia la posición de tra-bajo de ésta, de modo que se impida lafluencia del aire hasta el circuito. En esemomento, el cilindro detiene su movimiento.

Actividades de aplicación(pág. 261)

13. Los parámetros que caracterizan un cilindroneumático son: la fuerza ejercida por el vásta-go, la carrera o recorrido, el consumo de aire,la velocidad de accionamiento y la amortigua-ción.

La fuerza ejercida por el vástago dependede que el cilindro sea de simple efecto o dedoble efecto.

— En los cilindros de simple efecto sólo seefectúa trabajo útil durante la carrera deavance. La fuerza efectiva, Fe, viene dadapor la expresión:

D 2Fe P ——— E4

donde es el rendimiento del cilindro; P, lapresión del aire (en Pa); D, el diámetro delémbolo (en m); y E, la resistencia que opo-ne el resorte al desplazamiento del émbolo(en N).

— En los cilindros de doble efecto se lleva acabo trabajo útil tanto en la carrera deavance como en la de retroceso. La fuerzaefectiva de avance, Fea, viene dada por laexpresión:

D 2Fea P ———

4

donde es el rendimiento del cilindro; P, lapresión del aire (en Pa); y D, el diámetrodel émbolo (en m).

Para calcular la fuerza efectiva de retroce-so, Fer, hay que deducir la superficie que

ocupa el vástago de la superficie total delémbolo. Por tanto:

(D 2 d 2)Fer P ——————

4

donde es el rendimiento del cilindro; P, lapresión del aire (en Pa); D, el diámetro delémbolo (en m); y d, el del vástago (tambiénen m).

La carrera o recorrido del émbolo es la dis-tancia que se desplaza éste por el interior delcilindro por la acción del aire comprimido. Ge-neralmente coincide con el desplazamiento delvástago.

El consumo de aire es el volumen de airecomprimido que absorbe el cilindro en su mo-vimiento. Como en el caso de la fuerza ejerci-da por el vástago, este consumo depende deque el cilindro sea de simple efecto o de dobleefecto.

— En el caso de un cilindro de simple efecto, elmovimiento se limita a la carrera de avance.El volumen V de aire viene dado por la ex-presión:

D 2V S e ——— e

4

donde D es el diámetro del émbolo (en m)y e, su recorrido (también en m).

— En el caso de un cilindro de doble efecto,hemos de considerar la carrera de avancey la de retroceso. Por tanto, el volumen to-tal será la suma de los volúmenes emplea-dos en cada uno de los movimientos.

D 2En el avance: Va ——— e

4

(D 2 d 2)En el retroceso: Va —————— e

4

El volumen total de aire empleado será:

D 2 (D 2 d 2)VT Va Vr ——— e —————— e

4 4

(2 D2 d 2)VT —————— e

4

donde D es el diámetro del émbolo (en m);d, el del vástago (en m) y e, el recorrido(también en m).

La velocidad de accionamiento es la veloci-dad de desplazamiento del émbolo en el inte-rior del cilindro. Esta velocidad depende demuchos factores, entre los que podemos citarla presión P del aire, el diámetro D del émbolo,la sección de los orificios o aberturas de entra-da y salida del aire, el caudal de aire C y lasfuerzas de rozamiento.

La amortiguación consiste en reducir la velo-cidad del émbolo cuando efectúa la parte finalde las carreras de avance o de retroceso.

Esta reducción de velocidad se lleva a cabonormalmente de dos formas: mediante amor-tiguación elástica o mecánica y por medio deamortiguación neumática.

— La amortiguación elástica o mecánicaconsiste en colocar anillos de material elás-tico en el interior de los fondos del cilindro yque actúan como topes. De este modo, seevita el choque brusco y se absorbe la pe-queña energía cinética del conjunto móvil.

Esta forma de amortiguación se utiliza enpequeños cilindros que soportan golpeteoso choques relativamente ligeros.

— La amortiguación neumática consiste enaprovechar el aire residual que permaneceen la cámara opuesta al desplazamientopara que actúe de cojín amortiguador. Mien-tras el cilindro se desplaza en las carrerasde avance o de retroceso, el aire de la cá-mara opuesta escapa por el orificio de sali-da. Momentos antes de alcanzar el final dela carrera, se disminuye la sección del orifi-cio que permite el escape del aire, con locual queda una pequeña cantidad confina-da que frena el avance del émbolo.

Este tipo de amortiguación es la más utili-zada para cilindros que ponen en juegoenergías cinéticas elevadas.

14. Datos: D 50 mm 0,05 md 20 mm 0,02 mP 8 bar 8 105 Pa 90 % 0,9

Aplicamos directamente las fórmulas que per-miten calcular la fuerza efectiva en el avance yen el retroceso:

D 2Fea P ———

4

64

65

3,14 (0,05 m)2Fea 0,9 (8 105 Pa) ————————

4

1 413 N

(D 2 d 2)Fer P ——————

4

Fer 0,9 (8 105 Pa)

3,14 (0,05 m)2 (0,02 m)2 ——————————————— 1187 N

4

La fuerza efectiva de avance es de 1 413 N yla de retroceso, de 1187 N.

15. Datos: D 50 mm 0,05 md 20 mm 0,02 me 80 mm 0,08 m

El volumen de aire que consume el cilindro encada ciclo se obtiene aplicando la expresión:

(D 2 d 2)VT —————— e

4

3,14 (0,05 m)2 (0,02 m)2VT ——————————————— 0,08

4

m3 2,89 104 ———

ciclo

Si el cilindro efectúa 20 ciclos por minuto, elcaudal de aire utilizado será:

m3 ciclos LC 2,89 104 ——— 20 ——— 103 ——

ciclo min m3

L 5,78 ——

min

El cilindro consume 5,78 L/min de aire.

16. Datos: Fe 48 NE 7,8 NP 6 bar 6 105 Pa 80 % 0,8

A partir de la expresión de la fuerza efecti-va de un cilindro de simple efecto, despeja-mos D:

D 2Fe P ——— E ⇒

4

F34 —— E⇒ D ———————

P

48 N4 —— 7,8 N0,8

D —————————— 0,012 m 3,14 (6 105 Pa)

12 mm

El diámetro del émbolo ha de ser de 12 mm.

17. a) Electroválvula 3/2 NC con retorno por re-sorte.

b) Válvula 3/2 NA con mando manual y retor-no por resorte.

c) Válvula 4/2 con mando por palanca y retor-no neumático.

d) Válvula 5/2 con mando por pedal y retornopor resorte.

18.

19. La electroválvula es una válvula neumáticaque puede ser pilotada eléctricamente, tantoen el mando como en el retorno.

Estas válvulas disponen de electroimanes ca-paces de modificar la posición de la correderay abrir o cerrar alternativamente los orificios ovías por las que circula el aire.

Cuando el circuito del electroimán se cierra, lacorriente eléctrica genera la aparición de uncampo magnético que atrae la corredera mo-dificando su posición y cambiando la posiciónde trabajo de la válvula.

20.

Una válvula antirretorno es un elemento neu-mático que permite la circulación del aire en undeterminado sentido, pero bloquea su circula-ción en el contrario.√

√

a) b )

c) d )

sentido permitido

Cuando la válvula se inserta en el circuito enuna determinada posición, la circulación delaire es perfectamente posible en un solo sen-tido, siempre que la presión venza la accióndel muelle y obligue a desplazarse al asientocónico que posee en su interior.

Sin embargo, en sentido contrario, la circula-ción es imposible porque el asiento cónico blo-quea la vía de salida.

21.

Una válvula reguladora de caudal bidirec-cional se encarga de controlar el caudal deaire que pasa por una conducción en los dossentidos de circulación.

Como el aire pasa obligatoriamente por la víaen la que se encuentra el tornillo T, tanto si cir-

Una válvula reguladora de caudal unidirec-cional se encarga de controlar el caudal deaire que pasa por una conducción en un solosentido de circulación.

Cuando el aire penetra por el orificio de entra-da, A, su caudal puede ser regulado medianteel tornillo, T, que permite aumentar o disminuirla sección del orificio de salida.

El antirretorno que existe en su interior obligaal aire a circular por la vía que permite su re-gulación.

Cuando el aire penetra por el orificio, B, puedesalir perfectamente por A a través del antirre-torno, con lo que su caudal no podrá ser regu-lado por medio del tornillo T.

22.

cula de A hacia B como si lo hace de B haciaA, su caudal puede ser regulado mediante elcitado tornillo.

La única diferencia entre ésta y la anterior radi-ca en que no posee antirretorno, de modo queel aire siempre circula por el mismo conducto.

23. Los detectores neumáticos que detectan lapresencia de un objeto se denominan capta-dores de posición.

En este grupo podemos distinguir dos tipos:los que funcionan por contacto y los que lo ha-cen por proximidad.

— Entre los que funcionan por contacto, losmás conocidos son las microválvulas neu-máticas y los microrruptores eléctricos.

— Entre los que funcionan por proximidad seencuentran los detectores de paso y losdetectores de proximidad.

66

BA

T

B

A

T

Detector Símbolo

Microválvulaneumática

Principio de funcionamiento

Captador de posición por contacto, porquepara su accionamiento necesita del contacto físi-co del objeto que, en este caso, es el vástago delcilindro.

Aplicaciones

Como finales de carrera, permiten gobernar lasválvulas distribuidoras.

Detector Símbolo

Microrruptoreléctrico

Principio de funcionamiento

Captador de posición por contacto, porquepara emitir la señal eléctrica necesita del contac-to físico del objeto que, en este caso, es el vás-tago del cilindro.

Aplicaciones

Como finales de carrera, permiten gobernar laselectroválvulas distribuidoras.

Antirretorno

67

24. Las microválvulas y las válvulas distribui-doras funcionan esencialmente del mismomodo. La diferencia radica en que las prime-ras se utilizan como órgano de gobierno de lassegundas, cuando éstas tienen el mando o elretorno neumáticos.

Los presostatos y las electroválvulas funcio-nan de modo inverso:

— El presostato recibe una señal neumática yla transforma en una señal eléctrica.

— La electroválvula recibe una señal eléctricaen su bobina y la transforma en una señalneumática.

25.

26. El esquema representa el pilotaje de un cilin-dro de doble efecto por medio de una válvuladistribuidora 4/2 con mando y retorno neumá-ticos. La maniobra se inicia desde una micro-válvula 3/2 con mando por pulsador y retornopor resorte.

El movimiento de avance y retroceso del vás-tago está regulado por medio de dos micro-válvulas que actúan como finales de carrera.La velocidad de avance se regula por mediode una válvula reguladora de caudal unidirec-cional.

Al oprimir el pulsador de la microválvula, éstacambia su posición de trabajo y permite elpaso del aire hasta la válvula que actúa de fi-nal de carrera de retroceso. Ésta, a su vez, ac-túa sobre la válvula distribuidora, que cambiasu posición de trabajo y se provoca la carrerade avance, cuya velocidad viene regulada porla válvula reguladora de caudal.

Cuando el vástago llega al extremo, se activala válvula de final de carrera, la cual invierte laposición de trabajo de la válvula distribuidora yse produce la carrera de retroceso, cuya velo-cidad no está regulada.

27.

Detector Símbolo

Detector de paso

Principio de funcionamiento

Captador de posición sin contacto físico.Consta de un emisor, que emite aire a baja pre-sión, y un receptor. Cuando un objeto se interpo-ne, el receptor deja de recibir aire y emite unaseñal neumática.

Aplicaciones

Se utilizan para detectar la presencia o la ausen-cia de una determinada pieza u objeto en lazona de influencia del detector.

Detector Símbolo

Detectorde proximidad

Principio de funcionamiento

Captador de posición sin contacto físico. Elemisor y el receptor se integran en un mismo cuer-po. Cuando un objeto se interpone, la reflexión delaire que proyecta el emisor sobre él es captadapor el receptor, que emite una señal neumática.

Aplicaciones

Se utilizan para detectar la presencia o la ausen-cia de una determinada pieza u objeto en lazona de influencia del detector.

Maniobras propuestas (pág. 279)

1. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto y una electroválvula5/2 con retorno por resorte.

— En la posición de reposo están comuni-cados los orificios P y B, por lo que habráentrado aceite a la cámara anterior del ci-lindro. Los orificios A y R también están co-municados y el T permanece bloqueado.

— Al accionar el pulsador, la electroválvulacambia su posición de trabajo: quedan co-municados P y A, con lo que se produce la entrada de aceite a la cámara posteriordel cilindro y éste efectúa el movimiento de avance. A la vez, se comunican B y T, demodo que el aceite residual fluirá hacia eldepósito. El orificio R queda bloqueado.

— Al dejar de accionar el pulsador, la electro-válvula recupera su posición de reposo gra-cias al muelle. De nuevo quedan comuni-cados P con B y se producirá una nuevaentrada de aceite a la cámara anterior queprovocará el movimiento de retroceso. Elaceite residual escapará al depósito a tra-vés de A y R.

2. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de simple efecto, dos válvulas 4/2 NCcon mando por pulsador y retorno por resorte,y una válvula selectora de circuito.

— En posición de reposo, ninguna de las vál-vulas permite el paso de aceite al cilindro.Éste se mantiene en posición de retrocesodebido al muelle de retorno.

— Si accionamos el pulsador de una de lasválvulas, ésta cambiará su posición de tra-bajo y permitirá el paso del aceite hacia el cilindro. Cuando el fluido llega a la válvu-la selectora, desplaza el pistón interior deésta de modo que bloquea el circuito de laotra válvula y llega hasta la cámara del ci-lindro, provocando la carrera de avance deéste.

— Cuando dejamos de pulsar, el muelle de re-torno obliga a la válvula a cambiar de nuevosu posición de trabajo. El pistón del cilindro,empujado por el muelle, evacua el aceite de

la cámara, que regresa al depósito a travésde la misma válvula por la que entró en elcilindro (el circuito de la otra está bloquea-do por la válvula selectora).

— Si accionamos el pulsador de la otra válvu-la, se repite el mismo proceso anterior, sóloque esta vez el aceite fluye por el otro cir-cuito y la válvula selectora invierte su posi-ción para bloquear el otro circuito.

Se trata, como puede comprobarse, de un cir-cuito que permite el pilotaje de un cilindro des-de dos lugares diferentes.

3. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto cuyo recorrido está li-mitado por dos microválvulas 3/2 con mandopor roldana y retorno por resorte, que actúancomo finales de carrera. El mando del cilindrose efectúa por medio de una válvula 5/2 conmando y retorno neumáticos, y el circuito dis-pone de dos válvulas reguladoras de caudal.El inicio de la maniobra se gobierna por mediode una microválvula 3/2 con mando por pulsa-dor y retorno por resorte.

— En posición de reposo, el aceite ocupa lacámara anterior del cilindro por lo que elvástago se encuentra en el punto máximode retroceso.

— Cuando accionamos el pulsador de la mi-croválvula 3/2, ésta invierte su posición detrabajo y permite el paso del aceite hasta elmando de la válvula 5/2.

Inmediatamente, la válvula 5/2 permite elpaso de aceite hasta la cámara posteriordel cilindro, provocando la carrera de avan-ce. El flujo de aceite hacia el cilindro seproduce libremente a través del antirretor-no de la válvula reguladora de caudal, perola velocidad de salida del que permanecíaen la cámara anterior puede ser reguladapor medio de la otra válvula reguladora. Deeste modo se regula la velocidad de des-plazamiento del vástago.

— Cuando el extremo de éste activa la rolda-na del final de carrera, la válvula corres-pondiente invierte su posición de trabajo ypermite el paso del aceite hasta el retornode la válvula 5/2.

68

11. Oleohidráulica

69

En consecuencia, ésta invierte de nuevo su posición de trabajo y permite el paso del aceite hasta la cámara anterior del ci-lindro provocando la carrera de retroce-so. Las válvulas reguladoras de caudal in-vierten su trabajo de modo que también se regula la velocidad de retroceso del vás-tago.

— Cuando el extremo activa el otro final decarrera, la válvula correspondiente permiteel paso de aceite de nuevo hasta el mandode la válvula 5/2, con lo que se reproduceel movimiento de avance.

El cilindro llevará a cabo movimientos alterna-tivos de avance y retroceso de forma continua-da mientras se esté oprimiendo el pulsador dela válvula de inicio. En cuanto deje de pulsar-se, la válvula impedirá el paso de aceite desdeel final de carrera hasta la válvula de gobierno5/2 y el cilindro se detendrá en la misma posi-ción de reposo de la que partió.

Actividades de aplicación (pág. 283)

4. Conceptos de viscosidad y de viscosidad ci-nemática:

La viscosidad es la resistencia que presentanlos líquidos a fluir. Se justifica por el rozamien-to que se produce entre las sucesivas capasde un líquido.

La fuerza de rozamiento Fr entre dos capas delíquido depende de tres factores:

— Del área (S ) de las superficies en contacto.

— Del cociente entre la variación de veloci-dad (v ) de una capa a otra y la distancia(d ) que las separa.

— Del coeficiente de viscosidad .

A partir de la expresión de la fuerza de roza-miento Fr, podemos deducir el valor del coefi-ciente de viscosidad, , que se define comola fuerza de rozamiento, Fr, por unidad de su-perficie, S, necesaria para provocar un au-mento de velocidad, v, en capas de líquidoseparadas una distancia d:

v FrFr S —— ⇒ ————d v

S ——d

Por otra parte, el coeficiente de viscosidadcinemática, C, se define como el cocienteentre el coeficiente de viscosidad y la densi-dad d del líquido:

C —

d

Unidades en el SI:Ns

En el SI, la viscosidad se expresa en ——, quem2

se deducen de la fórmula de la viscosidad:

Fr N Ns ————— —————— ———

v m/s m2S —— m2 ——

d m

En el SI, la viscosidad cinemática se expre-m2

sa en ——, ya que:s

Ns kg Ns—— ————

m2 m2 m2

C —— ———— ————— ——d kg kg s

—— ——m3 m3

Otras unidades:

En los cálculos técnicos, la viscosidad sueleexpresarse también en poises. En ese caso,la fuerza de rozamiento se expresa en dinas,(1 dina 105 N); la superficie, en cm2; la ve-locidad, en cm/s y la distancia, en cm. Su equi-valencia con la unidad del SI es la siguiente:

Fr 1 dina ————— ⇒ 1 poise ——————

v 1 cm/sS —— 1 cm2 ———

d 1 cm

105 N Ns ————————— 0,1 ———

102 m/s m2104 m2 ————

102 m

Cuando la viscosidad se expresa en poises y la densidad, en g/cm3, la viscosidad cine-mática viene dada en stokes. La equivalen-cia entre 1 stoke y la unidad del SI es la si-guiente:

1 cm2 m21 St ——— 104 ——

1 s s

5. La resistencia oleodinámica R es una mag-nitud que mide la oposición que presentan lostubos o los conductos de una instalación alpaso a través de ellos del aceite o el fluido

oleohidráulico. Es directamente proporcional ala densidad d, a la viscosidad cinemática Cdel fluido y a la longitud l del tubo, e inversa-mente proporcional al diámetro d de éste, se-gún la expresión:

d C lR 0,062 ————

d

— Cuando mayor sea la densidad d del fluido,mayor dificultad tendrá para fluir por el inte-rior de los conductos.

— Cuanto mayor sea la viscosidad cinemá-tica C, mayor será el rozamiento entre lacapas del fluido y, en consecuencia, ma-yor será también la resistencia oleodiná-mica.

— Cuanto mayor sea la longitud l del tubo,mayor dificultad tendrá el fluido para atra-vesarlo.

— Cuanto menor sea el diámetro d del tubo,mayor será la resistencia que opondrá ésteal paso del fluido.

6. Las funciones básicas de cualquier fluidooleohidráulico son las siguientes:

— Actuar como agente de transporte.

— Lubricar los diversos elementos y partesdel circuito.

— Actuar como anticorrosivo.

— Arrastrar impurezas en las canalizaciones.Dicha impurezas serán sometidas a un pos-terior filtrado.

— Evacuar el calor que pueda generarse porrozamiento.

El aceite mineral está desaconsejado comofluido oleohidráulico en las instalaciones conpeligro de incendio. En estos casos se em-plean fluidos resistentes al fuego, como losésteres fosfatados y las emulsiones de aguaen aceite.

— Los ésteres fosfatados pueden alcanzartemperaturas de hasta 1 500 °C sin peligrode inflamación.

— Las emulsiones de agua en aceite mine-ral (60 % en volumen de aceite y 40 % deagua) pueden utilizarse sin peligro contemperaturas de hasta 800 °C.

7.

8. La respuesta dependerá del tipo de bombaelegido por los alumnos. Se ofrecen aquí lasdos posibilidades.

Bomba de engranajes

Consta de una carcasa de fundición que dis-pone de dos aberturas o conductos, denomi-nados A y B. En su interior van montadas dosruedas dentadas que engranan perfectamen-te. Una de ellas recibe el movimiento de girodel motor eléctrico (rueda conductora) y la otraes arrastrada (rueda conducida).

Al girar ambas ruedas, se origina un vacío queocasiona la aspiración del aceite por el con-ducto A y su expulsión por el conducto B.

Bomba de paletas

Dispone de un rotor ranurado y movido por unmotor eléctrico. Este rotor puede girar excén-tricamente, con una excentricidad e, en el inte-

70

Circuito oleohidráulico

Elementos básicos Componentes

Unidad hidráulicao unidadde presión

Depósito

Filtros

Bomba

Motor eléctrico

Válvula limitadora de presión

Manómetro

Válvulasdistribuidoras

Válvula 2/2

Válvula 3/2

Válvula 4/2

Válvula 5/2

Válvula 4/3

Electroválvula

Elementosde trabajo

Cilindros de simple efecto

Cilindros de doble efecto

Motores de engranajes

Motores de paletas

Elementos auxiliares

Válvula antirretorno

Válvula reguladora de caudal

Válvula reguladora de presión

Válvula selectora de circuito

Filtros

71

rior de un anillo ovalado. Dentro de las ranurasdel rotor están colocadas las paletas, que es-tán en contacto permanente con la superficieinterna del anillo.

Durante el giro, se crea un vacío en la entrada Ade la bomba, que origina la aspiración del acei-te. Éste queda encerrado en la cámara de bom-beo y posteriormente expulsado por la salida B.

9.

10. a) Válvula 3/2 NC con mando por pedal y re-torno por resorte.

b) Válvula 5/2 con mando y retorno hidráulicos.

c) Válvula 4/2 con mando manual y retornopor resorte.

11. Esta válvula dispone de cinco orificios, P, T, B,A y R, y dos posiciones de trabajo.

Su representación simbólica es la siguiente:

— En la posición de reposo, la entrada deaceite P está comunicada con B. Por lotanto, el aceite fluye a través de estos orifi-cios hacia su utilización en el circuito. Tam-bién están comunicados el orificio A con elR, con lo que el aceite proveniente del cir-cuito se escapa hacia el depósito.

— Al accionar la válvula, la corredera se des-plaza hacia la izquierda y quedan comuni-cados el orificio P con el A (utilización) y elB con el T (escape).

— Al cesar la acción, el resorte vuelve a la corredera a su posición inicial y el flujo delaceite se produce como al principio.

12.

Semejanzas:

— Para representarlas simbólicamente se em-plean tantos cuadros como posiciones detrabajo posee cada válvula.

— El sentido de circulación del fluido (aire ofluido oleohidráulico) se indica medianteflechas.

— Los mandos manuales y eléctricos y los re-tornos por resorte se simbolizan de formaidéntica.

Diferencias:

— La simbología de las conexiones de los ori-ficios es distinta.

Válvulas neumáticas Válvulas oleohidráulicas

Analogías

Se simbolizan mediante dos cifras: la primeracorresponde al número de orificios o vías y la se-gunda, al número de posiciones de trabajo.

Para representarlas simbólicamente se empleantantos cuadros como posiciones de trabajo po-see la válvula.

El sentido de circulación del fluido (aire o fluidooleohidráulico) se indica mediante flechas.

La simbología de los modos de mando y de re-torno (manual, por palanca, por pedal, por pulsa-dor, por roldana o eléctrico) es idéntica en am-bos tipos de válvulas.

Diferencias

En las válvulas de dosposiciones, la posiciónde reposo correspon-de al cuadro de la de-recha.

En las válvulas de dosposiciones, la posiciónde reposo correspon-de al cuadro de la iz-quierda.

Las conexiones de losorificios se simbolizanteniendo en cuenta quese trata de aire a pre-sión.

Las conexiones de losorificios se simbolizanteniendo en cuenta quese trata de fluido oleo-hidráulico.

Existe un modo demando y retorno neu-máticos.

Existe un modo demando y retorno hi-dráulicos.

El órgano de mandose sitúa a la izquierday el de retorno, a la de-recha.

El órgano de mandose sitúa a la derechay el de retorno, a la iz-quierda.

A B

RP

T

PT

A A B

TP

a) b)

A B

TP

R

A

PT

c) d)

— En las válvulas oleohidráulicas, la posiciónde reposo corresponde al cuadro de la iz-quierda, mientras que en las neumáticascorresponde al de la derecha.

15. Datos: 85 % 0,85P 50 bar 5 106 Pad 28 mm 0,028 mFea 8 435 N

A partir de la expresión de la fuerza efectivade avance de un cilindro de doble efecto, des-pejamos D:

D 2 4 FeaFea P ——— ⇒ D ————4 P

4 8 435 ND ——————————— 0,050 m

3,14 (5 106 Pa) 0,85

50 mm

Con el dato anterior, aplicamos la fórmula queda la fuerza efectiva de retroceso:

(D 2 d 2)Fer P ——————

4

Fer 0,85 5 107 Pa

3,14 (0,05 m)2 (0,028 m)2 ——————————————— 5 725 N

4

El diámetro del cilindro es 50 mm y la fuerzaefectiva de retroceso, 5 725 N.

16.

13. Datos: D 50 mm 0,05 m d 30 mm 0,03 mP 225 bar 2,25 107 Pa 85 % 0,85

Aplicamos directamente las fórmulas que permiten calcular la fuerza efectiva en el avance y en el retroceso:

D 2 3,14 (0,05 m)2Fea P ——— Fea 0,85 (2,25 107 Pa) ——————— 37 533 N

4 4

(D 2 d 2) 3,14 (0,05 m)2 (0,03 m)2Fer P —————— Fer 0,85 2,25 107 Pa —————————————— 24 021 N

4 4

La fuerza efectiva de avance es de 37 533 N y la de retroceso, de 24 021 N.

14. Datos: D 50 mm 0,05 m d 30 mm 0,03 m e 180 mm 0,18 m

El volumen de aceite que consume el cilindro en cada ciclo se obtiene aplicando la expresión:

(2 D 2 d 2)VT ——————— e

4

3,14 2 (0,05 m)2 (0,03 m)2 mVT —————————————— 0,18 m 5,79 104 ——

4 ciclo

Si el cilindro efectúa 4 ciclos por minuto, el caudal de aceite utilizado será:

m3 ciclos L LC 5,79 104 ——— 4 ——— 103 —— 2,31 ——

ciclo min m3 min

El cilindro consume 2,31 L/min de aceite.

— En las válvulas oleohidráulicas, el órganode mando se sitúa a la derecha y el de re-torno, a la izquierda, mientras que en lasneumáticas es exactamente al revés.

72

√

√

Motor de engranajes Bomba de engranajes

Analogías

Constan de una carcasa de fundición que dispo-ne de dos aberturas o conductos, denominadosA y B. En su interior van montadas dos ruedasdentadas que engranan perfectamente.

Sólo una de las ruedasva ensamblada al ejede giro del motor.

Sólo la rueda conduc-tora recibe el movi-miento de giro del mo-tor.

73

17. Las válvulas antirretorno posibilitan la circu-lación del aceite en un determinado sentido eimpiden su paso en el contrario. Con ello seobliga al aceite a circular por determinadasconducciones en un sólo sentido.

18. La sección de una válvula reguladora de cau-dal unidireccional y su símbolo aparecen re-presentados en la figura siguiente:

— Si el aceite penetra por A y sale por B,su caudal puede ser regulado mediante el tornillo T, ya que tiene un solo camino de circulación (el indicado en la figura) por-que el antirretorno C impide su paso poresa vía.

— En cambio, si penetra por B, puede salirperfectamente por A a través de antirretor-no, con lo que su caudal no podrá ser regu-lado por medio del tornillo T.

Por lo tanto, el caudal de aire sólo podrá serregulado cuando su sentido de circulación seade A a B.

Como puede apreciarse, la estructura de es-tas válvulas es más simple que la de las unidi-reccionales, ya que carecen de antirretorno.

Como el aceite pasa obligatoriamente por lavía en la que se encuentra el tornillo T, tanto sicircula de A hacia B como si lo hace de B ha-cia A, su caudal puede ser regulado medianteel citado tornillo.

20. Para conseguir que la velocidad de salida delvástago de un cilindro sea prácticamente ins-tantánea puede utilizarse una válvula de esca-pe rápido o de purga rápida. La figura siguientenos muestra el símbolo y la forma de actuaciónde una válvula de este tipo.

19. La sección de una válvula reguladora decaudal bidireccional y su símbolo aparecenrepresentados en la figura siguiente:

— Cuando el aceite procedente de una válvu-la distribuidora penetra por el orificio 1,desplaza la membrana elástica M y quedabloqueada la salida 3. De esta forma, elaceite pasa por el orificio 2 hacia el cilindrocorrespondiente.

— Cuando, en el retorno del cilindro, el aceitepenetra por el orificio 2, desplaza la mem-brana hacia la izquierda y tapona el 1, conlo que tiene una salida directa al exterior através del orificio 3.

21. Para limitar la carrera de un cilindro puedenutilizarse válvulas oleohidráulicas con mando

Diferencias

El flujo del aceite pro-voca el movimiento degiro de los engranajes.

El movimiento de girode los engranajes pro-voca el flujo del aceite.

La presión de funcio-namiento suele ser de140 bar.

La presión de funcio-namiento oscila entre160 y 260 bar.

La velocidad de girosuele ser de 2 400 rpm.

La velocidad de girosuele ser de 1 500 rpm.

AB

T

A

B

T

1 3

2

13

2

13

21 3

2

13

2

13

2

M M

El motor puede funcio-nar en ambos senti-dos. Para ello, bastainvertir el sentido deflujo del aceite.

La bomba sólo funcio-na en uno de los senti-dos: desde el orificio Aal B.

por roldana y retorno por resorte que actúencomo finales de carrera.

Estas válvulas se conectan a los órganos demando y de retorno de la válvula distribuidora,que, en este caso, deberán ser neumáticos.De este modo, cuando el extremo del vástagodel cilindro acciona la roldana, la válvula cam-bia su posición de trabajo y envía una señalneumática al retorno de la válvula distribuido-ra. Ésta, a su vez invierte su posición de traba-jo e inicia la carrera de retroceso del cilindro.

Cuando se activa el otro final de carrera, sereproduce el proceso a la inversa y se inicia lacarrera de avance.

Maniobras (pág. 284)

22. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando por pulsador y retorno por resorte, yuna válvula reguladora de caudal.

— En posición de reposo, la válvula permite elpaso del aceite hasta la cámara anteriordel cilindro, por lo que el vástago de éstese encuentra en la posición máxima de re-troceso.

— Si accionamos el pulsador de la válvula,ésta cambia su posición de trabajo y per-mite el paso de aceite a la cámara poste-rior del cilindro, con lo que se provoca lacarrera de avance.

El antirretorno de la válvula reguladora decaudal obliga al aceite que sale del cilindroa circular por el conducto en el que se en-cuentra el tornillo T. Variando la posición deéste, podemos aumentar o disminuir la ve-locidad de avance del vástago.

— Cuando dejamos de pulsar, el muelle de re-torno obliga a la válvula a cambiar de nue-vo su posición de trabajo. El aceite circulaahora hasta la cámara anterior del cilindroprovocando la carrera de retroceso. Comoahora circula a través del antirretorno de laválvula reguladora, la velocidad de retroce-so no puede ser controlada.

23. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una electroválvula 5/2con mando eléctrico y retorno por resorte, yuna válvula reguladora de caudal.

— En posición de reposo, la electroválvulapermite el paso del aceite hasta la cámaraanterior del cilindro, por lo que el vástagode éste se encuentra en la posición máxi-ma de retroceso.

— Si accionamos el pulsador eléctrico, se ac-tiva el mando de la electroválvula. Éstacambia su posición de trabajo y permite elpaso de aceite a la cámara posterior del ci-lindro, con lo que se provoca la carrera deavance.

El antirretorno de la válvula reguladora decaudal obliga al aceite que sale del cilindroa circular por el conducto en el que se en-cuentra el tornillo T. Si variamos la posiciónde éste, podemos aumentar o disminuir lavelocidad de avance del vástago.

— Cuando dejamos de pulsar, el muelle deretorno obliga a la electroválvula a cambiarde nuevo su posición de trabajo. El aceitecircula ahora hasta la cámara anterior delcilindro provocando la carrera de retroceso.Como ahora circula a través del antirretor-no de la válvula reguladora, la velocidad deretroceso no puede ser controlada.

24. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto y una electroválvula4/2 con mando y retorno eléctricos.

— En posición de reposo, la electroválvulapermite el paso del aceite hasta la cámaraanterior del cilindro, por lo que el vástagode éste se encuentra en la posición máxi-ma de retroceso.

— Si accionamos el pulsador eléctrico A, seactiva el mando de la electroválvula. Éstacambia su posición de trabajo y permite elpaso de aceite a la cámara posterior del ci-lindro, con lo que se provoca la carrera deavance.

— Cuando accionamos el pulsador eléctricoR, se activa el retorno de la electroválvula yésta cambia de nuevo su posición de traba-jo. El aceite circula ahora hasta la cámaraanterior del cilindro provocando la carrerade retroceso.

Como no existe válvula reguladora, las veloci-dades de avance y de retroceso no están re-guladas.

74

75

25. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando manual y retorno por resorte, una vál-vula reguladora de caudal y una microválvu-la 2/2 NC con mando por roldana que actúacomo final de carrera.

— En posición de reposo, la válvula permite elpaso del aceite hasta la cámara anterior delcilindro, por lo que el vástago de éste se en-cuentra en la posición máxima de retroceso.

— Si accionamos el pulsador de la válvula,ésta cambia su posición de trabajo y per-mite el paso de aceite a la cámara poste-rior del cilindro, con lo que se provoca lacarrera de avance.

El antirretorno de la válvula reguladora decaudal obliga al aceite que sale del cilindroa circular por el conducto en el que se en-cuentra el tornillo T. Si variamos la posiciónde éste, podemos aumentar o disminuir lavelocidad de avance del vástago.

Cuando el extremo de éste acciona la rol-dana de la microválvula, ésta invierte suposición de trabajo y permite el paso delaceite hasta el depósito a través de la vál-vula 4/2. En consecuencia, a partir de eseinstante, la velocidad de desplazamientodel vástago ya no queda regulada.

— Cuando dejamos de pulsar, el muelle de re-torno obliga a la válvula a cambiar de nue-vo su posición de trabajo. El aceite circulaahora hasta la cámara anterior del cilindroprovocando la carrera de retroceso. Comoahora circula a través del antirretorno de laválvula reguladora, la velocidad de retroce-so no puede ser controlada.

Por otra parte, durante el retroceso, el extre-mo del vástago vuelve a accionar la roldanade la microválvula, con lo que ésta invier-te de nuevo su posición de trabajo y quedacerrada hasta el siguiente ciclo de trabajo.

26. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de simple efecto, una válvula 3/2 NCcon mando hidráulico y retorno por resorte, yuna válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retorno por resorte que se emplea para ini-ciar la maniobra.

— En posición de reposo, las dos válvulaspermanecen cerradas y el aceite no puedecircular hasta el cilindro.

— Si accionamos el pulsador de la válvula deinicio, se activa el mando de la válvula de distribución. Ésta cambia su posición detrabajo y permite el paso de aceite a la cá-mara posterior del cilindro, con lo que seprovoca la carrera de avance.

— Cuando dejamos de pulsar, el retorno de laválvula de inicio obliga a ésta a cambiar denuevo su posición con lo que el aceite dejade fluir hacia el mando de la válvula distri-buidora. El retorno de ésta también provo-ca la inversión de su posición de trabajo,de modo que se permite la salida del acei-te contenido en el cilindro. El muelle de re-torno de éste obliga al aceite a fluir hacia eldepósito, con lo que se provoca la carrerade retroceso.

27. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando por pedal y retorno por resorte, y dosválvulas reguladoras de caudal.

— En posición de reposo, la válvula permite elpaso del aceite hasta la cámara anterior delcilindro, por lo que el vástago de éste se en-cuentra en la posición máxima de retroceso.

— Si accionamos el pedal de la válvula, éstacambia su posición de trabajo y permite elpaso de aceite a la cámara posterior del ci-lindro, con lo que se provoca la carrera deavance.

El aceite fluye hacia el cilindro sin dificultada través del antirretorno de la válvula regu-ladora, situada a la derecha del esquema.Sin embargo, el antirretorno de la situada ala izquierda obliga al aceite que sale del ci-lindro a circular por el conducto en el quese encuentra el tornillo T. Variando la posi-ción de éste, podemos aumentar o dismi-nuir la velocidad de avance del vástago.

— Cuando dejamos de pulsar, el muelle de re-torno obliga a la válvula a cambiar de nue-vo su posición de trabajo. El aceite circulaahora hasta la cámara anterior del cilindroprovocando la carrera de retroceso.

En este caso se produce el fenómeno in-verso: el antirretorno de la válvula regula-dora situada a la izquierda permite el flujodel aceite, mientras que mediante el torni-llo de la válvula reguladora de la derechapodemos regular la velocidad de retroceso.

28. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de simple efecto, una válvula 3/2 NCcon mando por pulsador y retorno por resorte,y dos válvulas reguladoras de caudal.

— En posición de reposo, la válvula no permi-te el paso del aceite hasta el cilindro, por loque el vástago de éste se encuentra en laposición máxima de retroceso.

— Si accionamos el pulsador de la válvula,ésta cambia su posición de trabajo y per-mite el paso de aceite a la cámara poste-rior del cilindro, con lo que se provoca lacarrera de avance.

El aceite fluye hacia el cilindro sin dificultada través del antirretorno de la válvula regu-ladora situada en la parte inferior del es-quema. Sin embargo, el antirretorno de laválvula reguladora ubicada en la parte su-perior obliga al aceite que entra en el ci-lin-dro a circular por el conducto en el que seencuentra el tornillo T. Si variamos la posi-ción de éste, podemos aumentar o dismi-nuir la velocidad de avance del vástago.

— Cuando dejamos de pulsar, el retorno obli-ga a la válvula a cambiar de nuevo su posi-ción de trabajo y el muelle de retorno delcilindro provoca la carrera de retroceso y,con ella, la salida del aceite. Éste tiene quecircular de nuevo a través de las válvulasreguladoras, pero ahora actúan de modoinverso: el antirretorno de la válvula regu-ladora situada en la parte superior permite el flujo del aceite, mientras que mediante eltornillo de la válvula reguladora de la parteinferior podemos regular la velocidad de re-troceso.

29. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando hidráulico y retorno por resorte, y dosválvulas 3/2 NC con mando por pulsador y re-torno por resorte que se emplean para iniciarla maniobra.

— En posición de reposo, las dos válvulas deinicio permanecen cerradas, el aceite nopuede circular hasta la válvula distribuidoray, en consecuencia, tampoco llega hasta elcilindro.

Para iniciar la maniobra es necesario ac-cionar simultáneamente los pulsadores de

las dos válvulas de inicio ya que, si sólo seacciona uno de ellos, la otra válvula, quepermanece cerrada, seguirá impidiendo elpaso del aceite.

— Si accionamos ambos pulsadores, las vál-vulas se abren y permiten el paso del acei-te hasta el mando de la válvula de distribu-ción. Ésta cambia su posición de trabajo ypermite el paso de aceite a la cámara pos-terior del cilindro, con lo que se provoca lacarrera de avance.

— Cuando dejamos de accionar uno de lospulsadores, el retorno de la válvula de ini-cio obliga a ésta a cambiar de nuevo su po-sición con lo que el aceite deja de fluir ha-cia el mando de la válvula distribuidora. Elretorno de ésta también provoca la inver-sión de su posición de trabajo, de modoque se permite la salida del aceite conteni-do en el cilindro. El muelle de retorno deéste obliga al aceite a fluir hacia el depósi-to, con lo que se provoca la carrera de re-troceso.

El mismo efecto se consigue si se dejan deaccionar ambos pulsadores a la vez.

30. El circuito oleohidráulico está formado por uncilindro de doble efecto, una válvula 4/2 conmando manual y retorno por resorte, una vál-vula reguladora de caudal, una válvula limita-dora de presión y un antirretorno.

— En posición de reposo, la válvula permite elpaso del aceite hasta la cámara anteriordel cilindro, por lo que el vástago de éstese encuentra en la posición máxima de re-troceso.

— Si accionamos manualmente el mando dela válvula distribuidora, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso delaceite hasta la cámara posterior del cilin-dro.

El aceite que entra al cilindro lo hace sin difi-cultad a través del antirretorno de la válvulareguladora. Sin embargo, el que sale no pue-de hacerlo directamente hasta la válvula dis-tribuidora (porque se lo impide el antirretornosituado a la salida de la cámara anterior del ci-lindro) y es obligado a pasar a través de la vál-vula reguladora de presión, con lo que puede

76

77

regularse la fuerza ejercida por el vástago du-rante la carrera de avance.

— Cuando dejamos de accionar el mando dela válvula distribuidora, el retorno obliga a ésta a cambiar de nuevo su posición conlo que el aceite fluye ahora hasta la cáma-ra anterior provocando la carrera de retro-ceso.

El aceite que entra también lo hace sin difi-cultad a través del antirretorno pero el quesale ha de hacerlo obligatoriamente por elconducto en el que se encuentra el tornilloT de la válvula reguladora de caudal. Deeste modo puede regularse la velocidad deretroceso del vástago.

Actividades de aplicación (pág. 307)

1. La respuesta dependerá de la señal analógicaseleccionada por el alumno/a. No obstante, seofrece un modelo.

Una señal analógica es aquella que varía deforma continua con el tiempo.

La señal de la tensión de la corriente alternamonofásica varía de forma continua y oscilaen forma sinusoidal entre un valor máximo(Vmáx) y un valor mínimo (Vmín).

Algunos ejemplos de procesos reales en losque las magnitudes implicadas varían de for-ma continua son:

— La velocidad de giro de un motor.

— La temperatura corporal.

— El grado de humedad ambiental.

— La presión de funcionamiento de un circuitooleohidráulico.

— El pH de una disolución en una valoraciónácido-base.

2. La respuesta dependerá de la señal digital seleccionada por el alumno/a. No obstante, seofrece un modelo.

Una señal digital es aquella que correspondea una variable que toma sólo valores discre-tos, generalmente codificados, según un siste-ma de notación predeterminado.

La señal del termostato de un calentador sólopuede tomar dos valores previamente deter-minados: paso de corriente (ON) o interrup-ción de la corriente (OFF).

Algunos ejemplos de procesos reales en losque las magnitudes implicadas varían de for-ma continua son:

— Los bits mediante los cuales se definen loscaracteres informáticos: el bit 1 correspon-de a ON y el bit 0 corresponde a OFF.

— El funcionamiento de un interruptor eléctri-co de cualquier instalación: ON significapaso de corriente y OFF, interrupción de lacorriente.

— El funcionamiento de una válvula neumáti-ca u oleohidráulica: ON significa válvulaabierta y OFF, válvula cerrada.

— Los impulsos de voz en telefonía digital: laseñal analógica se descompone en unaserie de impulsos codificados, se transmitey posteriormente se decodifica y se trans-forma de nuevo en señal analógica.

12. Adquisición y transmisión de datos

t

t

T

Tens

ión

t

Señal analogica

Magnitud

Señaldigital

ON

OFF

3.

4. Las señales que proceden de un sensor pue-den tener características que resulten inade-cuadas al sistema de control utilizado (rangode frecuencia, intensidad, existencia de se-ñales parásitas, etc.). Por este motivo, resultaimprescindible el acondicionamiento de laseñal antes de procesarla.

Este acondicionamiento supone la amplifica-ción, el filtrado y el desplazamiento a una ban-da de frecuencias adecuada.

5. Datos: N.° de salidas: 4Rango de tensiones: 0-2 V

El número de intervalos en que puede dividir-se la señal es igual al número de combinacio-nes de bits que pueden llevarse a cabo con elconvertidor, que a su vez depende del númerode salidas de éste, según la expresión:

N.° de combinaciones 2N.° de salidas

En este caso:

N.° de combinaciones 24 16

Por tanto, la señal analógica puede ser dividi-da en 16 intervalos.

A cada uno de ellos le atribuiremos el valor delextremo inferior del intervalo y le asignare-mos un código binario (en código BCD y encódigo Gray), según se muestra en la tabla siguiente:

6. El poder de resolución de un convertidor indi-ca el número de pasos que tiene y viene dadopor la expresión:

R 2n 1

donde n es el número de salidas del convertidor.

En el caso del convertidor del ejercicio anterior:

R 2n 1 24 1 15

El poder de resolución del convertidor es 15.

7. Datos: fmín 20 Hzfmáx 20 kHz

Según el teorema de Nyquist, la frecuencia demuestreo ha de ser el doble de la frecuenciamáxima de la señal de entrada. En este caso:

fmuestreo 2 fmáx 2 20 kHz 40 kHz

La frecuencia de muestreo deberá ser 40 kHz.

8. El elemento nuclear del proceso de adquisi-ción y transmisión de datos es el procesadordigital. Este dispositivo recoge la señal digitalque viene del convertidor analógico/digital y laprocesa con el fin de dar la respuesta conve-niente. La señal de salida será posteriormentetransformada en analógica mediante el con-vertidor digital/analógico.

78

Control analógico

Ventajas Inconvenientes

Gran anchura de banda

Alta resolución

Fácil diseño

Componentes anticuados

Deriva de la temperatura

Diseños complejos

sSoluciones programablesComportamiento preciso

Capacidad de realizar funciones adicionalesDificul-tad de diseño

Problemas numéricos

Control digital

Ventajas Inconvenientes

Soluciones programables

Comportamiento preciso

Capacidad de realizarfunciones adicionales

Dificultad de diseño

Problemas numéricos

IntervaloCódigoBCD

[0-0,125 V]

[0,125-0,25 V]

[0,25 -0,375 V]

[0,375-0,5 V]

[0,5-0,625 V]

[0,625-0,75 V]

[0,75-0,875]

[0,875 - 1 V]

[1-1,125 V]

[1,125-1,25 V]

[1,25-1,375 V]

[1,375-1,5 V]

[1,5-1,625 V]

[1,625-1,75 V]

[1,75-1,875]

[1,875-2 V]

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

Valoratribuido

0 V

0,125 V

0,25 V

0,375 V

0,5 V

0,625 V

0,75 V

0,875 V

1 V

1,125 V

1,25 V

1,375 V

1,5 V

1,625 V

1,75 V

1,875 V

CódigoGray

0000

0001

0011

0010

0110

0111

0101

0100

1100

1101

1111

1110

1010

1011

1011

1000

79

9. El número de entradas de un convertidor digi-tal/analógico depende del número de combi-naciones de bits que sea capaz de procesar,según la expresión:

N.° de combinaciones 2N.° de entradas

Como el convertidor del ejercicio 5 podía reali-zar hasta 16 combinaciones de salida, el nú-mero de entradas del convertidor digital/analó-gico será:

16 2N.° de entradas ⇒⇒ N.° de entradas log2 16 4

El convertidor dispondrá de 4 entradas.

La distribución de la señal de salida en inter-valos, el valor asignado a cada uno de ellos ysu correspondencia con las combinaciones debits vienen dados en la tabla siguiente:

10. Datos: aproximación 0,01 V

Vmáx 10 V

La aproximación corresponde a la amplitud decada intervalo de señal. A partir de este dato,determinamos el número de intervalos nece-sarios:

VmáxAmplitud ——————— ⇒N.° intervalos

Vmáx 10 V⇒ N.° intervalos ———— ——— 1 000

Amplitud 0,01 V

Como el número de intervalos es igual al nú-mero de combinaciones de bits que es capazde procesar el convertidor, podemos determi-nar el número de entradas de que dispone:

N.° de combinaciones 2N.° de entradas

1 000 2N.° de entradas ⇒⇒ N.° de entradas log2 1 000 9,966

Como el número de entradas ha de ser enteroy mayor o igual al resultado anterior, el conver-tidor ha de disponer de 10 entradas.

11. La señal de salida de un convertidor DAC hade ser de nuevo acondicionada para adecuar-la a las necesidades concretas del actuador a la que haya de ser transmitida. Como en elcaso de la señal de entrada, deberá someter-se a un proceso de amplificación, filtrado ydesplazamiento a la banda de frecuencias conla que trabaje el actuador.

12. La transmisión de datos se hace necesariapor los siguientes motivos o razones:

• Los datos se originan en diferentes puntosdel sistema y deben ser transportados has-ta el panel de control.

• La existencia de procesos relacionados en-tre sí aconseja disponer de los datos en unsolo panel para poder comprobarlos.

• En ocasiones, los aparatos de medida seencuentran en lugares inaccesibles y es ne-cesario trasladar los datos a otro lugar.

13. Según el tipo de energía que emplean los trans-misores, podemos clasificar la transmisión, concarácter aproximado, en cuatro grandes tipos:mecánica, neumática, eléctrica y electrónica.

• La transmisión mecánica es un sistemade transmisión directa en el que ésta se lle-va a cabo por medio de dispositivos mecáni-cos, tales como engranajes, varillas, etc.

Un ejemplo de transmisión mecánica es lamedida de la presión mediante un manóme-

Combinaciónde bits Intervalo

Valordecimal

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Valorasignado

1 V

1,25 V

1,5 V

1,75 V

2 V

2,25 V

2,5 V

2,75 V

3 V

3,25 V

3,5 V

3,75 V

4 V

4,25 V

4,5 V

4,75 V

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

[1-1,25 V]

[1,25 -1,5 V]

[1,5 -1,75 V]

[1,75 -2 V]

[2-2,25 V]

[2,25 -2,5 V]

[2,5 -2,75 V]

[2,75 -3 V]

[3-3,25 V]

[3,25 -3,5 V]

[3,5 -3,75 V]

[3,75 -4 V]

[4-4,25 V]

[4,25 -4,5 V]

[4,5 -4,75 V]

[4,75 -5 V]

tro. La energía necesaria la proporcionanlas variaciones de la magnitud que se mide.

• La transmisión neumática utiliza aire mo-dulado como elemento de transmisión. Lossistemas que emplean este tipo de transmi-sión son de mayor alcance que los que em-plean transmisión mecánica, ya que puedenalcanzar los 300 m. La energía necesaria esproporcionada por compresores.

Como ejemplo de transmisión neumáticapuede citarse la medida de una presión pormedio de un transmisor de presión diferen-cial.

• La transmisión eléctrica está basada enlas variaciones de magnitudes eléctricas,tales como tensiones, intensidades, resis-tencias, etc. Su alcance depende de la va-riable utilizada en la transmisión y del dise-ño de los aparatos.

Un ejemplo de transmisión eléctrica es lamedida de la temperatura mediante un puen-te de Wheatstone. La energía utilizada es,naturalmente, energía eléctrica.

• La transmisión electrónica se basa en las variaciones de las mismas magnitudesempleadas en los sistemas eléctricos, peroincluye elementos electrónicos, como ampli-ficadores, osciladores, etc., entre sus com-ponentes.

Un ejemplo de transmisión electrónica es elmismo puente de Wheatstone anterior, alque se le añade un amplificador de señal ala salida.

14.

• Los resortes de ajuste fino y grueso, tambiéndenominados resortes de cero, tienen porobjeto equilibrar el sistema y desplazar elequilibrio hasta un valor prefijado. Los es-fuerzos originados por estos resortes pue-den considerarse aproximadamente lineales.

• La fuerza originada por la magnitud que semide actúa sobre la barra rígida y provocaun desplazamiento de ésta hasta que seconsigue de nuevo el equilibrio. La señal desalida que se obtiene es proporcional a lamagnitud medida.

• La fuerza de realimentación está originadapor la parte de la señal de salida que es de-vuelta a la entrada. En el caso de los trans-misores, esta realimentación es siempre ne-gativa.

La realimentación tiene por objeto aumentarlas fuerzas que intervienen en el equilibrio,aumentar la linealidad del elemento detec-tor y aumentar la ganancia. Los esfuerzosoriginados por la realimentación son propor-cionales a la señal de salida del aparato.

15. El transmisor o detector a dos hilos se deno-mina así porque solamente se necesitan doshilos provenientes del aparato para efectuar latransmisión desde éste hasta el lugar dondese lleva a cabo el control.

16. El oscilador es un circuito capaz de generaruna señal eléctrica periódica de frecuencia va-riable.

El amplificador convertidor transforma lapequeña señal de corriente alterna que pro-cede del oscilador en otra pequeña señal decorriente continua y, de este modo, puede re-gular una corriente continua mayor.

La conversión se lleva a cabo por medio decomponentes electrónicos: transistores, circui-tos integrados...

El detector se encarga de variar la amplitudde la señal del oscilador en función de la señalproveniente del proceso.

17. Un circuito resonante LC es un dispositivoelectromagnético provisto de una bobina in-

80

Rx ReceptorLíneas detransmisión

Transmisorde doshilos

Fuerza originada por la magnitud

que se mide

Fuerza originada

por la realimentación

Resortes de

ajuste

Salida

81

La impedancia total del circuito, Z, dependetanto de los valores L y C, como de la frecuen-cia del circuito.

Cuando el módulo de la reactancia inductiva,XL, es igual al módulo de la capacitiva, XC,se obtiene la frecuencia de resonancia del cir-cuito. Su valor puede deducirse a partir de losvalores de L y C:

XL L

1XC ——

C

1 1XL XC ⇒ L —— ⇒ ———

C √L C

1f —————

2 √L C

Cuando se alcanza la frecuencia de resonan-cia, la impedancia del circuito es máxima y, enconsecuencia, la atenuación de la señal tam-bién lo será.

Si variamos la frecuencia, disminuirá la impe-dancia del circuito y, con ella, la atenuación.Por lo tanto, este tipo de circuitos puede utili-zarse para variar la amplitud de la señal deloscilador.

18.

ductiva, de coeficiente de autoinducción L, yun condensador, de capacidad C.

El funcionamiento de un transmisor electróni-co de presión diferencial es el siguiente:

— Las presiones aplicadas actúan sobre losdiafragmas de alta y baja presión, y sontransmitidas al diafragma de medida. Éstedetecta la diferencia de las dos presiones yla convierte en una fuerza.

— La fuerza ejercida por el diafragma de me-dida es aplicada en la parte inferior del bra-zo de fuerza, con lo que se crea un par defuerzas de entrada en aquél.

— El brazo de fuerza transmite el par al brazode rango y el movimiento de éste desplazala ferrita situada junto a la bobina del circui-to resonante LC, ubicado en la salida deloscilador.

— La señal alterna de salida del detector estransformada en una señal continua en elamplificador convertidor y posteriormentetransmitida hasta el receptor.

En estas condiciones, si se produce un au-mento de la resistencia de carga RX, la inten-sidad que pasa a través de ella disminuirá y,en consecuencia, la tensión también. Para re-solver este problema se utiliza un sistema derealimentación negativa que consta de unabobina provista de núcleo por la que circula laintensidad de salida.

El paso de la intensidad por la bobina despla-za el núcleo convirtiendo, de esta forma, la in-tensidad en una fuerza de realimentación quese aplica al brazo de rango.

El transmisor realimentado funciona del modosiguiente:

— El sistema de realimentación produce unpar sobre el brazo de fuerza que se oponeal par generado por la presión diferencial.Cuando ambos pares tienen igual valor, elsistema está en equilibrio.

— Ambos pares provocan también variacio-nes en la separación entre la bobina detec-

Rx Receptor

Alimentación c.a.CargaOscilador

Detector Amplificadorconvertidor

c.a./c.c.

Brazo defuerza

Punto deapoyo fijo

Punto deapoyo fijo

Brazo de rango

Ajustefino Ajuste

grueso

Baja presión

Altapresión

c.a.c.c.

Rx

Receptor

Alimentación c.a.CargaOscilador

DetectorAmplificadorconvertidor

c.a./c.c.

Brazo de fuerza

Brazo de rango

Ajustefino Ajuste

grueso

Baja presiónAlta presión

Regulador de tensión

Sistema de realimentación

c.a.c.c.

L

C

tora y la ferrita y, por lo tanto, también va-riará la intensidad de la señal de salida,que es la que pasa a través del sistema derealimentación, con lo que se restablecenuevamente el equilibrio del sistema.

Bajo estas condiciones, la intensidad de sali-da es directamente proporcional a la presióndiferencial aplicada. El factor de proporciona-lidad viene fijado por la posición del brazo derango.

La distancia desde el punto de apoyo del bra-zo de fuerza al punto donde la fuerza de reali-mentación es aplicada puede ser ajustadamoviendo el brazo de rango a lo largo del bra-zo de fuerza.

La posición del brazo de rango determina lapresión diferencial necesaria para producir laintensidad máxima de salida.

19. Datos: distancia: 20 mvelocidad: 20 Mbps

Dadas las características de la transmisiónque queremos efectuar, podrían utilizarse elRS-485 o el SCSI, ya que ambos permitentransmitir a la distancia y a la velocidad dadas.Sin embargo, como se trata de transmisiónentre ordenadores, hay que utilizar el SCSI(Small Computer System Interface), que es elestándar definido por la ANSI para el inter-cambio de datos entre un ordenador central yotros ordenadores periféricos.

Para transmitir datos informáticos podemosutilizar diferentes sistemas, dependiendo de la distancia de transmisión y de la veloci-dad a la que queramos transmitir. Estos sis-temas son:

82

EIA - 232 RS - 485 SCSI

Distanciade transmisión

Hasta15 m

Hasta1,2 km

Hasta25 m

Velocidadde transmisión 20 kbps

10Mbps

10Mbps

13. Control mediante circuitos lógicos I

Actividades de aplicación (pág. 329)

1. Suma lógica

• Propiedad idempotente:

a a a

La columna a a coincide con la columnaa. Por tanto, se cumple la propiedad idem-potente de la suma lógica.

• Propiedad asociativa:

a (b c) (a b ) c

Las columnas a (b c ) y (a b ) ccoinciden. Por tanto, se cumple la propiedadasociativa de la suma lógica.

a a a a

1 1 1

0 0 0

a b c b c a b a (b c) (a b) c

1 1 1 1 1 1 1

1 1 0 1 1 1 1

1 0 1 1 1 1 1

1 0 0 0 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1

0 1 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 1 1

0 0 0 0 0 0 0

83

— Comprobación de la propiedad idempoten-te: si sustituimos cualquiera de los interrup-tores por otros dos montados en paralelo ylos accionamos simultáneamente, el circui-to se comportará del mismo modo que siaccionamos sólo el interruptor que hemossustituido.

— Comprobación de la propiedad asociativa:el comportamiento del circuito es el mismoindependientemente de la secuencia deaccionamiento de los interruptores.

— Comprobación de la propiedad conmutati-va: si consideramos dos interruptores cua-lesquiera, el comportamiento del circuitoes el mismo independientemente del ordende accionamiento de los interruptores.

— Comprobación de la propiedad elementoneutro: el comportamiento del circuito cuan-do se abre o se cierra cualquier interruptores independiente de que la solución de con-tinuidad permanezca abierta o se cierremediante un conector.

Producto lógico

• Propiedad idempotente:

a a a

La columna a a coincide con la columna a.Por tanto, se cumple la propiedad idempo-tente del producto lógico.

• Propiedad asociativa:

a (b c ) (a b ) c

Las columnas a (b c ) y (a b ) c coinci-den. Por tanto, se cumple la propiedad aso-ciativa del producto lógico.

• Propiedad conmutativa:

a b b a

Las columnas a b y b a coinciden. Portanto, se cumple la propiedad conmutativade la suma lógica.

• Propiedad elemento neutro:

a 0 a

La columna a 0 coincide con la columnaa. Por tanto, se cumple la propiedad ele-mento neutro de la suma lógica.

Para reproducir las propiedades de la sumalógica por medio de un circuito eléctrico, pue-de efectuarse el montaje siguiente:

a b a b

1 1 1

1 0 1 1

1

b a

0 1 1 1

0 0 0 0

a 0 a 0

1 0 1

0 0 0

a

b

c

a a a a

1 1 1

0 0 0

a b c b c a b a (b c) (a b) c

1 1 1 1 1 1 1

1 1 0 0 1 0 0

1 0 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

0 1 1 1 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

Las columnas a b y b a coinciden. Portanto, se cumple la propiedad conmutativadel producto lógico.

• Propiedad elemento neutro:

a 1 a

• Propiedad conmutativa:

a b b a

— Comprobación de la propiedad elementoneutro: el comportamiento del circuito cuan-do se abre o se cierra cualquier interruptorno varía mientras la solución de continuidadpermanezca cerrada.

2.

3. Función:

F ABC A

BC AB

C

4. Para confeccionar la tabla de verdad, la des-compondremos en tres subtablas, correspon-dientes a cada uno de los sumandos compo-nentes:

84

a b a b

0

1

b a

0 1 0 0

1 1 1

0 0 0 0

1 0 0

a 1 a 1

1 1 1

0 1 0

La columna a 1 coincide con la columna a.Por tanto, se cumple la propiedad elementoneutro del producto lógico.

Para reproducir las propiedades del productológico por medio de un circuito eléctrico, pue-de efectuarse el montaje siguiente:

a b c

— Comprobación de la propiedad idempoten-te: si sustituimos cualquiera de los interrup-tores por otros dos montados en serie y losaccionamos simultáneamente, el circuitose comportará del mismo modo que si ac-cionamos sólo el interruptor que hemossustituido.

— Comprobación de la propiedad asociativa:el comportamiento del circuito es el mismoindependientemente de la secuencia deaccionamiento de los interruptores.

— Comprobación de la propiedad conmutati-va: si consideramos dos interruptores cua-lesquiera, el comportamiento del circuitoes el mismo independientemente del ordende accionamiento de los interruptores.

Funció Ecuación lógica Puerta lógica

AND F A B AB

OR F A B

NOT F A

NAND F A B

AB

NOR F A

B

ORex F AB

AB A B

AB F

AB F

A F

AB F

AB F

FAB

ABC

F

AA B C

ABC

1 0 1 1 0

1 0 1 0 0

1 0 0 1 0

1 0 0 0 0

0 1 1 1 1

0 1 1 0 0

0 1 0 1 0

0 1 0 0 0

85

Combinamos los resultados de las tablas an-teriores y obtenemos la tabla de verdad de lafunción:

5. Escribimos inicialmente la función como sumade los términos canónicos para los cuales lafunción adopta valor 1:

F A

BC

AB

C A

B

C ABC

Para simplificar la función podemos recurrir alos diagramas de Karnaugh o emplear las pro-piedades de la suma y el producto lógicos.

a) Si utilizamos un diagrama de Karnaugh, re-sulta:

Como puede apreciarse, no existen célulasadyacentes ni en el interior de la tabla nientre los extremos, tanto superior como in-ferior, por lo que no es posible simplificar lafunción.

b) Si utilizamos las propiedades de la suma yel producto lógicos, tenemos:

F A

BC

AB

C A

B

C ABC

Entre el primero y el segundo sumandos,podemos sacar factor común

A, y entre el

tercero y el cuarto, A, con lo que resulta:

F A (

BC B

C) A (

B

C BC)

Pero no es posible efectuar ninguna simpli-ficación en los paréntesis ni volver a sacarfactor común, por lo que no es posible sim-plificar la función.

6. El circuito muestra un interruptor cerrado (querepresenta la variable

A) y otros tres abiertos

(que representan las variables B, C y D, res-pectivamente).

— B y C están montados en paralelo, por tan-to representan la suma lógica B C.

— El conjunto B-C está montado en serie con

A, luego representa el producto lógico

A (

BC).

— El grupo A-B-C está montado en paralelocon D, luego la función representada es:

F A (B C) D

A BB C A

BC

1 1 0 1 0

1 1 0 0 1

1 0 1 1 0

1 0 1 0 0

0 1 0 1 0

0 1 0 0 0

0 0 1 1 0

0 0 1 0 0

A B CC AB

C

1 1 1 0 0

1 1 0 1 1

1 0 1 0 0

1 0 0 1 0

0 1 1 0 0

0 1 0 1 0

0 0 1 0 0

0 0 0 1 0

A B CABC A

BC AB

C F

1 1 1 0 0 0 0

1 1 0 0 0 1 1

1 0 1 0 1 0 1

1 0 0 0 0 0 0

0 1 1 1 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

ABC 0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 1 0 1

1 1 0 1 0

7. F ABCD ABCD

A

B

C

D

A

B

CD

Entre el primero y el segundo sumandos, po-demos sacar factor común ABD, y entre el ter-cero y el cuarto,

A

B

C. Así:

F ABD (C C)

A

B

C (

D D)

Teniendo en cuenta que la suma lógica de unelemento con su complementario es igual alelemento neutro, resulta:

F ABD 1 A

B

C 1

Y considerando la propiedad elemento neutrodel producto lógico, la expresión queda así:

F ABD A

B

C

8. Un diagrama de Karnaugh para una funciónde cuatro variables, A, B, C y D, deberá dispo-ner de 24 16 celdas.

La tabla de verdad es la siguiente: Las celdas se distribuyen en una cuadrículade 4 4.

— En la cabecera horizontal superior se re-presentan todos los posibles valores delproducto AB, de modo que los cuadrossean adyacentes. Así pues, escribiremos00, 01, 11 y 10, que representan los térmi-nos

A

B,

AB, AB y A

B, respectivamente.

— En la cabecera vertical izquierda se re-presentan todos los posibles valores delproducto CD, de modo que los cuadrostambién sean adyacentes. Así pues, escri-biremos 00, 01, 11 y 10, que representanlos términos

C

D,

CD, CD y C

D, respectiva-

mente.De este modo, obtenemos un diagrama en elque quedan representados todos los términoscanónicos de una función de cuatro variables:

Como puede apreciarse, todas las celdas sonadyacentes, es decir, sólo varía el valor deuna variable al pasar de una a otra, tanto enhorizontal como en vertical, y tanto en el inte-rior de la tabla como en sus extremos.

9. El diagrama anterior, aplicado a la función

F ABCD ABCD

A

B

CD

A

B

CD

daría el resultado siguiente:

Se observa que pueden formarse dos agru-pamientos de dos celdas: uno en la primeracolumna y otro en la tercera.

86

A B C DA B C

A (B C) F

1 1 1 1 0 1 0 1

1 1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 1 0 1 0 1

1 1 0 0 0 1 0 0

1 0 1 1 0 1 0 1

1 0 1 0 0 1 0 0

1 0 0 1 0 0 0 1

1 0 0 0 0 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1 1

0 1 1 0 1 1 1 1

0 1 0 1 1 1 1 1

0 1 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 1 1

0 0 1 0 1 1 1 1

0 0 0 1 1 0 0 1

0 0 0 0 1 0 0 0

ABCD 0 0 0 1 1 1 1 0

0 0A

B

C

D

AB

C

D AB

C

D A

B

C

D

0 1A

B

CD

AB

C D AB

CD A

B

CD

1 1A

BCD

A BCD ABCD A

BCD

1 0A

BC

D

A BC

D A BC

D A

BC

D

ABCD 0 0 0 1 1 1 1 0

1 1 0 0 1 0

0 0 1 0 0 0

1 0 0 0 0 0

0 1 1 0 1 0

87

— El grupo de la primera columna representa los términos

A

B

C

D y

A

B

CD. Se observa

que la variable que cambia es la D, por loque puede suprimirse, y queda

A

B

C.

— El grupo de la tercera columna representa los términos AB

CD y ABCD. En este caso,

la variable que cambia es la C, por lo quetambién pueden suprimirse y queda ABD.

La función simplificada resulta, pues, igual a laobtenida en el ejercicio 7:

F A

B

C ABD

En el caso de una función de cuatro variables,el proceso de simplificación es más corto utili-zando las propiedades de las operaciones ló-gicas.

Sin embargo, el diagrama de Karnaugh permi-te efectuar la simplificación de una maneramecánica, sin tener que recordar las propieda-des.

10.

11. Diferencia estructural:

• El semisumador dispone sólo de dos en-tradas por las que se introducen los bits quese han de sumar.

• El sumador total dispone de tres entradas:por las dos primeras se introducen los bitsque se suman y, por la tercera, el acarreoprocedente de la etapa anterior.

Diferencia de funcionamiento:

• El semisumador sólo permite la suma deuna etapa, es decir, de un orden de unida-des.

• El sumador total permite la suma de variasetapas, es decir, de varios órdenes de uni-dades, ya que permite acumular el acarreode una etapa en la siguiente.

12. Para sumar las informaciones binarias 1001 y1100 necesitaremos cuatro sumadores tota-les, uno para cada etapa.

— Por las entradas A1 y B1 del primero se in-troducen los bits de primer orden (1 y 0).Por la salida S1 aparecerá la cifra 1 (dígi-to de la suma) y por la C1, la cifra 0 (acarreode la etapa).

— Por las entradas A2 y B2 del segundo se in-troducen los bits de segundo orden (0 y 0)y por la entrada C1, el acarreo de la etapaanterior (0). Por la salida S2 aparecerá lacifra 0 (dígito de la suma) y por la C2, la ci-fra 0 (acarreo de la etapa).

— Por las entradas A3 y B3 del tercero se in-troducen los bits de tercer orden (0 y 1) ypor la entrada C2, el acarreo de la etapaanterior (0). Por la salida S3 aparecerá lacifra 1 (dígito de la suma) y por la C3, la ci-fra 0 (acarreo de la etapa).

— Por las entradas A4 y B4 del cuarto se intro-ducen los bits de cuarto orden (1 y 1) y porla entrada C3, el acarreo de la etapa ante-rior (0). Por la salida S4 aparecerá la cifra 0(dígito de la suma) y por la C4, la cifra 1(acarreo de la etapa).

El resultado final de la suma estará formadopor el acarreo de la última etapa seguido delos dígitos correspondientes a las etapas cuar-ta, tercera, segunda y primera. La suma será:

1001 1100 10101

13. Un codificador decimal es un circuito combi-nacional capaz de convertir señales proce-dentes de un sistema decimal en su combina-ción binaria correspondiente.

Los codificadores decimales disponen de 10entradas (una para cada dígito decimal) y de 4 salidas, de modo que se cumple la ecuación2n N, donde N es el número de entradas yn, el de salidas, ya que:

n.° combinaciones → 24 16 10 →→ n.° entradas

ABC

F

D

A B C

M

A B D

V O

abcdefg

A

B

C

D

C3

AB

AB

AB

AB

C2

C1

C1

S1

C2

S2

C3

S3

C4

S4

abcdefg

A

B

C

D

abcdefg

A

B

C

D

C3

AB

AB

AB

AB

C2

C1

C1

S1

C2

S2

C3

S3

C4

S4

abcdefg

A

B

C

D

Por el contrario, un decodificador BCD/7 seg-mentos es un circuito combinacional cuya misión es convertir todas las combinacionesbinarias pertenecientes a un código determi-nado en su correspondiente equivalencia en elsistema decimal. Además, disponen de un vi-sualizador que permite representar cada valordecimal en una pantalla formada por siete seg-mentos por dígito.

Los decodificadores BCD/7 segmentos dispo-nen de 4 entradas y de 7 salidas, de modo queen ellos también se cumple la ecuación 2n N,sólo que ahora n es el número de entradas y N,el de salidas:

n.° combinaciones → 24 16 7 →→ n.° salidas

El funcionamiento de este dispositivo es el si-guiente: cuando se presenta una determinadacombinación binaria a la entrada, el decodifi-cador excita las salidas de los segmentos queconfiguran el dígito que representa el valor de-cimal correspondiente, según se indica en latabla siguiente.

Cada cifra decimal que se activa en la entradatendrá su combinación binaria correspondien-te a la salida del codificador, según la tabla deverdad siguiente:

Como puede observarse, ambos circuitos com-binacionales operan de forma inversa, de modoque las entradas de uno corresponden siemprea las salidas del otro, y viceversa.

14. Para poder sumar números enteros entre el 0y el 9, hemos de expresarlos previamente encódigo binario, tal y como se indica a conti-nuación:

0 0000(2 1 0001(2 2 0010(2

3 0011(2 4 0100(2 5 0101(2

6 0110(2 7 0111(2 8 1000(2

9 1001(2

En consecuencia, necesitaremos cuatro su-madores totales, cada uno de los cuales seencargará de sumar una de las etapas, es de-cir, uno de los órdenes de unidades.

88

Entradas Salidas

Denominación Dígito A B C D

E0 0 0 0 0 0

E1 1 0 0 0 1

E2 2 0 0 1 0

E3 3 0 0 1 1

E4 4 0 1 0 0

E5 5 0 1 0 1

E6 6 0 1 1 0

E7 7 0 1 1 1

E8 8 1 0 0 0

E9 9 1 0 0 1

A B C D Salidas excitadas

0 0 1 0 a-b-d-e-g

0 0 0 0 a-b-c-d-e-f

0 0 1 1 a-b-c-d-g

0 0 0 1 b-c

3

2

1

0

Dígito

0 1 0 0 b-c-f-g 4

0 1 0 1 a-c-d-f-g 5

0 1 1 0 a-c-d-e-f-g 6

0 1 1 1 a-b-c 7

1 0 0 0 a-b-c-d-e-f-g 8

1 0 0 1 a-b-c-d-f-g 9

Sumador 4

Sumador 3

Sumador 2

Decod.

Dec

enas

Uni

dade

s

Decod.

Sumador 1

89

— El primer sumador se encarga de sumarlas cifras de primer orden. Por la salida S1aparecerá el dígito de la suma y por la C1,el acarreo de la etapa.

— El segundo sumador se encarga de sumarlas cifras de segundo orden más el acarreode la primera etapa. Por la salida S2 apare-cerá el dígito de la suma y por la C2, el aca-rreo de la etapa.

— El tercer sumador se encarga de sumar lascifras de tercer orden más el acarreo de lasegunda etapa. Por la salida S3 apareceráel dígito de la suma y por la C3, el acarreode la etapa.

— Finalmente, el cuarto sumador se encargade sumar las cifras de cuarto orden más elacarreo de la tercera etapa. Por la salida S4aparecerá el dígito de la suma y por la C4,el acarreo de la etapa.

El resultado final de la suma estará forma-do por el acarreo de la última etapa seguidode los dígitos correspondientes a las etapascuarta, tercera, segunda y primera, lo que sig-nifica que puede llegar a tener hasta cinco dí-gitos, ya que:

9 9 18 10010(2

Para visualizar el resultado necesitamos undecodificador BCD/7 segmentos, que irá co-nectado a las cuatro salidas de los sumado-res, S1, S2, S3 y S4 del modo siguiente:

S1 → D S2 → C S3 → B S4 → A

De este modo, el display nos permitirá visuali-zar la cifra de las unidades de la suma, deacuerdo con la tabla que aparece en el ejerci-cio anterior.

Para poder visualizar, además, la cifra de las de-cenas, necesitamos otro decodificador BCD/7segmentos cuya entrada D irá conectada a lasalida C4, correspondiente al acarreo de la últi-ma etapa.

— Cuando en la salida C4 aparezca bit 0, éstese transmitirá a la entrada D. Como el restode entradas no están conectadas, todasellas reflejarán bit 0. Según la tabla delejercicio anterior, se excitarán las salidasa-b-c-d-e-f y en el display se podrá visuali-zar la cifra 0.

— Cuando en la salida C4 aparezca bit 1, éstese transmitirá a la entrada D. Como el restode entradas siguen sin estar conectadas,todas ellas reflejarán bit 0. Según la tabladel ejercicio anterior, se excitarán las sali-das b-c y en el display se podrá visualizarla cifra 1.

De este modo, el conjunto formado por los dosdisplays reflejará fielmente el resultado de lasuma.

15. Los multiplexores son circuitos combinaciona-les que se utilizan cuando es necesario selec-cionar la información procedente de diferentesterminales de modo que, por la salida, se ob-tenga una única información.

El dispositivo en cuestión consta de 4 termina-les de entrada, por lo que será necesario quedisponga de dos entradas de mando y unaúnica salida de información, para que se cum-pla la ecuación 2n N, donde n es el númerode entradas de mando y N, el número de en-tradas de información.

Los terminales de entrada, a los que deno-minaremos A, B, C y D, proporcionan una se-ñal en código binario, es decir, 0 ó 1.

Las entradas de control, que reciben el nom-bre de n 1 y n 2, seleccionan el terminal de en-trada por medio de una combinación de seña-les binarias y la transmiten a la salida, deacuerdo con el criterio siguiente:

— Cuando la combinación (n1,n2) es (0,0), seselecciona el terminal A.

— Cuando la combinación (n1,n2) es (0,1), seselecciona el terminal B.

— Cuando la combinación (n1,n2) es (1,0), seselecciona el terminal C.

— Cuando la combinación (n1,n2) es (1,1), seselecciona el terminal D.

La salida, a la que denominaremos S, trans-mite la señal seleccionada.

Para confeccionar la tabla de verdad de estemultiplexor hay que tener en cuenta las 16 com-binaciones que se producen en los termina-les de entrada y las cuatro de los órganos demando:

90

A B C D n1 n2 S

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 1 0

0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 0 1 0

0 0 0 1 1 0 0

0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 1 0

0 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 1 0

0 0 1 1 0 0 0

0 0 1 1 0 1 0

0 0 1 1 1 0 1

0 0 1 1 1 1 1

0 1 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 1 1

0 1 0 0 1 0 0

0 1 0 0 1 1 0

0 1 0 1 0 0 0

0 1 0 1 0 1 1

0 1 0 1 1 0 0

0 1 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 0 0

0 1 1 0 0 1 1

0 1 1 0 1 0 1

0 1 1 0 1 1 0

0 1 1 1 0 0 0

0 1 1 1 0 1 1

0 1 1 1 1 0 1

0 1 1 1 1 1 1

A B C D n1 n2 S

1 0 1

1 0 0 0 0 0 1

0 0 1

1 0 0 0 0 1 0

0

1 0

1 0 0 0 1 0 0

1 0 1

1 0 0 0 1 1 0

0 1

1

1 0 0 1 0 0 1

0 1 0

1 0 0 1 0 1 0

1 1 0

1 0 0 1 1 0 0

1 0 0 1 1 1 1

1 0 1 0 0 0 1

1 0 1 1 0 0 1

1 0 1 1 0 1 0

1 0 1 1 1 0 1

1 0 1 1 1 1 1

1 1 0 0 0 0 1

1 1 0 0 0 1 1

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 1 0

1 1 0 1 0 0 1

1 1 0 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0 0

1 1 0 1 1 1 1

1 1 1 0 0 0 1

1 1 1 0 0 1 1

1 1 1 0 1 0 1

1 1 1 0 1 1 0

1 1 1 1 0 0 1

1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 1

1 1 1 1 1 1 1

91

Como puede apreciarse en la tabla, el bit queaparece en la salida S coincide con el que en-tra por la señal seleccionada por los órganosde mando.

16. La respuesta dependerá del multiplexor selec-cionado por los alumnos. En todo caso, seofrece un modelo de respuesta.

Selector de canal de un televisor

A través de la entrada de antena, el televisorrecibe multitud de señales, A, B, C, D... proce-dentes de cada uno de los canales que emiten.El selector de canales dispone de un númerodeterminado de preselecciones de canal, cadauna de las cuales corresponde a una deter-minada combinación de bits del órgano demando.

En función del número de preselecciones, elórgano de mando dispondrá de un determina-do número de entradas, ya que debe cumplir-se la ecuación:

2n N

En este caso, n es el número de entradas demando y N, el número de preselecciones de fre-cuencia.

Así, el órgano de mando de un televisor quedisponga de 30 presintonías ha de tener cincoentradas de mando, o lo que es lo mismo, laseñal de preselección deberá tener cinco dígi-tos, ya que:

n.° combinaciones → 25 32 30 →→ n.° presintonías

Cuando se oprime el botón de una de las pre-sintonías, las entradas de control introducenen el multiplexor la combinación correspon-diente a la emisora seleccionada. Éste envíala frecuencia correspondiente a la salida y po-demos ver el programa a través de la pantalladel televisor.

Cuando oprimimos otro botón distinto, cam-biamos la combinación de control y el multi-

plexor envía a la salida la frecuencia de otraemisora, con lo cual cambiamos de programa.

17. Para determinar la tabla de verdad, partiremosdel supuesto que la bombilla permanece apa-gada para una determinada combinación delas variables A y B. Por simplicidad, supondre-mos que esta combinación es 00.

Si la bombilla puede encenderse desde cual-quier posición y apagarse desde ésta o la otra, esto significa que un cambio de cualquie-ra de las dos variables determina un cambiodel valor de la función y el cambio simultáneode ambas no comporta ningún cambio de lafunción.

En consecuencia, la tabla de verdad es:

Escribimos la función como suma de los tér-minos canónicos para los cuales la funciónadopta valor 1.

F AB A

B

Pero, de acuerdo con la definición de las fun-ciones lógicas elementales, esta expresióncorresponde a la función ORex. Por tanto:

F A B

El logigrama de la función es, pues:

A B F

0 0 0

0 1 1

1 1 0

1 0 1

F

A

B

Actividades de aplicación (pág. 351)

1. En los circuitos combinacionales, las sali-das dependen del estado de las entradas encada instante. En consecuencia, las salidasson independientes del tiempo.

En cambio, en los circuitos secuenciales,las salidas dependen del estado anterior enque se encontraban y del estado actual de lasentradas.

Estos sistemas tienen la propiedad de poderalmacenar una información de forma indefini-da, ya que son capaces de almacenar los es-tados de las salidas y convertirlos en variablesinternas del sistema.

2. La tabla de verdad del biestable JK será:

Escribimos la ecuación lógica de la funcióncomo suma de los términos canónicos paralos cuales la función adopta valor 1. Así pues:

Qt 1 J

KQt J

KQt J

KQt JK

Qt

Para simplificar la función obtenida, utilizamosun diagrama de Karnaugh:

Se observa que pueden formarse dos agrupa-mientos de dos celdas: uno en la primera fila yotro entre el origen y el extremo de la segunda.

— El grupo de la primera fila representa los términos JK

Qt y J

KQt. Se observa que la

variable que cambia es la K, por lo quepuede suprimirse, y queda

JQt.

— El grupo de la segunda fila representa los términos

J

KQt y J

KQt. En este caso, la va-

riable que cambia es la J, por lo que tam-bién pueden suprimirse y queda

KQt.

La función simplificada resulta ser:

Qt 1 JQt

KQt

3. El número de impulsos N que es posible con-tar con un contador determinado dependerádel número de salidas n de que disponga éste,es decir, del número de biestables conectadosal contador. En todo caso, deberá cumplirse laecuación:

2n N

Por tanto, para que un contador sea capaz decontar hasta 20, se ha de cumplir:

2n 20 ⇒ n log2 20 ⇒ n 4,32

Como n ha de ser un número entero, el núme-ro mínimo de biestables que hay que conectaral contador es 5.

4. Para que un contador sea capaz de contar5 000 impulsos, se ha de cumplir:

2n 5 000 ⇒ n log2 5 000 ⇒ n 12,29

Como n ha de ser un número entero, el núme-ro mínimo de salidas del contador es 13.

Para conocer el número máximo de impulsosque será capaz de contar este contador, bastaaplicar de nuevo la fórmula:

2n N ⇒ N 213 ⇒ n 8 192

El número máximo de impulsos que será capazde contar un contador con 13 salidas es 8 192.

5. Si consideramos que el LED encendido signi-fica bit 1 y que el LED apagado significa bit 0,el estado de los LED representa el número binario:

1 0 0 1 0 1

92

14. Control mediante circuitos lógicos II

J(puesta a 1)

K(puesta a 0)

Qt (estadoanterior)

Qt 1

(salida)

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 0

JKQt

0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 0 1 1

1 1 0 0 1

93

Pasamos este valor a sistema decimal y obte-nemos el número que ha contado el contador:

100101(2

1 25 0 24 0 23 1 22 0 2 1

32 0 0 4 0 1 37

El número que ha contado el contador es el 37.

6. Si un contador dispone de 9 salidas, podrácontar un número de impulsos que viene dadopor la expresión:

2n N ⇒ N 29 ⇒ N 512

Para poder visualizar números en sistema de-cimal hasta el 512, el display del decodificadordeberá disponer de una pantalla con tres dí-gitos.

7. Las memorias RAM o memorias de accesoaleatorio (Random Access Memory) son me-morias de lectura-escritura, lo que significaque pueden facilitar información acerca de sucontenido (lectura) o puede grabarse nuevainformación sobre ella (escritura).

En cambio, las memorias ROM o memoriasde sólo lectura (Read Only Memory), facilitaninformación acerca de su contenido que estápregrabado, pero no puede grabarse ningunanueva información sobre ellas.

8. Por la tecnología empleada en su fabricación,las memorias se clasifican en tres grandes gru-pos: magnéticas, semiconductoras y ópticas.

• Las memorias magnéticas se basan en laimantación de las partículas metálicas exis-tentes en la superficie de un disco o una cin-ta. Los soportes habituales de este tipo dememorias son las cintas magnéticas, losdiscos duros, los disquetes y las unidadesZIP y JAZ.

• Las memorias semiconductoras están for-madas por una matriz de células de memo-ria que incorporan un semiconductor (diodoo transistor bipolar), fabricado a base de sili-cio y otros materiales semiconductores. Laprogramación de las células se efectúa pormedio de impulsos eléctricos o utilizando rayos ultravioleta. En este grupo se encuen-tran las memorias RAM y todas las varieda-

des de memorias ROM (PROM, EPROM,EEPROM y FLASH).

• Las memorias ópticas llevan a cabo la lec-tura de la información por medio de un hazde láser. En este grupo se incluyen todaslas variedades de discos ópticos, como losWORM, EDOD y los conocidos CD-ROM.

9. En principio se trata de memorias de sólo lec-tura. La diferencia fundamental radica en laposibilidad o no de modificar la información,utilizando la tecnología adecuada y en el tiem-po de respuesta.

• Las memorias ROM (Read Only Memory)vienen programadas por el fabricante. Unavez grabadas, la información ya no puedemodificarse de ninguna manera.

• Las memorias PROM (Programmable ReadOnly Memory) suponen un avance, ya que la información es introducida por el usuario,en lugar de por el fabricante. Pero, como lasanteriores, una vez programadas, la infor-mación ya no puede modificarse de ningúnmodo.

• Las memorias RPROM (ReprogrammableRead Only Memory) constituyen un impor-tante avance respecto a las PROM. Comoen éstas, la información es introducida en la memoria por el usuario pero, a diferenciade ellas, esta información puede borrarseutilizando rayos ultravioleta, de modo que lamemoria resulta así reprogramable.

• Las memorias FLASH son una variante delas RPROM, ya que emplean impulsos eléc-tricos en lugar de rayos ultravioleta para elproceso de reprogramación. Además, resul-tan mucho más rápidas de acceso y de res-puesta. De ahí su nombre.

10. El proceso de programación de una memoriaPROM es el siguiente:

— El fabricante del soporte físico de la memo-ria suministra la matriz con los puntos aco-plados por medio de semiconductores enserie con fusibles.

— Para programar la información, se selec-cionan, uno a uno, los puntos de la matrizen los que se desea introducir un bit 0, pormedio de la fila y la columna correspon-dientes.

— Se introduce por la línea un impulso eléctri-co de suficiente intensidad como para quefunda el fusible. De este modo, el semicon-ductor (diodo o emisor del transistor bipo-lar) queda aislado y sin posibilidad de con-ducir.

Por tanto, cuando se proceda a su lectura,como no permite el paso de corriente, nosdará bit 0.

Como una vez fundido el fusible es imposi-ble volver a reponerlo, la información quedarágrabada de forma permanente en la memoria.

La operación de grabado la efectúa el usuariopor medio de un dispositivo denominado gra-bador de memoria.

11. Datos: Disco duro: 5 GbDisquete: 1,44 MbUnidad ZIP: 100 MbDisco óptico: 230 MbCD-ROM: 600 Mb

— Para determinar la equivalencia entre eldisco duro y los disquetes convencionalesdividimos los respectivos valores de me-moria:

1 disco duro

1 024 Mb 1 disquete 5 Gb ————— —————

1 Gb 1,44 Mb

3 555,55 disquetes

La memoria del disco duro equivale a 3 556disquetes.

— Para determinar la equivalencia entre launidad ZIP o el disco óptico y los disquetesconvencionales, procederemos del mismomodo:

1 disquete1 Unidad ZIP 100 Mb —————

1,44 Mb 69,44 disquetes

1 disco óptico

1 disquete 230 Mb —————

1,44 Mb

159,72 disquetes

Una unidad ZIP puede sustituir a 70 disque-tes convencionales y un disco óptico, a 160.

— Para transportar un fichero de 800 kb bastautilizar un disquete convencional (1,44 Mb)aunque también puede utilizarse una uni-dad ZIP o un disco óptico. El CD-ROM que-da descartado, ya que se trata de un soportede memoria de sólo lectura y, en consecuen-cia, no se podría modificar posteriormente elfichero transportado.

Para transportar un archivo de 56 Mb pue-de utilizarse una unidad ZIP (100 Mb) obien un disco óptico (230 Mb). Los dis-quetes convencionales quedan descarta-dos por el elevado número que sería nece-

56 Mbsario ———— 39. El CD-ROM tam-

1,44 Mbbién se descarta por la misma razón expre-sada en el apartado anterior.

Para transportar un programa informáti-co de 600 Mb se necesita un CD-ROM(600 Mb).También podrían utilizarse unida-des ZIP (seis como mínimo) o discos óp-ticos (tres como mínimo), siempre que elprograma admitiera su fragmentación endiferentes archivos. Los disquetes quedandescartados por el elevado número que

600 Mbsería necesario ———— 417 y por-

1,44 Mbque probablemente el programa no admi-tiría tan gran fragmentación.

— Para importar un programa de 160 Mb pue-de utilizarse un disco óptico (230 Mb) oun CD-ROM (600 Mb). También podríanutilizarse unidades ZIP (dos como mínimo),siempre que el programa admitiera su frag-mentación en diferentes archivos. Los dis-quetes quedan descartados por el eleva-

160 Mbdo número que sería necesario ————

1,44 Mb 112) y porque probablemente el programano admitiría una fragmentación tan grande.

— Para exportar un programa de 200 Mb pue-de utilizarse un disco óptico (230 Mb) o unCD-ROM (600 Mb). También podrían uti-lizarse unidades ZIP (tres como mínimo),siempre que el programa admitiera su frag-mentación en diferentes archivos. Los dis-quetes quedan descartados por el elevado

200 Mbnúmero que sería necesario ————

1,44 Mb 139) y porque probablemente el pro-

94

95

grama no admitiría una fragmentación tangrande.

12. Definimos las variables del sistema:

— A es la variable que permite la apertura dela puerta.

— C es la variable que permite el cierre de lapuerta.

— F representa el estado anterior de la puer-ta: 0 significa cerrada y 1, abierta.

— F es la función que queremos definir.

De acuerdo con el enunciado del problema, enel punto de partida la puerta puede estar abier-ta o cerrada. Por tanto, la tabla de verdad será: Se observa que pueden formarse dos agrupa-

mientos de dos celdas: uno en la primera fila yotro entre el origen y el extremo de la segun-da.

— El grupo de la primera fila representa lostérminos AC

F y A

C

F Se observa que la va-

riable que cambia es la C, por lo que puede suprimirse, y queda A

F.

— El grupo de la segunda fila representa lostérminos

A

CF y A

CF En este caso, la va-

riable que cambia es la A, por lo que tam-bién pueden suprimirse y queda

CF.

La función simplificada resulta ser:

F AF

CF

Escribimos la ecuación lógica de la funcióncomo suma de los términos canónicos paralos cuales la función adopta valor 1. Así pues:

Qt 1 A

CF A

C

F A

CF AC

F

Para simplificar la función obtenida, utilizamosun diagrama de Karnaugh:

A(apertura)

C(cierre)

F (estadoanterior)

F

(resultado)

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 0

ACF 0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 0 1 1

1 1 0 0 1

15. Control programado

Actividades de aplicación (pág. 377)

1. En un sistema de control en lazo cerrado exis-te una relación entre la respuesta del sistemay las variables de entrada, de modo que el sis-tema tiende a mantener una relación estable-cida inicialmente entre dos variables: la varia-ble de referencia y la respuesta del sistema.

— La variable de referencia se fija externa-mente y nos indica cuál ha de ser la res-puesta teórica que ha de alcanzar el pro-ceso.

— La respuesta del sistema es la que real-mente se produce.

Un sistema de control en lazo cerrado constade varios elementos: los detectores, los com-paradores, los accionadores y el proceso pro-piamente dicho.

— La información que utiliza el sistema decontrol es recogida por un conjunto de ele-

Comparador Accionador Proceso

Detectores

mentos denominados detectores, que lapreparan o la transforman adecuadamentey la remiten al comparador.

Esta información que se recoge es el resul-tado de una serie de cambios físicos quetienen lugar como consecuencia de la fun-ción para la que se diseñó la máquina o elproceso.

— El comparador se encarga de procesar lainformación recibida y de generar unas ór-denes que se transmiten a la máquina o alproceso a través de accionadores o actua-dores.

— Los accionadores transforman las órde-nes recibidas en magnitudes o cambios fí-sicos en el sistema mediante una aporta-ción de potencia.

— Por otra parte, el comparador es capaz deproporcionar información ya elaborada so-bre el estado y evolución del sistema, inter-venir en el desarrollo del control mediantela modificación de los parámetros de con-trol o tomar el mando total pasando el sis-tema a control manual.

2. Las tecnologías cableadas se denominanasí porque los elementos que constituyen elsistema de control están relacionados entre sípor medio de uniones físicas.

La forma en que se establecen dichas unionesse determina a través de la experiencia o porun planteamiento teórico en el que se empleanlas ecuaciones lógicas. Los circuitos o esque-mas son aplicables a dispositivos neumáticos,hidráulicos, eléctricos o electrónicos.

La tecnología cableada ha sido y sigue siendoextensamente empleada en la industria, peropresenta ciertos inconvenientes:

— En general, ocupa mucho espacio, sobretodo las aplicaciones hidráulicas y neumá-ticas.

— Se trata de tecnología de programación rí-gida, es decir, resulta poco flexible a lahora de efectuar modificaciones o amplia-ciones.

— La identificación y la resolución de averíaspueden resultar difíciles.

— No se adapta a funciones de control com-plejas.

Frente a ellas, las tecnologías programadasaprovechan las posibilidades de desarrolloque ofrecen los circuitos digitales, muy abun-dantes en la actualidad.

3. Las principales ventajas de los circuitos inte-grados son:

— La sencillez de diseño, ya que no se precisaninguna herramienta específica para éste.

— Su velocidad elevada.

— El bajo coste de fabricación.

Sus inconvenientes son:

— Se trata de una opción rígida, lo que signi-fica que cualquier modificación en los plan-teamientos del problema comportará la ne-cesidad de un nuevo diseño de circuito.

— El tamaño del circuito, que aumenta con-forme lo hace la complejidad del proce-so de control, lo que incrementa la posibi-lidad de error.

4. Para comprender las analogías y las diferen-cias entre los dos dispositivos, describiremosprimero la memoria PROM y, a partir de ella,analizaremos los cambios que se introducenen una FPLA.

Las memorias PROM (Programmable ReadOnly Memory o memoria programable de sólolectura) se designan con algoritmos tales como4 3 1 K, 16 3 4 K, etc. La primera cifra designael número de palabras (unidades de memoriaformadas por un conjunto determinado de bits)que puede albergar la memoria, y la segunda,el número de bits de cada palabra. El productode ambas cifras indica el número de bits dememoria disponibles en la PROM.

Están constituidas por un amplificador de en-trada, un decodificador, una matriz de memo-ria y un amplificador de salida.

96

A0A1A2

An

O0O1O2

Om

A0A1A2

An

O0O1O2

Om

1 0 11 1 0

1 0 0

Amplificador Matrizde memoria

Decodificador Amplificadorde salida

97

El amplificador de entrada dispone de dossalidas para cada una de las variables: unanegada y otra sin negar. Cada una de estassalidas corresponde con una entrada del de-codificador.

El decodificador de direcciones nos permi-te acceder a cualquier posición de memoria.Se comprende por qué se llaman de accesoaleatorio, ya que basta seleccionar una línea yuna columna para acceder a una posición.Como en este dispositivo se cumple la ecua-ción 2n N, donde n es el número de entra-das y N, el de salidas, el número de posicio-nes de memoria a las que podemos accederdependerá de las características del decodifi-cador.

La matriz de memoria es propiamente la me-moria, donde se almacenan y se escriben losdatos que nos interesan.

Cada célula de memoria está formada por undiodo semiconductor (o el emisor de un tran-sistor bipolar) en serie con un fusible.

— Si el fusible no está fundido, permite el pasode la corriente (no ofrece resistencia) y lacélula registra un bit 1.

— Por el contrario, cuando está fundido, impi-de el paso de la corriente (ofrece resisten-cia) y la célula registra un bit 0.

El amplificador de salida nos permite, poruna parte, preparar la memoria para leer opara escribir y, por otra, adaptar los niveles defuncionamiento de la memoria al exterior.

Las FPLA (Field Programmable Logic Array omatriz lógica programable por el usuario) sedesignan con un algoritmo similar al empleadopara las PROM (por ejemplo, 48 3 8 K).

Así, en una primera aproximación podemosdecir que una FPLA es una PROM de peque-ña capacidad, pero con una diferencia fun-damental en la estructura de entrada: el de-codificador viene sustituido por una matrizprogramable, ya que no se necesita un deco-dificador capaz de seleccionar todas las posi-ciones de memoria.

El amplificador de entrada, la matriz de me-moria y el amplificador de salida son se-mejantes a los empleados en las memoriasPROM.

La matriz programable dispone de entradasy salidas para cada fila y cada columna.

— Las filas corresponden a las salidas delamplificador de entrada, como ya hemosindicado.

— Las columnas están conectadas, a travésde una resistencia, a una tensión en corrien-te continua, que es la que se va a utilizarpara efectuar la programación.

Cada punto que se representa en la matriz pro-gramable corresponde a la unión de una filacon una columna. En realidad, no se trata dedos conductores que se tocan, sino de una pro-puesta semejante a la utilizada en las memo-rias PROM (semiconductor unido en serie conun fusible). En este caso, el semiconductor esun transistor multiemisor.

5. El mecanismo de programación de una FPLAes muy semejante al que se emplea en lasmemorias PROM, en lo que se refiere a la se-lección de la posición objeto de grabación.

— Se selecciona el punto que se desea progra-mar, mediante la línea y la columna corres-pondientes.

— Se introduce por la línea un impulso eléc-trico de intensidad lo suficientemente altacomo para que funda el fusible. De esta for-ma, el emisor del semiconductor quedaaislado y sin posibilidad de conducir.

Por tanto, cuando la entrada correspondientetenga el fusible fundido, no existirá en la salidade la puerta AND.

Como ocurre en las memorias PROM, una vezfundido el fusible es imposible volver a repo-nerlo. Por tanto, la información quedará graba-da para siempre en la FPLA.

6. La estructura básica de un ordenador pro-puesta por Von Neumann incorpora varios ele-

A0A1A2

An

O0 O1 O2 Om

1 0 11 1 0

1 0 0

A0A1A2

An

O0 O1 O2 Om

1 0 11 1 0

1 0 0

Matriz programable

Matrizde memoria

Amplificador de salida

Am

plifi

cado

rde

ent

rada

mentos: la CPU, la unidad de control, la uni-dad de memoria y la unidad E/S.

• La CPU o unidad central de procesamien-to constituye el corazón del ordenador.

• La unidad de control es la encargada deregular el funcionamiento del sistema.

• La unidad de memoria que alberga el pro-grama que se ha de ejecutar y los datos quese almacenan.

• La unidad E/S permite la entrada y la salidade información.

Los microprocesadores y los microcomputa-dores integran algunos de estos elementos:

• Los microprocesadores, que aparecierona comienzos de la década de los setenta,incorporaban, en un sólo circuito integrado,la CPU y la unidad de control.

• Los microcomputadores, desarrollados enla década de los ochenta, integran la totali-dad de los componentes del sistema.

7. Diagrama lógico de un microprocesador:

• Registro acumulador. En él se llevan acabo todas las operaciones del microproce-sador que emplean dos operandos.

• Unidad aritmético-lógica. Denominadaabreviadamente ALU, desarrolla las opera-ciones aritméticas y lógicas.

• Registro de direcciones de memoria. Co-nocido como buffer, guarda los registros ge-nerales de direcciones y es el encargado decomunicarse con la memoria.

• Registro de instrucciones. En él se guar-da el código de operación de la instrucción,que sirve para gobernar el sistema de tem-porización y control a través del decodifica-dor de instrucciones.

• Registro temporal. Está asociado a la uni-dad aritmético-lógica y sirve para guardartemporalmente uno de los operandos en las instrucciones de procesamiento que em-plean dos de ellos.

• Temporización y control. Es el encargadode establecer la frecuencia de trabajo y con-trolar todo el sistema.

Todos estos bloques están unidos mediantelos buses, que son los encargados de llevarlas señales a cada uno de los bloques.

Estos buses son de tres tipos: bus de direccio-nes, bus de datos y bus de control.

• Bus de direcciones. Designado como AB(Adress Bus), es el encargado de direccio-nar la posición de memoria a la que se quie-re acceder.

• Bus de datos. Designado como DB (Da-ta Bus), lleva los datos a los distintos blo-ques del microprocesador y a la memoriaexterna.

• Bus de control. Designado como CB (Con-trol Bus), se encarga de controlar la informa-ción que pasa en cada momento por los bu-ses AB y DB.

El punto central de la estructura es el bus externo, por el que circulan datos, direccionesy señales de control.

98

RD WRRD WR

E/S

Memoria

CPU

ContadorRegistro

acumuladorRegistro dedirecciones

Control

Decodificador registrode instrucciones

Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de controlReloj

Unidad aritmético-lógica

Control

MicroprocesadorMicrocomputador

99

8. Diagrama lógico de un microcontrolador:

Comparándolo con el de un microprocesador,se observa que se han añadido la memoria deprograma, la memoria de datos y los puertosde entrada/salida.

• La memoria de programa es una memoriaEPROM y alberga el programa que se ha deejecutar.

• La memoria de datos es una memoriaRAM y recoge los datos y las informacionesnecesarias para el desarrollo del programa.

• Los puertos de entrada/salida permiten elintercambio de información con el resto delsistema y con los periféricos.

9. Para llevar a cabo su función, los microprocesa-dores necesitan dos memorias: una para alber-gar el programa y la otra para almacenar datos.

— La memoria de programa es una memoriaROM (memoria de sólo lectura) ya que lainformación relativa al programa, una vezintroducida, no debe poder modificarse.

— En cambio, la memoria de datos es unamemoria RAM (memoria de lectura y es-critura) porque el intercambio de datos einformaciones es constante y se requiereuna memoria cuyo contenido pueda sermodificado a lo largo del tiempo.

10. Un programa es una secuencia de instruccio-nes que se incorporan a la memoria del micro-procesador o el microcontrolador. Éstos vanleyendo las instrucciones y las van ejecutandode forma secuencial.

Los lenguajes de programación permiten in-troducir en el micro las instrucciones de forma

más o menos sencilla. Existen lenguajes debajo nivel y lenguajes de alto nivel.

— Los lenguajes de bajo nivel son parecidosal lenguaje máquina y resultan muy difícilesde confeccionar. Un ejemplo es el lengua-je ensamblador, habitualmente utilizado enla programación de los microprocesadores.Su principal inconveniente es que cada fa-bricante tiene su propio lenguaje, lo que dificulta su manejo.

— Los lenguajes de alto nivel intentan aproxi-marse más al lenguaje hablado y son mássencillos de confeccionar, ya que las órde-nes están normalizadas y utilizan palabrasy abreviaturas inglesas. Ejemplo de estoslenguajes son el Cobol, el Basic, el Logoy el Pascal, usados en la programación demicrocontroladores. La ventaja de estos len-guajes radica en que la forma de programarsiempre es la misma, independientementede quién sea el fabricante del micro. El prin-cipal inconveniente es la necesidad de con-vertirlo en un lenguaje código que puedaentender el microcontrolador, o lo que es lomismo, se ha de realizar una compilación.En consecuencia, si el programa es muycomplejo, el código que se genera puedellegar a exceder la memoria del micro.

11. La evolución de los microcontroladores, en elsentido de aumentar la capacidad de lectura a32 ó 64 bits, supone un incremento de la com-plejidad de éstos y, en consecuencia, un au-mento de volumen y coste.

En cambio, los microcontroladores de 8 bitspueden ser aplicados a la mayoría de procesosde control y su volumen y su coste se han idoreduciendo progresivamente. De este modo, elcontrol informatizado puede extenderse a grancantidad de procesos sin que ello suponga unincremento significativo del coste.

12. Los sistemas informáticos se aplicaban en losprocesos industriales donde la cantidad de in-formación hacía extremadamente complicadoel empleo de equipos cableados.

Sin embargo, estos equipos informáticos, sibien paliaban los inconvenientes de las técni-cas cableadas, presentaban algunos inconve-nientes para su empleo generalizado en elcontrol industrial:

RD WR

Bus

de

dato

s

Buffer

Latch

Contador programa

Memoriaprograma

Memoriadatos

Registrodirecc. RAM

Registro acumulador

Unidadaritmético-lógica

Registro

ControlRelojPuerto

Decodificador.registro instrucc.

— Estaban poco adaptados a las condicionesdel medio industrial.

— Requerían especialistas en informática parala programación.

— El mantenimiento y el coste del equipo eranmuy elevados.

En estas condiciones, el autómata progra-mable aparece como una alternativa a la apli-cación de los equipos informáticos. Para com-prender mejor las ventajas de estos nuevosdispositivos, basta observar su evolución:

• Los primeros equipos aparecen en 1968 yestán pensados para sustituir conjuntos derelés que controlan máquinas o procesossecuenciales: cadenas de transporte, líneasde montaje...

• A principios de la década de los setenta, losautómatas incorporan microprocesadores,lo que permite aumentar sus prestaciones:manejo de datos, operaciones aritméticas,comunicación con el ordenador...

• A finales de la década de los setenta, apa-rece una mejora de prestaciones: aumentode la memoria, entradas/salidas analógicasy numéricas...

• En la década de los ochenta se mejoran to-davía más algunas prestaciones: velocidadde respuesta, reducción de dimensiones,posibilidad de almacenar grandes cantida-des de datos, posibilidad de utilizar en laprogramación lenguajes alternativos, impor-tante disminución de precios...

13. Diagrama de bloques de un autómata progra-mable:

La diferencia entre un microcontrolador y unautómata programable radica en que este úl-timo incorpora una serie de componentes

que, aunque no forman parte del núcleo delequipo, son necesarios para su aplicación.Nos referimos a los denominados periféricos,entre los que cabe destacar los equipos deprogramación, los visualizadores, las impre-soras...

14. Los autómatas programables disponen de unprocesador binario que es capaz de interpre-tar una serie de códigos o instrucciones —queespecifican las acciones que se han de de-sarrollar en el sistema—, en función de las variables de éste.

El procesador trabaja de forma secuencial, esdecir, interpreta una única instrucción cadavez, pero a una gran velocidad (unos pocosmicrosegundos).

Para ello, el autómata dispone de dos partesde memoria: la memoria de programa y la me-moria de E/S.

• La memoria de programa almacena lasinstrucciones que nos interesa que ejecuteel autómata.

• La memoria de E/S almacena las instruccio-nes procedentes de los estados de entrada.

Una vez que todas las instrucciones se en-cuentran en la memoria de programa, el pro-cesador inicia un acceso secuencial a cadauna de ellas. En el curso de este acceso, seobtienen los resultados del programa y vansiendo almacenados en la memoria de E/S.

Una vez finalizada la lectura de la memoria delprograma, el procesador transfiere a la salidalos resultados obtenidos y almacena los esta-dos de las entradas.

Este proceso se repite de forma indefinidamientras el autómata programable esté en fun-cionamiento.

Se comprende la necesidad de que todo elprograma se encuentre en la memoria ya que,de no ser así, el procesador no podría accedera él en su totalidad y no se podría ejecutar deforma correcta.

15. La diferencia fundamental entre un controla-dor industrial y los microprocesadores, los mi-crocontroladores y los autómatas programa-bles radica en que éstos se pueden adaptar a cualquier tipo de proceso, mientras que los

100

CPU Memoria

Adaptadores para periféricos

Visualizadores ImpresorasEquipo de programación

Unidades de E/S

Actuadores

Proceso

Detectores

101

Sus elementos fundamentales son: indicadorde ajuste automático, indicador de salida, te-cla de función, tecla de desplazamiento, teclaA/M, indicadores de alarma, display del valorde referencia y display del valor actual.

Indicador de ajuste automático: permaneceintermitente con una frecuencia de 1 s mien-tras se ejecuta el cálculo automático de lasconstantes.

Indicador de salida: se enciende cuando lasalida de control está activada. Si el controla-dor dispone de salida analógica y se está utili-zando, se apaga.

Tecla de función: se utiliza para cambiar elparámetro seleccionado, fijar el valor de refe-rencia o modificar los valores de alarma.

Teclas de desplazamiento: permiten modifi-car la referencia, los valores de alarma o cual-quier otro parámetro que previamente se hayaseleccionado con la tecla de función.

Tecla A/M: permite cambiar el modo de salidamanual a modo automático y viceversa. Elmodo manual permite activar manualmentelas salidas.

controladores industriales tienen ámbitos deactuación específicos, que se definen en cadacaso.

16. Controlador industrial de temperatura:

Indicadores de alarma: se activan cuando latemperatura alcanza unos valores de alarmapreviamente establecidos.

Display del valor de referencia: señala el valor de la temperatura de referencia estable-cida.

Display del valor actual: muestra la tempera-tura del proceso que se está controlando y losmensajes de error.

17. El proceso de programación de un controladorindustrial es el siguiente:

— Se conecta el controlador de modo que seencuentre inicialmente en modo de sali-da automático. El controlador calcula auto-máticamente las constantes y, al finalizar,muestra en el display el valor estándar pordefecto.

— A continuación, se introduce el valor de re-ferencia que nos interesa en el display dereferencia por medio de las teclas de des-plazamiento.

Una vez visualizado, el valor se confirmamediante la tecla de función.

— El visualizador muestra el símbolo AL y nosdemanda los valores de alarma.

Se procede del mismo modo que en elpaso anterior: se introduce el valor por me-dio de las teclas de desplazamiento y, unavez visualizado, se confirma mediante latecla de función.

— Aparecen sucesivamente en el visualizadorde proceso los símbolos P, I y D, correspon-dientes a los valores de las constantes pro-porcional, integral y derivativa, respectiva-mente.

Para modificar los valores que el controla-dor ha calculado automáticamente, se pro-cede del mismo modo: introducción del va-lor mediante las teclas de desplazamiento,visualización en el display y confirmación, através de la tecla de función.

Una vez finalizada la programación con los va-lores deseados, el controlador está en condi-ciones de conectarse al proceso.

PV

SVMANU

OUT

ALM2ALM1

ATSHIFT

A/MAT

AL - 1Alarm 1

OUTPUT

INPUT

En - 5 Input ShiftP P Send (P4)

I Time (s)D Time (s)

C Scoling lowSP - 5SP Shift

CP Count put in (s)HY5 Hysteresis (1/2)HY5A Alarm Hysteresis (1/2)

; D Time (s)Cn - tD Time (s)L

dP

PV

SVMANU

OUT

ALM2ALM1

ATSHIFT

A/MAT

AL - 1Alarm 1

OUTPUT

INPUT

En - 5 Input ShiftP P Send (P4)

I Time (s)D Time (s)

C Scoling lowSP - 5SP Shift

CP Count put in (s)HY5 Hysteresis (1/2)HY5A Alarm Hysteresis (1/2)

; D Time (s)Cn - tD Time (s)L

dP

18.

19. Una red neuronal es un sistema de compu-tación formado por un gran número de proce-sadores simples, con una gran interconexión,los cuales procesan la información por la res-puesta en estado dinámico de entradas ex-ternas.

Si la comparamos con el funcionamiento delsistema nervioso de los animales, observare-mos lo siguiente:

• El sistema nervioso de los animales estácompuesto por una serie de neuronas deentrada (las que se encuentran en los órga-nos de los sentidos: retina del ojo, caracoldel oído, pituitaria de la nariz, papilas gusta-tivas, corpúsculos táctiles), que se conectana las neuronas calculadoras (situadas en la

corteza cerebral). Éstas procesan la infor-mación y envían la respuesta a las neuro-nas de salida (por ejemplo, las situadas enlos músculos), que son las encargadas deejecutar la orden dada por el cerebro.

• De modo semejante actúa una red neuronalartificial: la información procedente de lasneuronas de entrada (sensores) es transmi-tida a las neuronas calculadoras (control),que, a su vez, se conectan con las neuronasde salida (actuadores).

Con todo, la diferencia entre uno y otro siste-ma es enorme ya que el sistema nervioso delos animales superiores tiene billones de neu-ronas y una red neuronal artificial puede llegara tener sólo varios miles de unidades.

20. La lógica digital, que es la que se emplea en losordenadores convencionales, trabaja en len-guaje binario, de modo que sólo admite infor-maciones de tipo bit 1 (por ejemplo, blanco) óbit 0 (por ejemplo, negro). Por ello, tiene algu-nos problemas para manejar datos con mati-ces, tales como poco oscuro o muy oscuro, yaque éstos son términos típicos del razonamien-to humano.

La lógica fuzzy fue diseñada para permitir alos ordenadores trabajar no sólo con variablescuantitativas, sino también con cualitativas.

El campo de aplicación de la lógica fuzzy esbastante amplio y, sobre todo, es muy intere-sante en procesos que requieran conceptos típicos del razonamiento humano. Entre loscampos de aplicación pueden citarse el indus-trial y el doméstico.

• En el ámbito industrial la lógica fuzzy per-mite controlar, por ejemplo, la inyección elec-trónica de combustible al motor.

• En el ámbito doméstico, la lógica fuzzy seaplica a la programación de una lavadora, alcontrol del aire acondicionado...

Veamos el caso de una secadora industrial.

Las secadoras convencionales disponen deun programador, eléctrico o electrónico, me-diante el cual se selecciona un programa desecado que lleva a cabo un control sobre de-terminadas variables, tales como carga (plenacarga/media carga), tipo de ropa (normal/deli-cada), velocidad de giro, temperatura del aire

102

ProcesoControl del brillo y la lumino-sidad de la pantalla de un tele-visor.

Sistemade control

Circuito integrado.

VentajasPequeño tamaño, sencillez dediseño, velocidad elevada, bajocoste.

Inconvenientes Posibilidad de error.

ProcesoControl del llenado y cierre delas botellas de una planta em-botelladora.

Sistemade control Autómata programable.

VentajasGran flexibilidad, lo que permi-te adaptarlo a diferentes tiposy tamaños de botellas.

InconvenientesBaja velocidad. Necesidad deherramientas informáticas paraprogramarlo.

ProcesoControl de la temperatura deun proceso.

Sistemade control Controlador industrial.

VentajasControl específico. Compactoy resistente.

Inconvenientes En ocasiones, coste elevado.

103

o número de ciclos de secado. Cada programafunciona con una serie de parámetros prees-tablecidos que actúan una vez seleccionado elprograma, independientemente del contenidode la secadora.

Una secadora provista de lógica fuzzy seríacapaz, por ejemplo, de adecuar el régimen desecado a las características de la ropa, selec-cionar la temperatura en función de los tejidoso calcular el tiempo de secado a partir del gra-do de humedad de la ropa introducida.

21. El control basado en modelos se lleva a caboa través de tres grandes fases: la modeliza-ción del proceso, su expresión en forma mate-mática y la selección del controlador más ade-cuado.

• La modelización del proceso supone ana-lizar éste y encontrar un modelo matemáticoque se ajuste al comportamiento de las va-riables que lo determinan, en función deltiempo.

• La expresión en forma matemática del pro-ceso significa encontrar una serie de ecua-ciones (estáticas o dinámicas), que permitanformular el proceso en términos de algorit-mos matemáticos.

• Finalmente, la selección del controladormás adecuado supone discriminar cuál esel tipo de controlador estándar que mejor seajusta a las características del proceso.

22. La domótica es la disciplina que se ocupa delcontrol inteligente de edificios destinados aoficinas y otros servicios, y a viviendas habi-tuales.

23. (La respuesta es abierta y dependerá de lascaracterísticas de las viviendas de cada alum-no/a. No obstante, se ofrece un modelo.)

• Detección de fugas de gas: un sistema desensores, instalado en la cocina y en las inmediaciones del contador del gas y delcalentador, podría detectar la presencia degas. La señal, una vez procesada, sería en-viada a un actuador que cerraría inmediata-mente la llave general del gas y cortaría elsuministro de éste a la vivienda. Posterior-mente, cuando los sensores detectaran au-sencia de gas, la señal podría invertir el pro-

ceso y hace que el actuador volviera a abrirla llave general, restableciendo así el sumi-nistro.

• Detección de incendios: otro sistema desensores, distribuidos por toda la casa, po-dría detectar el aumento de temperaturaprovocado por el fuego. La señal de alarma,una vez procesada podría activar sprinklerssituados en el techo de la vivienda o bienseleccionar el número de teléfono de losbomberos y emitir un mensaje de socorropregrabado.

• Detección de intrusos: otro sistema desensores, instalado en puertas y ventanas,podría detectar la presencia de personas.La señal, como en el caso anterior, podríaseleccionar el número de la policía, estarconectada a una central de alarmas, o bienactivar una sirena y una luz en la fachada dela vivienda.

Con el fin de evitar que los propios usuariosde la vivienda activaran el dispositivo, éstedebería contar con un sistema de conexióny desconexión que pudiera ser activado ma-nualmente y provisto de un código secreto,sólo conocido por los que viven en la casa.

• Simulación de presencia: un programaconectado a la red eléctrica podría encen-der y apagar las luces de la casa, a partir deuna determinada hora y siguiendo un ritmoaleatorio (para evitar ciclos repetitivos quepudieran ser observados desde el exterior)y, eventualmente, conectar y desconectar eltelevisor o la cadena musical.

• Conexión/desconexión de aparatos: unsensor situado junto al televisor puede des-conectar éste cuando, transcurrido un tiem-po de demora, se aprecie la inexistencia depersonas en la habitación.

• Regulación de la temperatura: un contro-lador de temperatura puede activar o desac-tivar la bomba de calor cuando se detectediferencia entre la temperatura preseleccio-nada y la temperatura ambiente. Parale-lamente, el sistema podría seleccionar au-tomáticamente el modo (calefacción o aireacondicionado), según la temperatura se si-tuara por debajo o por encima de la tempe-ratura preseleccionada. También podría dis-tinguir entre el día y la noche.

• Conexión/desconexión de alumbrado:una serie de sensores instalados en las ha-bitaciones podría enviar una señal que des-conectara el alumbrado (en caso de estaractivado) cuando, transcurrido un tiempo dedemora, no se detectara presencia de per-sonas en la habitación. El mismo sistema se encargaría de activar el alumbrado de for-ma inmediata, a partir de una determinadahora, al detectar la presencia de personas.

• Accionamiento automático de persianasy toldos: un sistema de sensores, instaladojunto a cada ventana, se encargaría de emi-tir una señal que activaría el motor de accio-namiento de persianas y toldos cuando elnivel lumínico se situara dentro de unos pa-rámetros preestablecidos. El sistema tam-bién podría desactivarse por la noche para

evitar movimientos inesperados por efectode iluminaciones fortuitas de los sensores.

• Conexiones telefónicas: el sistema de te-lefonía podría estar provisto de un progra-ma capaz de seleccionar el operador telefó-nico que ofrezca la oferta más barata, enfunción de la hora del día y del tipo de lla-mada que se realiza.

Todo el dispositivo debería estar gobernadopor un ordenador, que estaría provisto de to-dos los programas y órdenes necesarios paraactivar los actuadores encargados de llevar acabo cada una de las funciones. La comunica-ción entre el ordenador, los sensores y los ac-tuadores podría efectuarse a través de la redeléctrica a una frecuencia que no pudiera serinterferida por la corriente eléctrica.

104

105

MODELOS DE PRUEBAS FINALES

En las páginas siguientes se ofrecen ocho modelos de pruebas finales.

Con ellos pretendemos dar al profesor/a un material útil para repasar la materia de Tecnología

y preparar a los alumnos y alumnas para las pruebas de acceso a la universidad.

Al final de estos ocho modelos ofrecemos la solución detallada de todos ellos.

Para favorecer la autoevaluación, el profesor/a puede fotocopiar las páginas

correspondientes del solucionario y proporcionarlas a los alumnos y alumnas.

107

Mod

elos

de

prue

bas

final

es e

índi

ce d

e co

nten

idos

Mod

elo

de p

rueb

a fin

alM

ater

iale

sy

fuen

tes

de e

nerg

íaE

lem

ento

sy

prin

cipi

os d

e m

áqui

nas

Sis

tem

as a

utom

átic

osN

eum

átic

ay

oleo

hidr

áulic

aC

ontr

ol y

pro

gram

ació

nde

sis

tem

as a

utom

átic

os

1

Cue

stió

n 1

Ens

ayos

de

dure

za y

cál

cu-

lo d

e pa

rám

etro

s

Cue

stió

n 2

Máq

uina

s fr

igor

ífica

s

Cue

stió

n 3

Iden

tific

ació

n de

un

sist

e-m

a de

con

trol

en

lazo

ce-

rrad

o

Cue

stió

n 4

Des

crip

ción

de

un c

ircui

tone

umát

ico

Cue

stió

n 5

Dec

odifi

cado

r B

CD

/7 s

eg-

men

tos

2C

uest

ión

1

Cen

tral

es t

érm

icas

y s

usef

ecto

s m

edio

ambi

enta

les

Cue

stió

n 2

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

circ

uito

elé

ctric

o de

c.c

.

Cue

stió

n 3

Est

ruct

ura

de u

n si

stem

aau

tom

átic

o

Cue

stió

n 4

Vá

lvu

las

reg

ula

do

ras

de

caud

al

Cue

stió

n 5

Est

ruct

ura

y p

rog

ram

a-

ción

de

una

FP

LA

3C

uest

ión

1

Pro

ceso

s de

fab

ricac

ión

yaf

ino

del a

cero

Cue

stió

n 2

Est

ruct

ura

y fu

ncio

nam

ien-

to d

e la

fres

ador

a

Cue

stió

n 3

Pul

sado

r con

lám

para

LE

D

Cue

stió

n 4

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

cili

ndro

neu

mát

ico

Cue

stió

n 5

Fun

cion

es ló

gica

s y

tabl

asde

ver

dad

4C

uest

ión

1

Trat

amie

nto

de l

os R

SU

yre

cicl

aje

de m

ater

iale

s

Cue

stió

n 2

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

mot

or té

rmic

o

Cue

stió

n 3

Reg

ulad

ores

y c

ontr

ol

todo

/nad

a

Cue

stió

n 4

Dis

eñ

o y

de

scri

pci

ón

de

un c

ircui

to n

eum

átic

o

Cue

stió

n 5

Inte

rpre

taci

ón d

e lo

gigr

amas

5C

uest

ión

1

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

ens

ayo

de tr

acci

ón

Cue

stió

n 2

Aná

lisis

de

las

curv

as d

eun

mot

or e

léct

rico

de c

.c.

Cue

stió

n 3

Dis

eño

de u

n si

stem

a au

-to

mát

ico

de c

ontr

ol

Cue

stió

n 4

Des

crip

ción

de

un c

ircui

tone

umát

ico

Cue

stió

n 5

Fun

ción

lóg

ica

de u

n ci

r-cu

ito c

ombi

naci

onal

6C

uest

ión

1

Cor

rosi

ón d

e m

ater

iale

s y

mét

odos

de

prot

ecci

ón

Cue

stió

n 2

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

a fr

esad

ora

Cue

stió

n 3

Det

ecto

res

de p

roxi

mid

adin

duct

ivos

Cue

stió

n 4

Dis

eñ

o y

de

scri

pci

ón

de

un c

ircui

to n

eum

átic

o

Cue

stió

n 5

Dis

eño

y fu

nció

n ló

gica

de

un c

ircui

to d

e co

ntro

l

7

Cue

stió

n 1

En

sayo

s d

e t

racc

ión

y

cálc

ulo

de p

arám

etro

s

Cue

stió

n 2

An

ális

is d

e u

na

cu

ba

de

fund

ició

n

Cue

stió

n 3

Ide

ntif

ica

ció

n d

e u

n s

is-

tem

a d

e c

on

tro

l e

n l

azo

cerr

ado

Cue

stió

n 4

Com

para

ción

de

circ

uito

sne

umát

icos

y o

leoh

idrá

u-lic

os

Cue

stió

n 5

Fun

ción

lóg

ica

de u

n ci

r-cu

ito c

ombi

naci

onal

8

Cue

stió

n 1

Co

mbu

stib

les

tra

dic

ion

a-

les

y su

s ef

ecto

s m

edio

-am

bien

tale

s

Cue

stió

n 2

Cic

lo t

erm

od

iná

mic

o d

eun

a m

áqui

na fr

igor

ífica

Cue

stió

n 3

Fun

ción

de

tran

sfer

enci

ade

un

sist

ema

auto

mát

ico

Cue

stió

n 4

Cál

culo

de

pará

met

ros

deun

cir

cuito

ole

ohid

rául

ico

Cue

stió

n 5

Dis

eño

y fu

ncio

nes

lógi

cas

de u

n ci

rcui

to d

e co

ntro

l

109

Cuestión 1

a) Explique en qué consiste el método Vickers para la determinación de la dureza de un material (1 punto).

b) Determine la longitud de las diagonales de la huella que dejará el penetrador sobre un material de dureza 630 HV 50 (0,5 puntos).

Cuestión 2

En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de un frigorífico convencional. A partir de esteesquema, conteste las preguntas siguientes:

a) Describa brevemente la estructura y el funcionamiento de este frigorífico (1 punto).

b) Compare el principio de funcionamiento de una máquina frigorífica con el de un motor térmico e indiquelas analogías y las diferencias que existen entre ellos (1 punto).

c) Indique algún tipo de sistema de control de la temperatura del interior del frigorífico y explique su funcionamiento (0,5 puntos).

Cuestión 3

En la sala de estar de una vivienda queremos conseguir y mantener una temperatura de 20 °C. Para ellodisponemos de una estufa eléctrica de 2 000 W de potencia provista de termostato.

a) Justifique si se trata de un sistema de control en lazo abierto o en lazo cerrado. En caso de que sea cerrado, indique si la realimentación es positiva o negativa (0,5 puntos).

b) Represente el sistema mediante un diagrama de bloques (0,5 puntos).

c) Identifique cada uno de los elementos representados en el diagrama (0,5 puntos).

d) Describa brevemente el funcionamiento del sistema (0,5 puntos).

Q1

Q2

Expansor

Filtro

Condensador

CompresorW

Evaporador

MODELO 1

110

Cuestión 4

La figura siguiente representa un circuito neumático.

a) Indique los elementos que lo componen y la función que desempeñan en el conjunto (1 punto).

b) Señale alguna aplicación práctica de este automatismo (1 punto).

Cuestión 5

La figura siguiente representa el diagrama de bloques de un decodificador BCD/7 segmentos.

a) Explique brevemente su funcionamiento (1 punto).

b) Confeccione la tabla de verdad e indique los segmentos que se iluminarán en cada caso (1 punto).

V8

C

DV3

V4V5

V2

V1

V6

A

B

C

D

a

b

c

d

e

f

g

a

b

c

f

e

d

g

111

MODELO 2

Cuestión 1

En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de una central térmica convencional. A partir de este esquema, conteste las preguntas siguientes:

a) Describa brevemente el ciclo del vapor y la función de los dispositivos por los que pasa (1 punto).

b) Indique, al menos, cuatro aplicaciones industriales o domésticas de los combustibles fósiles (0,5 puntos).

c) Explique en qué consiste la lluvia ácida y el efecto invernadero, y qué relación tienen estos fenómenoscon las emisiones de las centrales térmicas (1 punto).

Cuestión 2

A un circuito eléctrico alimentado por una batería de 25 V se conectan tres resistencias: la resistencia A, de 60 está conectada en paralelo con la resistencia B, de 40 , y el conjunto formado por las dos seconecta en serie con la resistencia C, de 26 . Represente el esquema del circuito y calcule:

a) La resistencia equivalente del conjunto (0,5 puntos).

b) La longitud de hilo de cobre de 0,2 mm2 de sección nominal necesario para obtener la resistencia mm2

equivalente del circuito cobre 0,017 ———— (0,5 puntos).m

c) La intensidad de corriente que circula por cada una de las resistencias (0,5 puntos).

d) La densidad de corriente en cada caso (0,5 puntos).

e) La cantidad de calor disipada en cada resistencia a lo largo de 1 hora (0,5 puntos).

Cuestión 3

a) Enumere los elementos componentes de un sistema de control y la función de cada uno (1 punto).

b) Confeccione un diagrama de bloques en el que aparezcan todos ellos (0,5 puntos).

Chimenea

Conductode humos

Economizador

Recalentador secundario

Recalentador primario

Caldera

Alimentador

Hogar

Aire

Bombade extracción

Bombade alimentación

Bomba decirculación

Precalentadores

Condensador

Excitatriz

Red de salida

Tubo alternador

Red de alta tensión

Turbina de baja presión

Transformador

Turbina de altapresión

Turbina demedia presión

Aprovechamiento térmico del combustible Ciclo del vapor Generación de energía eléctrica

Circuito de refrigeración

112

Cuestión 4

a) Explique la estructura y la función de las válvulas reguladoras de caudal (1 punto).

b) Justifique si, para regular la velocidad de accionamiento de un cilindro neumático, conviene actuar sobre el aire de entrada o el de salida (0,5 puntos).

c) Confeccione el esquema de un circuito formado por un cilindro de doble efecto y una válvula distri-buidora de modo que puede regularse la velocidad de accionamiento en ambos sentidos (0,5 puntos).

Cuestión 5

La figura siguiente representa el diagrama de bloques de una FPLA (Field Programmable Logic Array).

a) Explique brevemente la función de cada uno de los elementos que aparecen en ella (1 punto).

b) Describa el mecanismo de programación de la matriz (0,5 puntos).

1

1

Vcc

A0

A1

A2

AnAn

An

A0

A0

O0 O1 O2 Om

0

1

1

0

1 0 0

Amplificadorde salida

Amplificador de entrada

Matriz programable

Matriz de memoria

113

MODELO 3

Cuestión 1

En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de un horno Siemens–Martin. Teniéndolo encuenta, conteste las preguntas siguientes:

a) Describa brevemente la estructura y el funcionamiento de este horno (1 punto).

b) Explique el ciclo térmico del combustible que tiene lugar en él (0,5 puntos).

c) Indique otros procesos de fabricación y afino de aceros, e indique las ventajas y los inconvenientes de cada uno de ellos (1 punto).

Cuestión 2

a) Enumere los elementos más importantes de una fresadora y la función que desempeñan (1 punto).

b) Describa la cadena cinemática de una fresadora (1 punto).

c) Explique, a grandes rasgos, la historia de esta máquina herramienta (0,5 puntos).

Gases de la combustión

Baño fundido

Dispositivode carga

Cargadoras

Quemador

Aire caliente

Cámarade ladrillosrefractarios

Salida de gasesRecipientede colada

114

a) Represente el circuito eléctrico equivalente (0,5 puntos).

b) A partir del esquema anterior, describa brevemente el funcionamiento del dispositivo (0,5 puntos).

c) Calcule el valor de la resistencia de protección si la tensión de alimentación del pulsador es 30 V y el LEDfunciona con un voltaje máximo de 1,5 V, y su intensidad de funcionamiento es de 25 mA (0,5 puntos).

Cuestión 4

a) Calcule la fuerza efectiva de avance y retroceso del vástago de un cilindro de doble efecto, sabien-do que el diámetro del émbolo es de 60 mm; el del vástago, 20 mm; la presión de trabajo, 10 bar; y elrendimiento, 85 % (1 punto).

b) Calcule el consumo de aire del cilindro anterior, medido en L/min y en condiciones normales, supo-niendo que la carrera del vástago es de 100 mm y que efectúa 25 ciclos/min (1 punto).

Cuestión 5

Un automatismo digital presenta la siguiente tabla de verdad:

a) Escriba la expresión simbólica de la función y simplifíquela utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto).

b) Dibuje el logigrama correspondiente (0,5 puntos).

L–

L+NANC

LED

Cuestión 3

El siguiente esquema representa la configuración de contactos de un pulsador provisto de lámpara LED.

A B C D

1 1 1 0

1 1 0 1

1 0 1 0

1 0 0 1

0 1 1 1

0 1 0 1

0 0 1 0

0 0 0 1

115

MODELO 4

Cuestión 1

En el dibujo se representa el esquema de funcionamiento de una incineradora con dispositivo de recu-peración térmica. A partir de este esquema, conteste las preguntas siguientes:

a) Describa su funcionamiento e indique qué características han de tener los residuos que se incinerenpara que la instalación sea aprovechable (1 punto).

b) Indique otras formas de tratamiento de los residuos sólidos urbanos (1 punto).

c) Enumere materiales que puedan ser reciclables. Elija uno y explique el proceso que se sigue para reci-clarlo, así como las ventajas que supone la utilización de materiales reciclados frente a los productosprocedentes de materias primas (1 punto).

Cuestión 2

Un automóvil dispone de un motor de cuatro cilindros de 85 mm de diámetro. La carrera del émbolo de cadacilindro es de 90 mm y el volumen de la cámara de combustión, de 51 cc. A partir de estos datos, calcule:

a) La cilindrada unitaria (0,5 puntos).

b) La cilindrada total (0,5 puntos).

c) La relación carrera-diámetro (0,5 puntos).

d) La relación de compresión (0,5 puntos).

Justifique si se trata de un motor de gasolina o de un motor Diesel.

Cuestión 3

Un horno doméstico está provisto de una resistencia de 2 500 W de potencia y de un termostato.

a) Represente gráficamente la evolución de la temperatura del sistema y la función del termostato (0,5 puntos).

b) Explique cómo variará la respuesta del sistema si sustituimos el termostato por un controlador indus-trial de temperatura que dispone de un regulador PID (0,5 puntos).

c) Justifique las ventajas y los inconvenientes de un sistema de control provisto de regulador PID frente a un control todo/nada (0,5 puntos).

116

Cuestión 4

Diseñe un circuito neumático para la siguiente aplicación (0,5 puntos):

a) Describa brevemente el funcionamiento del sistema (0,5 puntos).

b) Justifique la importancia de utilizar válvulas de retorno neumático para pilotar la apertura y el cierre.Explique qué ocurriría si se emplearan válvulas con retorno por resorte (0,5 puntos).

Cuestión 5

a) Confeccione la tabla de verdad del automatismo digital siguiente (1 punto):

b) Simplifique la expresión de la función y compruebe que la nueva tabla de verdad coincide con la obtenida en el apartado anterior (1 punto).

La puerta de un autobús se acciona mediante un cilindro de doble efecto cuyo gobierno se efectúa por medio deuna válvula 5/2 con mando y retorno neumáticos.

• La apertura de la puerta se inicia desde una válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retorno neumático, conectado a la válvula de cierre.

• El cierre se inicia desde una válvula 3/2 NA con mando por pulsador y retorno neumático, conectada a la vál-vula de apertura.

117

MODELO 5

Cuestión 1

Una barra metálica de sección cuadrada, que tiene 10 mm de lado y 100 mm de longitud, se somete a unensayo de tracción y se produce un incremento de longitud de 0,2 mm, cuando se aplica una fuerza de 200 000 N. Calcule:

a) La tensión unitaria aplicada (0,5 puntos).

b) La elongación unitaria (0,5 puntos).

c) El módulo de Young (0,5 puntos).

Cuestión 2

En el siguiente gráfico se representan las curvas características de un motor eléctrico de tipo shunt.Analícelo y conteste las preguntas siguientes:

a) Describa las características anatómicas de este tipo de motores y realice su representación esquemá-tica (1 punto).

b) Analice las curvas del motor e indique el valor de sus parámetros cuando funciona a plena carga y envacío (0,5 puntos).

c) Indique posibles aplicaciones de estos motores en función de sus características (0,5 puntos).

Cuestión 3

Un depósito de agua dispone de dos entradas, A y B, y dos salidas, C y D. La entrada A tiene una válvulaque permite regular el caudal de acceso; la entrada B aporta agua de forma permanente y con un caudalvariable; la salida C permite la extracción constante de agua mediante una bomba de caudal conocido; y lasalida D posee otra válvula que permite regular el caudal de extracción.

a) Diseñe un sistema de control que regule el aporte y la extracción de agua por medio de las válvulas situadas en A y D, de modo que el nivel del depósito se mantenga de forma permanente en torno a un valor dado. Indique cuántos sensores y de qué tipo deberían utilizarse (1 punto).

b) Represente el sistema mediante un diagrama de bloques y explique su funcionamiento (0,5 puntos).

1.600

1.400

1.200

1.000

800

600

400

200

80

70

60

50

40

30

20

10

32

28

24

20

16

12

8

4

100

80

60

40

2010 20 30 40 50 60 70

1.600

1.400

1.200

1.000

800

600

400

200

80

70

60

50

40

30

20

10

32

28

24

20

16

12

8

4

100

80

60

40

2010 20 30 40 50 60 70

Par(kgm)

rpm

Intensidad (A)

Par motor

Rendimiento

Potencia eléctrica

Pot(kW)

Rto(%)

rpmCurvas características de un motor shunt

118

Cuestión 4

El siguiente esquema representa un circuito neumático.

a) Identifique los elementos componentes (1 punto).

b) Describa brevemente el funcionamiento del circuito (1 punto).

Cuestión 5

Un circuito combinacional tiene tres entradas (x2, x1 y x0) por las que recibe el valor de una variable X,cuya señal binaria está formada por tres bits, y dos salidas (z1 y z0) por las que se genera la señal binariaque corresponde a la parte entera de la división X /3.

a) Represente el diagrama de bloques del circuito combinacional (0,5 puntos).

b) Confeccione la tabla de verdad del circuito (1 punto).

c) Determine las funciones lógicas de cada una de las salidas y simplifíquelas utilizando diagramas deKarnaugh (1 punto).

d) Diseñe el logigrama del circuito utilizando exclusivamente puertas AND, OR y NOT (0,5 puntos).

Aa0 a1

m1 m2 a0 m3 a1

119

MODELO 6

Cuestión 1

a) Explique en qué consiste el fenómeno de la corrosión y describa los diferentes tipos de corrosión quepueden presentarse en los materiales (1 punto).

b) Describa brevemente algunos métodos de protección contra la corrosión por modificación química dela superficie (1 punto).

Cuestión 2

El mecanismo de transmisión de una fresadora permite que ésta trabaje a dos velocidades, tal y como seindica en las figuras siguientes:

El número de dientes de cada rueda es: z1 24 dientes; z2 48 dientes; z3 30 dientes; z4 18 dien-tes; z5 60 dientes; z6 36 dientes. El motor gira a 1 500 rpm y desarrolla una potencia de 2,5 kW.Calcule:

a) La velocidad del eje portafresas en cada una de las dos velocidades (1 punto).

b) El par y la potencia resultantes en cada velocidad (1 punto).

c) La velocidad de corte de una fresa de 50 mm de diámetro cuando la máquina gira en primera velocidad(0,5 puntos).

1

6

3

5

4

6

3

5

4

2

1

2

120

Cuestión 3

El diagrama de bloques siguiente representa el circuito de un detector de proximidad inductivo.

a) Indique la función de cada uno de los elementos representados (0,5 puntos).

b) Describa brevemente el funcionamiento de este tipo de detectores (0,5 puntos).

c) Indique qué materiales pueden ser detectados y justifique la respuesta (0,5 puntos).

Cuestión 4

Un cilindro de simple efecto debe separar los objetos defectuosos de una cinta transportadora y se go-bierna por medio de una electroválvula con retorno por resorte. Cuando se acciona el pulsador, el cilindroactúa y saca el objeto de la cinta.

a) Dibuje los planos neumático y eléctrico de la instalación (0,5 puntos).

b) Describa brevemente el funcionamiento de cada uno de los elementos componentes (0,5 puntos).

c) Explique cómo debe actuar el operario para que el cilindro complete la operación (0,5 puntos).

Cuestión 5

Se desea realizar el circuito de control de una bomba que abastece un depósito de agua. La bomba estácontrolada por tres variables, A, B y C:

• A vale 1 cuando el agua desciende por debajo del nivel mínimo y 0, en caso contrario.

• B vale 1 durante la noche y 0 durante el día.

• C vale 1 si un operario acciona el pulsador manual de puesta en marcha y 0 si no lo acciona.

La bomba está en funcionamiento en cualquiera de los siguientes supuestos:

• Siempre que el operario accione el pulsador, independientemente del nivel de agua en el depósito y de la hora (sea de día o de noche).

• Siempre que el nivel del agua se encuentre por debajo del nivel mínimo, tanto de día como de noche,aunque el operario no accione el pulsador.

• Durante la noche, independientemente de que se haya alcanzado o no el nivel mínimo y de que el operario haya o no pulsado el pulsador.

a) Obtenga la tabla de verdad de la función lógica F (A, B, C ) que controla el funcionamiento de la bomba(1 punto).

b) Simplifique la función utilizando un diagrama de Karnaugh (1 punto).

c) Represente la función por medio de un logigrama (0,5 puntos).

Placa

BobinaSeñal de entrada

Salida

Tensión de alimentación

Oscilador Rectificador

Fuente de alimentación

Conmutadordisparador

121

MODELO 7

Cuestión 1

a) Describa brevemente en qué consisten los ensayos de tracción (0,5 puntos).

b) Se ha comprobado experimentalmente que una pieza de latón pierde su elasticidad para esfuerzos uni-tarios superiores a 34,5 kg/mm2. Sabiendo que el módulo de Young para el latón es E 10 300 kg/mm2,calcule:

• La carga máxima, expresada en kg, que puede aplicarse a una probeta de latón de 13,82 mm de diámetro sin que se produzcan deformaciones plásticas (0,5 puntos).

• El incremento de longitud que experimentará la probeta sometida a dicha carga máxima, sabiendoque su longitud es de 70 mm (0,5 puntos).

Cuestión 2

La figura siguiente representa una cuba de fundición en la que se sumerge una cuchara de colada. Al elevar ésta, el caldo de fundición pasa al recipiente situado a la izquierda.

a) Describa los dispositivos de que consta el sistema y la función que desempeña cada uno (1 punto).

b) Sugiera alguna alternativa al accionamiento neumático y señale las ventajas y los inconvenientes quetendría dicha alternativa en esta aplicación concreta (0,5 puntos).

Cuestión 3

Una instalación de aire comprimido dispone de los siguientes elementos para completar un sistema decontrol: fuente de alimentación, motor eléctrico, bomba de succión, depósito de aire, presostato, manó-metro y tomas de salida.

a) Justifique si el dispositivo, una vez montado, constituye un sistema de control en lazo abierto o en lazocerrado (1 punto).

b) Confeccione el diagrama de bloques correspondiente y relacione cada bloque con alguno de los elementos disponibles (1 punto).

122

Cuestión 4

a) Dibuje el esquema de una instalación neumática provista de un cilindro de doble efecto y una válvuladistribuidora 4/2 con mando por pulsador y retorno por resorte (1 punto).

b) Repita el esquema de la instalación suponiendo que se trata de un sistema oleohidráulico (1 punto).

c) Compare ambos esquemas y señale las analogías y las diferencias que aparecen en ellos. Indiquetambién otras diferencias entre un sistema neumático y otro oleohidráulico (0,5 puntos).

Cuestión 5

En un registro de cuatro bits, cuyas salidas están disponibles al exterior, se almacena información en código BCD.

a) Obtenga la tabla de verdad del circuito lógico que detecte que el número contenido en el registro es mayor que 6 (1 punto).

b) Determine la función lógica correspondiente al circuito y simplifíquela utilizando diagramas de Kar-naugh (1 punto).

c) Diseñe el logigrama del circuito (0,5 puntos).

S

x3 x2 x1 x0

Bit de mayor peso

123

MODELO 8

Cuestión 1

a) Describa brevemente las características de los combustibles tradicionales que se emplean para ob-tener energía térmica (1 punto).

b) Explique los efectos medioambientales producidos por la emisión de gases contaminantes como consecuencia de la utilización de la energía térmica (0,5 puntos).

Cuestión 2

El diagrama de la figura siguiente representa el ciclo termodinámico de una máquina frigorífica.

a) Describa brevemente el proceso que tiene lugar en los tramos A–B, B–C, C–D y D–A y cómo evo-lucionan las variables P, V y T (1 punto).

b) Compare este ciclo con el de un motor térmico y señale las analogías y las diferencias entre ambos (1 punto).

Cuestión 3

Simplifique, paso a paso, el diagrama de bloques adjunto que corresponde a un sistema automático y determine cuál es la función de transferencia K (2 puntos).

A B C D

EF

G

H

C (s)

R (s)

+ + +–

––A B C D

EF

G

H

C (s)

R (s)

+ + +–

––

V3 V4 V2 V1

P1

P2

P

C B

AD

Q2

Q1

V3 V4 V2 V1

P1

P2

P

C B

AD

Q2

Q1

V

124

Cuestión 4

a) Confeccione el esquema de un circuito oleohidráulico formado por un cilindro de doble efecto y unaelectroválvula 4/2 con mando y retorno eléctricos. Diseñe también el circuito eléctrico que permite gobernar la electroválvula (1 punto).

b) Calcule la fuerza efectiva de avance y retroceso del vástago del cilindro sabiendo que el diámetro de su émbolo es de 50 mm; el del vástago, 30 mm; la presión de trabajo, 250 bar; y el rendimiento, 88 % (0,5 puntos).

c) Calcule el consumo de aceite del cilindro, medido en L/min, suponiendo que la carrera del vástago es de 800 mm y que efectúa 8 ciclos/min (0,5 puntos).

Cuestión 5

Un sistema digital está formado por cuatro pulsadores, A, B, C y D, y por dos motores eléctricos, M y N.El sistema funciona del modo siguiente:

• Cuando no se pulsa ningún pulsador, el sistema permanece desactivado.

• Cuando se pulsa uno cualquiera de los pulsadores o dos de ellos a la vez, se activa el motor M, pero no el N.

• Cuando se pulsan tres pulsadores a la vez o los cuatro simultáneamente, se activa el motor N, pero no el M.

a) Obtenga la tabla de verdad del sistema y las funciones lógicas correspondientes a cada uno de los motores (1 punto).

b) Simplifique las ecuaciones obtenidas utilizando diagramas de Karnaugh (1 punto).

c) Diseñe el logigrama de la función correspondiente al motor N (0,5 puntos).

125

Cuestión 1

a) Método Vickers

El método Vickers es un ensayo de dureza por penetración estática. Consiste en averiguarla dureza de un material a partir de la huellaque marca un penetrador, al que se le some-te a una presión determinada. El penetrador,en este caso, es una pirámide cuadrangular dediamante.

En el proceso se presiona la punta de la pirámi-de con un ángulo entre caras de 136° duranteunos 20 segundos, con lo que queda marcadala huella en el material.

La dureza Vickers (HV) es la relación entre la presión, P, ejercida y la superficie, S, de lahuella.

PH V —

S

Pero como la superficie de la huella resulta di-fícil de medir, ya que se trata del área lateral de una pirámide de base cuadrada, la deter-minación de la dureza Vickers se efectúa a par-tir del valor de las diagonales de la huella, l.En este caso, la fórmula que se emplea es:

PHV 1,844 —

I 2

donde P es la carga aplicada (en kg) y l, la lon-gitud de la diagonal (en mm). La dureza Vickersse expresa, pues, en kg/mm2.

La dureza Vickers se expresa mediante el va-lor obtenido, seguido del símbolo HV y, a conti-nuación, el valor de la carga empleada. Así, elvalor 580 HV 40 significa que al material se leha aplicado una carga de 40 kg y presenta unadureza de 580 kg/mm2.

La pirámide consigue una mejor penetración queotros dispositivos, por lo que pueden efectuar-se los ensayos sobre chapas de hasta 0,2 mmde espesor. Puede aplicarse tanto a materialesblandos como muy duros, con valores de hasta1000 kg/mm2. También permite medir la durezasuperficial, gracias a la poca profundidad de lahuella. Además, en ésta puede comprobarse elbuen estado del penetrador.

b) Cálculo de la huella

Datos: dureza Vickers 630 HV 50

Del valor anterior se deduce que la dureza Vic-kers del material es 630 kg/mm2 y que se le haaplicado una carga de 50 kg.

Aplicamos la expresión de la dureza Vickers ydespejamos el valor de l:

P PHV 1,844 — ⇒ I 1,844 ——

I 2 HV

50 kgI 1,844 ————— 0,3825 mm

kg630 ——

mm2

Las diagonales de la huella miden 0,3825 mm.

Cuestión 2

a) Estructura y funcionamiento

Un frigorífico convencional como el de la figuraestá compuesto por una serie de elementos bá-sicos, entre los que destacan: la unidad com-presora, el condensador, el expansor, el filtrosecador y el evaporador.

• La unidad compresora suele estar situa-da en la parte inferior y está compuesta porel compresor propiamente dicho y el motoreléctrico que lo acciona.

• El condensador se localiza en la parte pos-terior del frigorífico, tiene la forma de serpen-tín plano y está en contacto con un enrejadometálico. El calor del refrigerante se disipa alentrar en contacto con el aire de la habita-ción. Por este motivo, es necesario dejar unespacio entre la parte trasera del frigorífico yla pared, y permitir la salida del aire calientepor la parte superior para facilitar la corrientede aire necesaria.

• El expansor es un tubo capilar de cobre, dediámetro interior comprendido entre 0,7 y 1,2 mm, que se sitúa a la entrada del evapo-rador. Este tubo regula la entrada del refrige-rante y provoca la caída de presión necesa-ria para que se produzca la evaporación.

Solución modelo 1

√

√

• El filtro secador es el encargado de eliminarcualquier rastro de humedad para proteger elsistema contra la corrosión interna.

• El evaporador se encuentra en el interior delfrigorífico. En él se produce la evaporacióndel refrigerante y, como consecuencia, la ab-sorción de calor procedente de los alimen-tos. El refrigerante entra en el evaporador enestado líquido a alta presión y sale de él enestado de vapor a baja presión. Desde aquí,el conducto de retorno lo devuelve al com-presor para reiniciar el ciclo.

El esquema de funcionamiento se ajusta per-fectamente al descrito para cualquier máquinafrigorífica.

El funcionamiento de los motores térmicos seinspira también en el segundo principio de latermodinámica, pero hay que tomar en conside-ración también el primer principio, que afirma:

«Cualquiera que sea el procedimiento em-pleado para convertir el calor en trabajo oviceversa, existe una relación constanteentre el trabajo desarrollado y el calor con-sumido, siempre que el estado final delsistema sea igual al inicial.»

Esta relación se denomina equivalente mecáni-co del calor y es igual a 427 kgm/kcal.

Los motores térmicos también funcionan en ciclo cerrado pero, en su caso, éste es inversoal que hemos descrito para una máquina frigo-rífica: en un momento determinado de su fun-cionamiento, el motor recibe una determinadacantidad de calor QA (calor aportado, medidoen cal o kcal) y posteriormente cede o se lesustrae otra cantidad de calor QC (calor cedido)menor que QA.

Como el calor aportado, QA, es mayor que elcedido o sustraído, QC, se produce la desapari-ción de una cierta cantidad de energía térmicaque se transforma en trabajo mecánico T.

nominado evaporador, y cede una cantidad decalor Q1 a un foco caliente, denominado con-densador.

De acuerdo con el principio anterior, para queeste proceso tenga lugar, es necesario sumi-nistrarle una cierta cantidad de energía W.

126

Q1

Q2

W

Condensador

Evaporador

Sistemade expansión

Compresor

b) Principio de funcionamiento

Para explicar el funcionamiento de las máqui-nas frigoríficas, hemos de tener en cuenta elsegundo principio de la termodinámica:

«El calor no puede transferirse espontá-neamente de un cuerpo más frío a otro máscaliente.»

Podemos expresarlo de otro modo:

«Es imposible realizar una transformacióntermodinámica cuyo único resultado sea elpaso de una cantidad de calor de un cuer-po frío a otro caliente.»

El funcionamiento de una máquina frigoríficase basa en un proceso o ciclo cerrado, es decir,al finalizar un ciclo de trabajo, la máquina vuel-ve a las condiciones iniciales o de partida.

En este ciclo cerrado, la máquina frigorífica tomauna cantidad de calor Q 2 de un foco frío, de-

Q1

Q2

W

Foco caliente(condensador)

Máquinafrigorífica

Foco frío(evaporador)

127

c) Regulación y control

Para controlar la temperatura del interior del fri-gorífico, podemos utilizar un termostato.

El termostato es un dispositivo de control auto-mático que permite conectar y desconectar launidad compresora —y, con ella, todo el siste-ma—, en función de la temperatura del interiordel frigorífico.

• Cuando la temperatura interna alcanza el va-lor adecuado, el termostato desconecta elsistema.

• Cuando la temperatura aumenta por encimade los valores de tolerancia establecidos, eltermostato vuelve a conectar el sistema derefrigeración.

Se trata, por tanto de un control todo/nada. Laevolución de la señal de conexión/desconexiónen función de la temperatura interna del frigorí-fico se ajustará a la gráfica siguiente:

Cuestión 3

a) Tipo de sistema de control

Se trata de un sistema de control en lazo cerra-do porque la respuesta del sistema (emisión ono emisión de calor) está relacionada con lasvariables de entrada (temperatura que se al-canza en la sala de estar).

b) Diagrama de bloques

El diagrama de bloques correspondiente al sis-tema de control es el siguiente:

c) Elementos

El proceso consiste en mantener la tempera-tura de la sala de estar en torno a un valor pre-fijado.

El actuador está formado por la resistencia y elinterruptor.

La resistencia se encarga de aportar la energíatérmica necesaria para elevar la temperatura.

El interruptor abre o cierra el circuito que go-bierna el calefactor.

El regulador es el termostato. La función deeste dispositivo es actuar sobre el interrup-tor de modo que abra el circuito cuando se al-canza la temperatura de referencia, y lo cierrecuando la temperatura descienda por debajode aquélla.

d) Funcionamiento

Se trata de un control todo/nada. El sistematiende a mantener una relación establecida ini-cialmente entre dos variables: la variable de referencia (20 °C) y la respuesta del sistema(temperatura de la sala).

Cuando se ha alcanzado la temperatura previs-ta, el termostato emite una señal al actuador,

ON

t

T

OFF

Temperaturade referencia

Termostato

Actuador Proceso

Regulador

Variable dereferencia

Respuestadel sistema

QA

QC

T

Foco caliente

Foco frío

Motortérmico

que estará formado por un interruptor y una resistencia. El interruptor abre el circuito y la re-sistencia se desconecta, con lo que se deja deemitir calor. Cuando la temperatura descien-de por debajo de la prevista (dentro de los már-genes de tolerancia previstos), el termostatoemite una nueva señal que provoca el procesoinverso: el interruptor cierra el circuito y la resis-tencia vuelve a emitir calor.

Cuestión 4

a) Elementos componentes y funcionamiento

Además de la unidad compresora, común a to-dos los circuitos neumáticos, el circuito propia-mente dicho está compuesto de los elementossiguientes:

• Un cilindro de doble efecto C.

• Una válvula 3/2 (V1) con mando por pulsadory retorno por resorte, que sirve para el go-bierno de la maniobra.

• Una válvula distribuidora 4/2 (V2) con mandoy retorno neumáticos.

• Una válvula reguladora de caudal unidirec-cional (V3) situada a la entrada del cilindro.

• Un grupo temporizador, formado, a su vez,por una válvula reguladora de caudal (V4), unpequeño depósito de aire (D) y una válvuladistribuidora 3/2 (V5).

• Una válvula antirretorno (V6) situada entre elgrupo temporizador y el cilindro.

• Una válvula de escape rápido (V7) para faci-litar la evacuación del aire contenido en el cilindro.

• Una válvula 3/2 (V8) con mando por roldanay retorno por resorte que actúa como final decarrera.

La maniobra se lleva a cabo según el procesoque se describe a continuación:

Al accionar el pulsador de la válvula V1, éstacambia su posición y se envía la señal neumá-tica a la válvula distribuidora V2, que tambiéncambiará su posición.

Una vez accionado el pulsador y enviada la se-ñal, el retorno por muelle devuelve la válvula V1a su posición original.

El cambio de posición de la válvula determinaque el aire se distribuya en dos ramas.

Una parte del aire se dirige hacia el cilindro C yprovoca el inicio de su desplazamiento. Comoel aire fluye a través de la válvula reguladora decaudal V3, el desplazamiento es lento.

La otra parte del aire se dirige al grupo tempo-rizador a través de la conducción A y el depósi-to D comienza a aumentar su presión.

Transcurrido un cierto tiempo (que previamentese ha determinado en función de las caracte-rísticas del grupo temporizador), la presión delaire contenido en el depósito D activa la válvu-la V5, que permite el paso del aire hacia el cilin-dro a través del antirretorno V6. Con ello se in-crementa notablemente el caudal de aire sobreel émbolo del cilindro y se aumenta su veloci-dad de desplazamiento.

Cuando el vástago del cilindro llega al extremode la carrera, presiona la roldana de la válvulaV8. Ésta cambia su posición y envía una señalde aire al retorno de la válvula distribuidora V2.

El cambio de posición de ésta supone el envíode aire a la cámara anterior del cilindro, con loque se provoca el movimiento de retroceso. Éstese lleva a cabo de forma muy rápida gracias a laválvula de escape rápido V7, que facilita la sali-da del aire contenido en la cámara anterior.

b) Aplicación práctica

El dispositivo puede aplicarse a la apertura y elcierre de la compuerta de una tolva. De hecho,muchos dispositivos industriales disponen detolvas para la descarga de materiales. Citare-mos sólo los más conocidos:

• La carga de mineral y de carbón de coque enun horno alto.

• La carga de arcilla y caliza para la produc-ción de cemento.

• La dosificación de sílice, caliza y sosa en losprocesos de obtención de aluminio.

• La aportación de resinas plásticas a los pro-cesos de moldeo de plásticos.

• La descarga de grano de los silos en los queestá almacenado.

En todos los casos, es necesario efectuar lamaniobra de apertura y cierre de la compuerta

128

129

de la tolva para que ésta proporcione la canti-dad de material necesario.

De acuerdo con lo descrito en los apartadosanteriores, la apertura y cierre de la compuertase llevará a cabo bajo dos condiciones básicas:

• El inicio de la apertura será lento para evitarla caída brusca de material, mientras que elresto del proceso de apertura ha de efectuar-se rápidamente.

• El cierre de la compuerta se llevará a cabode forma rápida para evitar que caiga excesode material durante el proceso.

Cuestión 5

a) Funcionamiento

El decodificador BCD/7 segmentos es un cir-cuito combinacional cuya misión es convertirtodas las combinaciones binarias pertenecien-tes a un código determinado en su correspon-diente equivalencia en el sistema decimal.

Se trata de un decodificador de los denomina-dos 4 a 7, es decir, dispone de cuatro entradas,A, B, C y D, y siete salidas, a, b, c, d, e, f y g.

Las entradas introducen una determinada com-binación de bits. Según el código BCD, cadauno de ellos corresponde a una cifra del sistemadecimal.

Las salidas corresponden a cada uno de lossegmentos del display.

El funcionamiento de este dispositivo es el si-guiente: cuando se presenta una determinadacombinación binaria a la entrada, el decodifica-dor excita las salidas de los segmentos queconfiguran el dígito que representa el valor de-cimal correspondiente.

b) Tabla de verdad

La tabla siguiente recoge el valor que se pre-senta en cada una de las salidas (a, b, c, d, e yf ) en función de la combinación de bits presen-te a la entrada (A, B, C y D) y el dígito que seilumina en cada caso.

Cuestión 1

a) Ciclo de vapor de una central térmica

Las centrales térmicas son instalacionescomplejas en las que la energía térmica produ-cida por la combustión de algún combustible(carbón, petróleo o gas natural) se emplea paracalentar agua hasta convertirla en vapor, quese canaliza hasta las turbinas.

La energía cinética del vapor es capaz de mo-ver los álabes de las turbinas. Este movimientose comunica a los turboalternadores en los quese genera la energía eléctrica.

El vapor de agua actúa en ciclo cerrado, es de-cir, experimenta una serie cíclica de procesosde vaporización y condensación, que vamos adescribir a continuación partiendo de un puntode arranque: las calderas.

Las calderas contienen el agua que ha de trans-formarse en vapor. Las más empleadas son lasde circulación natural a través de tubos.

Los recalentadores primarios evaporan las par-tículas líquidas que todavía salen de la calderaarrastradas por el vapor. De este modo se con-sigue el vapor sobrecalentado.

Solución modelo 2

A B C D a b c d e f

0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

0 0 0 1 0 1 1 0 0 0

0 0 1 0 1 1 0 1 1 0

0 0 1 1 1 1 1 1 0 0

0 1 0 0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

0

1

1

1

1

1

0

0

g

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Dígito

1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 9

Las turbinas de alta presión aprovechan laenergía cinética del vapor recalentado, que setransforma en energía mecánica de rotación.

Parte del vapor utilizado es reciclado hacia losrecalentadores secundarios. Éstos aprovechanla energía térmica de los humos de la caldera yenvían el vapor hacia las turbinas de mediapresión.

El calor almacenado en el vapor, después depasar por ellas, es todavía aprovechado enparte por las turbinas de baja presión.

El vapor procedente de la turbina de baja pre-sión pasa por el condensador, donde se enfríay se convierte de nuevo en agua líquida. Labomba de alimentación se encarga de enviaresta agua hacia los precalentadores, donde seaumenta su temperatura gracias al aporteenergético del vapor que procede de las turbi-nas de alta y media presión.

La bomba de extracción envía el agua hacia loseconomizadores. Éstos aprovechan la energíatérmica de los humos para calentarla antes dedevolverla de nuevo a la caldera. Así se iniciade nuevo el ciclo.

b) Aplicaciones de los combustibles fósiles

Los combustibles fósiles (carbón, petróleo ygas natural) tienen innumerables aplicacionesen los ámbitos doméstico e industrial, entre lasque cabe destacar las siguientes:

• El carbón, que tradicionalmente se utilizabacomo combustible básico en las calefaccio-nes y en las máquinas de vapor, prácticamen-te se emplea como fuente de energía casiexclusivamente en las centrales térmicas, so-bre todo en las más antiguas. En la actualidadtiende a ser sustituido por otros combustiblesmenos contaminantes, como el gas natural.

• Los derivados del petróleo, especialmente elfuelóleo, han desplazado al carbón y se em-plean abundantemente en los sistemas decalefacción de edificios y viviendas.

• Otros derivados del petróleo, como las gaso-linas, el gasóleo y el queroseno constituyen elcombustible básico de los medios de trans-porte, tanto terrestre como marítimo y aéreo.

• Finalmente, el gas natural, por su limpieza yfacilidad de manejo, se ha convertido en elcombustible doméstico e industrial funda-mental y su uso se extiende cada vez más a

medida que los gasoductos alcanzan zonasy territorios en los que se empleaban otroscombustibles.

c) La lluvia ácida

El dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitró-geno (NO y NO2), en menor proporción, son losresponsables de este conocido fenómeno deno-minado lluvia ácida. Consiste en que estos ga-ses, presentes en la atmósfera, son arrastradospor el agua de lluvia que se convierte así en unadisolución suficientemente ácida como paraprovocar importantes trastornos ambientales.

El SO2 es oxidado a SO3 en la atmósfera me-diante distintos mecanismos y tanto uno comootro, con el agua de lluvia, se transforman ensus correspondientes ácidos H2SO3 y H2SO4.

La lluvia ácida destruye la vegetación y dañaseriamente los cultivos y la fauna de vida acuá-tica. Por otra parte, produce un gran deterioroen las construcciones y en los monumentos porcorrosión de la piedra.

El aumento actual de la concentración de SO2en la atmósfera es debido al exceso de emisio-nes de este gas como consecuencia de laserupciones volcánicas, la combustión de lossulfuros metálicos para la obtención de meta-les y especialmente el gran consumo de com-bustibles fósiles en la industria, en las centralestérmicas, en los automóviles y en los hogares.

El efecto invernadero

La acumulación de CO2 en la atmósfera, comoconsecuencia de la combustión de carbón, elgas natural y los derivados del petróleo, ejerceuna gran influencia sobre el clima de la Tierra,junto con otros gases como el vapor de agua,el metano CH4 y los óxidos de nitrónitrógeno,todos ellos llamados gases de invernadero.

El efecto invernadero consiste en el aumento dela temperatura de la superficie terrestre comoconsecuencia de la creciente acumulación delos citados gases en la atmósfera.

Para comprender este efecto hay que tener encuenta que alrededor del 30 % de la energíaque el Sol envía a la Tierra es reflejada por lasnubes y por la superficie terrestre; el 70 % res-tante es absorbida. Esta energía es emitidadespués por la atmósfera y por la superficie dela Tierra en forma de radiaciones cuya mayorparte es aprisionada por las nubes y por los ga-

130

131

ses de invernadero y devuelta a la Tierra. Comoconsecuencia, la superficie de ésta se calienta.

Las consecuencias pueden llegar a ser muyserias: la disminución de la producción agrariay la elevación del nivel del mar debido a la fu-sión del hielo en los casquetes polares y enotras zonas, lo que provocaría la inundación deextensas zonas costeras.

La denominación de efecto invernadero alude aque en los invernaderos destinados al cultivode plantas, las paredes y el techo de vidrio oplástico dejan pasar una gran cantidad de ra-diación solar, pero impiden la salida de la radia-ción infrarroja emitida por el suelo produciendoun aumento de la temperatura en el interior.

Cuestión 2

Datos: V 25 V RA 60

RB 40 RC 26

mm2S 0,2 mm2 0017 ————

m

El esquema del circuito es el siguiente:

a) Calculamos primero la resistencia equivalen-te, Req a las resistencias A y B, montadas enparalelo:

1 1 1 RA RB—— —— —— ⇒ Req ————Req RA RB RA RB

60 40 Req ——————— 24

60 40

Calculamos ahora la resistencia equivalente to-tal, RT, considerando también la resistencia C,montada en serie con las dos anteriores:

RT Req RC 24 26 50

b) Conocida la resistencia total, determinamos lalongitud del conductor a partir de la expresión:

I RT SRT — ⇒ I ———

S

50 0,2 mm2I ————————— 588,2 m

mm20,017 —————

m

c) La intensidad de corriente que circula por todoel circuito viene dada por la ley de Ohm:

V 25 VI —— ——— 0,5 A

RT 50

Esta intensidad es la que circula por la resisten-cia C, por lo que podemos determinar la tensiónentre sus extremos aplicando de nuevo la leyde Ohm:

V (RC) I RC 0,5 A 26 13 V

Determinamos la tensión entre los extremos delas resistencias A y B por diferencia:

V (RA y RB) VT V (RC)

25 V 13 V 12 V

Con este dato y los valores respectivos de las re-sistencias, calculamos la intensidad de corrienteque pasa por cada una de ellas:

V 12VIA —— ——— 0,2 A

RA 60

V 12VIB —— ——— 0,3 A

RB 40

(La suma de las intensidades que pasan por Ay B es igual a la intensidad total del circuito.)

d) Para calcular la densidad de corriente en cada I

resistencia, aplicamos la fórmula —S

IA 0,2 A AA —— ———— 1,0 ———

S 0,2 mm2 mm2

IB 0,3 A AB —— ———— 1,5 ———

S 0,2 mm2 mm2

IC 0,5 A AC —— ———— 2,5 ———

S 0,2 mm2 mm2

RC= 26 Ω

RA= 60 Ω

RB= 40 Ω

V= 25 V

(La suma de las densidades de corriente sobreA y B es igual a la densidad de corriente so-bre C, que coincide con la densidad de corrien-te total del circuito.)

e) Para calcular la cantidad de calor disipada encada resistencia, aplicamos la ley de Joule, te-niendo en cuenta que 1 kJ 0,24 kcal.

Q 0,24 E 0,24 I 2 Rt

QA 0,24 (0,2 A)2 60 3 600 s 2 074 cal

QB 0,24 (0,3 A)2 40 3 600 s 3 110 cal

QC 0,24 (0,5 A)2 26 3 600 s 5 616 cal

La resistencia equivalente del circuito es 50 ;la longitud del hilo de cobre es 588,2 m; las in-tensidades que circulan por las resistencias A, By C son, respectivamente, 0,2 A, 0,3 A y 0,5 A;las densidades de corriente en cada una son 1 A/mm 2; 1,5 A/mm 2 y 2,5 A/mm 2; y las canti-dades de calor disipadas resultan ser 2 074 cal,3 110 cal y 5 616 cal.

Cuestión 3

a) Elementos de un sistema de control

Los elementos necesarios en cualquier sistemade control pueden agruparse en seis grandesgrupos: sensores, transmisores, comparado-res, reguladores, actuadores y visualizadores.

• Los sensores son los elementos del sistemade control encargados de medir el valor deuna magnitud.

Además del nombre genérico de sensores,se suelen designar con otros, como trans-ductores o detectores.

• Los transmisores son los elementos que seencargan de transformar una señal en otra(habitualmente se trata de señales neumáti-cas o eléctricas).

• Los comparadores son los elementos en-cargados de proporcionar una señal en fun-ción de la diferencia existente entre el valorde salida y el valor esperado.

A estos elementos se les conoce también comodetectores de error.

• Los reguladores son los dispositivos encar-gados de mejorar las respuestas del sistema.

• Los actuadores son los dispositivos encar-gados de actuar sobre el proceso una vez recibida la orden del regulador.

• Los visualizadores son los dispositivos en-cargados de dar la expresión final de la medi-da con la función deseada.

Estos últimos dispositivos han evolucionado rá-pidamente y han pasado en muchos casos deser analógicos a ser digitales, con lo que se facilita enormemente su lectura.

b) Diagrama de bloques de un sistema de control

Cuestión 4

a) Válvulas reguladoras de caudal

Las válvulas reguladoras de caudal son las quecontrolan el caudal de aire que pasa por unaconducción. Este caudal puede ser regulado enun solo sentido (válvulas unidireccionales) o en ambos sentidos (válvulas bidireccionales).

Las válvulas reguladoras de caudal unidi-reccionales poseen dos vías. En una de ellasse dispone un tornillo capaz de estrangular elpaso del aire y reducir así su caudal. En la otrahay una válvula antirretorno.

132

Transmisores

Sensores

Visualizadores

Comparadores

Reguladores

Actuadores

B

A

T

Antirretorno

133

• Si el aire penetra por A y sale por B, su cau-dal puede ser regulado mediante el tornillo T,ya que tiene un solo camino de circulación(el indicado en la figura) porque el antirretor-no C impide su paso por esa vía.

• En cambio, si penetra por B, puede salir per-fectamente por A a través de antirretorno,con lo que su caudal no podrá ser reguladopor medio del tornillo T.

Por lo tanto, el caudal de aire sólo podrá ser re-gulado cuando su sentido de circulación sea deA a B.

La estructura de las válvulas reguladoras decaudal bidireccionales es más simple que laanterior, ya que sólo disponen de una vía depaso y no disponen de antirretorno.

Como el aire pasa obligatoriamente por la víaen la que se encuentra el tornillo T, tanto si cir-cula de A hacia B como si lo hace de B hacia A,su caudal puede ser regulado mediante el cita-do tornillo.

b) Regulación de la velocidad

La regulación de la velocidad es necesaria enmuchas de las maniobras que efectúan los ci-lindros. Esta regulación se lleva a cabo median-te las válvulas reguladoras del caudal que saledel cilindro hacia el escape. Se trata de contro-lar el caudal de salida del aire, pero no el deentrada, ya que esto último provocaría que elémbolo se desplazara a saltos.

c) Esquema del circuito

Para regular la velocidad de accionamiento deun cilindro de doble efecto en ambos sentidoshay que situar sendas válvulas reguladoras decaudal unidireccionales en las dos vías de ac-

ceso a éste, de manera que el antirretorno ubi-cado en su interior permita siempre el accesolibre del aire a la entrada de las cámaras, perono el de salida, cuyo caudal será regulado porlos respectivos tornillos.

Cuestión 5

Las siglas FPLA significan Field ProgrammableLogic Array, que puede traducirse como matriz ló-gica programable por el usuario. Se trata de circui-tos lógicos que permiten programar el valor de lasvariables de salida en función de las distintas com-binaciones de las variables de entrada.

Las FPLA pueden ser consideradas, según la apli-cación, como memorias de dirección condicional obien como circuitos combinacionales construidoscon puertas OR y puertas AND.

Estos dispositivos se designan con algoritmos deltipo 48 3 8 K. La primera cifra designa el número depalabras (unidades de memoria formadas por unconjunto determinado de bits) que puede albergarla matriz, y la segunda, el número de bits de cadapalabra. El producto de ambas cifras indica el nú-mero de bits de memoria disponibles en la FPLA.

a) Elementos componentes

Las FPLA están formadas por diferentes ele-mentos: el amplificador de entrada, la matrizprogramable, la matriz de memoria y el amplifi-cador de salida

El amplificador de entrada dispone de dos sa-lidas para cada una de las variables: una nega-da y otra sin negar. Cada salida correspondecon una entrada de la matriz programable.

La matriz programable tiene entradas y sali-das para cada fila y cada columna.

• Las filas corresponden a las salidas del ampli-ficador de entrada, como ya hemos indicado.

B

A

T

1 3

4 2

• Las columnas están conectadas, a través deuna resistencia, a una tensión en corrientecontinua, VCC, que es la que se va a utilizarpara efectuar la programación.

Cada punto que se representa en la matriz pro-gramable corresponde a la unión de una filacon una columna, que se lleva a cabo median-te un semiconductor unido en serie con un fusi-ble. En este caso, el semiconductor es un tran-sistor multiemisor.

La matriz de memoria es propiamente la me-moria, donde se almacenan y se escriben losdatos que nos interesan.

El amplificador de salida nos permite, por unaparte, preparar la memoria para leer o para es-cribir y, por otra, adaptar los niveles de funcio-namiento de la memoria al exterior.

b) Programación

El mecanismo de programación de una FPLAlo lleva a cabo el usuario a partir del soporte

proporcionado por el fabricante, en el que to-dos los puntos de unión entre filas y columnasson conductores.

Para seleccionar la posición objeto de graba-ción se procede del modo siguiente:

• Se selecciona el punto que se desea progra-mar, mediante la línea y la columna corres-pondientes.

• Se introduce por la línea un impulso eléctricode intensidad lo suficientemente alta comopara que funda el fusible. De esta forma elemisor del transistor bipolar queda aislado ysin posibilidad de conducir.

Por tanto, cuando la entrada correspondientetenga el fusible fundido, no existirá en la salidade la puerta AND.

Una vez fundido el fusible es imposible volver areponerlo. Por tanto, la información quedarágrabada para siempre en la FPLA.

Cuestión 1

a) Estructura y funcionamiento

El horno de Siemens-Martin es un gran hornode reverbero de forma rectangular y techo abo-vedado, capaz de albergar hasta 400 toneladasde material. El revestimiento interior es de ca-rácter básico y dispone de cámaras para el pre-calentamiento del combustible empleado, quesuele ser gas.

La carga del material se lleva a cabo por la par-te superior del horno mediante dispositivos es-peciales.

Las características del dispositivo permiten quefuncione con diferentes tipos de carga: arrabioprocedente del horno alto (sólido o líquido) oarrabio mezclado con chatarra y mineral dehierro. El contenido en chatarra puede llegar aser el 70 % del total.

En todos los casos se añade cal para que arras-tre la escoria.

El proceso de afinado consiste en quemar elcombustible precalentado en el interior del hor-

no hasta alcanzar temperaturas del orden de1 800 °C. A esta temperatura, las impurezasque contiene el material se oxidan y se elimi-nan: el monóxido de carbono se escapa en for-ma de gas y los óxidos de silicio y fósforo sonarrastrados por la cal y forman la escoria.

Cuando se estima que el contenido en carbonoes el adecuado, se añaden los aleantes apro-piados y se extrae la colada de acero. El proce-so puede llegar a 12 horas de duración.

Los aceros obtenidos por este procedimientoadmiten la forja, el temple y la soldadura.

El principal inconveniente de este procedimien-to radica en su elevado consumo energético yen la baja calidad del producto obtenido en re-lación con los convertidores actuales.

b) Ciclo térmico del combustible

Los gases procedentes de la combustión salena través de unas cámaras que contienen ladri-llos refractarios y transfieren a éstos el calor.De este modo, los ladrillos llegan a alcanzartemperaturas del orden de 1 150 °C.

134

Solución modelo 3

135

A continuación, se invierte el ciclo y se hacepasar aire a través de estas cámaras para quese precaliente.

El combustible, en presencia del aire precalen-tado, arde en forma de soplete sobre el mate-rial depositado en el horno hasta alcanzar latemperatura de 1 800 °C.

Los gases, al salir, calientan otra vez los ladri-llos y de nuevo se repite el ciclo.

c) Otros procesos de fabricación y afino

Entre los procesos de fabricación y afino delacero, además del horno de Siemens-Martin,puede citarse el convertidor de Bessemer yThomas, el convertidor LD y los hornos eléc-tricos.

El convertidor de Bessemer y Thomas fueideado por Bessemer y consistía en un recipien-te metálico basculante de gran tamaño recubier-to por material refractario. El prceso de afino du-raba entre 15 y 20 minutos y tenía tres fases:llenado, soplado y vaciado.

• En la fase de llenado , se inclinaba el conver-tidor para facilitar su llenado con el arrabiofundido procedente del horno alto.

• En la fase de soplado, el convertidor se si-tuaba en posición vertical y se inyectaba airea presión a través de unos orificios practica-dos en el fondo. El aire pasaba a través de lamasa fundida y oxidaba el carbono, el silicio yel manganeso. El calor desprendido en estosprocesos de oxidación permitía mantener latemperatura de fusión del arrabio.

• La fase de vaciado se iniciaba una vez que-madas las impurezas: se inclinaba de nuevoel convertidor y se vertía el acero en las lin-goteras.

La principal ventaja de este procedimiento con-sistía en poder detenerlo con sólo cerrar la en-trada del aire. De este modo, se conseguíanaceros con distintas cantidades de carbono, sili-cio y manganeso. Su principal inconvenienteradicaba en que sólo podía utilizarse para arra-bios con cantidades muy pequeñas de fósforo,ya que este material no se eliminaba.

La modificación introducida por Thomas con-sistió en incorporar un fundente de carácter bá-sico —la cal— que permitía eliminar el excesode fósforo presente. Al finalizar el proceso, se

extraía primero el acero y posteriormente la es-coria formada. Sin embargo, a diferencia del deBessemer, el proceso no podía detenerse pararegular la cantidad de otros componentes.

En la actualidad, este dispositivo ha caído endesuso y ha sido sustituido por el modernoconvertidor LD.

El convertidor LD es un dispositivo que permi-te obtener acero por soplado de oxígeno. Poreso, también se le conoce con el nombre dehorno de oxígeno básico.

En este caso, no se inyecta aire por la parte in-ferior, sino que se insufla oxígeno a presiónhasta la misma superficie del material fundidopor medio de una lanza refrigerada por agua.

El recipiente utilizado es de gran tamaño (pue-de llegar a pesar hasta 500 toneladas) y estáconstruido en acero revestido interiormente conladrillo refractario.

Está montado de forma que pueda bascular so-bre uno de sus costados para facilitar la carga y la descarga.

El proceso de afino dura alrededor de una horay también tiene tres fases: llenado, afinado yvaciado.

• En la fase de llenado se inclina el converti-dor y se introduce en él, en primer lugar, elarrabio líquido procedente del horno alto; acontinuación, chatarra de acero y, finalmen-te, el fundente encargado de formar y arras-trar la escoria. Una vez cargado, se colocaen posición vertical.

• En la fase de afinado se inyecta oxígenomediante la lanza refrigerada a una presiónde 12 atmósferas. Éste provoca la oxidacióndel carbono hasta reducir su contenido pordebajo del 1 %. La reacción del carbono conel oxígeno es muy rápida y produce altastemperaturas que mantienen el material enestado líquido. Al mismo tiempo, se eliminael exceso de fósforo, azufre y silicio. Al finaldel proceso, se añaden en el interior del con-vertidor los aleantes en la proporción ade-cuada para conseguir el tipo de acero que sedesea.

• Para llevar a cabo la fase de vaciado , se in-clina el convertidor sobre su costado para eli-minar la escoria que sobrenada y despuésse bascula totalmente para vaciar el acero.

La principal ventaja del procedimiento LD esque permite recuperar chatarra para produciracero nuevo. Por eso, es el más empleado en laactualidad para la obtención de aceros comu-nes de baja aleación.

Los hornos eléctricos no se emplean para lafabricación del acero, sino para su afino. Losmás empleados son los de arco y los de in-ducción.

• El horno eléctrico de arco consta de un re-cipiente de acero de forma cilíndrica, recu-bierto en su interior por ladrillo refractario yprovisto de circuito de refrigeración. Puedealbergar hasta 130 toneladas de material. Lacubierta superior puede separarse para faci-litar la carga y está atravesada por dos o treselectrodos de carbón. Una vez cargado con elacero que se desea refinar, se cierra el reci-piente y se hacen saltar potentes arcos vol-taicos entre los electrodos y el material. Se al-canzan temperaturas de hasta 3 800 °C, quepermiten fundir metales de elevada tempera-tura de fusión, como el molibdeno, el tungste-no, el níquel, el cromo, el vanadio, el manga-neso y el titanio.

• El horno de inducción , como el anterior, con-siste en un recipiente cilíndrico de acero dealtura superior a 4 m y de diámetro superior alos 7 m y lleva en su parte exterior una bobinaeléctrica. El interior también está protegidocon material refractario. Una vez cargado conel material, se hace circular una corrienteeléctrica de alta frecuencia por la bobina. Estacorriente induce en el interior del material delhorno unas corrientes eléctricas denomina-das corrientes de Foucault, que producen unenorme aumento de temperatura capaz defundirlo. Este tipo de hornos reciben el nom-bre de hornos UHP (ultra high power), ya quepermiten obtener hasta 105 toneladas de ace-ro en tan sólo 111 minutos. En la actualidad,las acerías más modernas lo incorporan ensus instalaciones.

Sus principales ventajas son el rápido calenta-miento que permiten, el buen control de la tem-peratura y la inexistencia de gases combusti-bles que pueden dar origen a impurezas.

El mayor inconveniente radica en el elevadocoste de la energía eléctrica cuando se empleapara producir calor. Por ello, los hornos eléc-tricos sólo se emplean para el último afino del

acero que procede de un convertidor LD o unhorno de Siemens-Martin.

Cuestión 2

a) Estructura de una fresadora

La fresadora es una máquina herramienta cuyamisión es hacer girar un útil cortante, denomi-nado fresa, con el fin de poder mecanizar pie-zas.

Las fresadoras pueden clasificarse en tres gran-des grupos, según la posición que ocupa el ejede la fresa respecto al suelo: fresadoras hori-zontales, verticales y mixtas. En estas últimas,el eje es orientable en cualquier dirección.

Nosotros nos limitaremos a la fresadora hori-zontal por ser la más utilizada. En ella podemosdistinguir los siguientes elementos: base, cuer-po, soporte, eje portaherramientas, ménsula,carro portamesa y mesa.

• La base es el elemento rígido que se encar-ga de sustentar el resto de los componentesde la fresadora.

• El cuerpo es la parte en la que se encuentrael motor de accionamiento y los mecanismosque originan el giro de la fresa y el avance dela pieza que se trabaja.

• El soporte o puente va situado en la partesuperior del cuerpo y sirve como elementode apoyo del eje portaherramientas.

• El eje portaherramientas es el elementoque al girar origina el movimiento de rotaciónde la fresa.

• La ménsula es un bastidor que puede desli-zarse verticalmente sobre las guías que llevael cuerpo en su parte anterior.

• El carro portamesa puede deslizarse hori-zontalmente sobre las guías que lleva la mén-sula.

• La mesa está situada sobre el carro porta-mesa y soporta la pieza que se va a trabajar.Su movimiento es transversal al del carro ypermite el avance de la pieza.

b) Cadena cinemática

La operación de fresado se caracteriza porquela velocidad de corte es una característica de la

136

137

herramienta, mientras que el avance es propiode la pieza que se va a trabajar.

El análisis de la cadena cinemática de la fresa-dora nos permitirá determinar la velocidad degiro de la fresa y el avance de la pieza. A partirde estos datos, podremos establecer la veloci-dad de corte.

• Velocidad de giro de la fresa

El giro de la fresa se obtiene gracias a unmotor eléctrico. El eje motor dispone de unacaja de velocidades que permite seleccionarla velocidad del eje portaherramientas y, porlo tanto, de la fresa que va montada en él. Setrata, pues, de una transmisión de movimien-to de giro por medio de un tren compuestode engranajes.

Cuando queramos modificar la velocidad degiro de la fresa, bastará con actuar sobre lacaja de velocidades para obtener combina-ciones distintas de engranajes.

• Avance de la pieza

Es el desplazamiento longitudinal que realizala pieza por cada giro de la fresa. El avancese mide en mm/vuelta.

Este movimiento está ligado al del giro de lafresa del modo siguiente:

— El giro del eje motor se transmite al eje desalida por medio de otro tren compuestode engranajes.

— Mediante un eje telescópico provisto dejuntas cardan se comunica el movimientode giro a un tornillo sin fin que forma par-te de un mecanismo tornillo sin fincorona.

— La corona, situada bajo la mesa, es la en-cargada de producir su movimiento y, enconsecuencia, el de la pieza que se tra-baja.

Para modificar el avance de la pieza, bastarácon actuar sobre el tren compuesto de engra-najes para obtener combinaciones distintasde éstos y, por lo tanto, diferentes avances.

• Velocidad de corte

Es la velocidad tangencial de desplazamien-to en m/min de un diente de la fresa ante lapieza.

La relación entre la velocidad de giro del ejeprincipal y la velocidad de corte viene dadapor la expresión:

n dv ————

100 C

donde v es la velocidad de corte en m/min; n,la velocidad de giro en rpm; y d, el diámetrode la fresa en mm.

La velocidad se determina empíricamente enfunción del material que se trabaja y del tipode fresa utilizada. En general, si la velocidadde corte es elevada, el nivel de producción esalto, pero existe riesgo de rotura de la fresa.En cambio, cuando es baja, disminuye el ries-go de rotura, pero el rendimiento es menor.

c) Historia de la fresadora

La fresadora es una máquina herramienta rela-tivamente reciente.

La primera fresadora de uso industrial fue obradel ingeniero estadounidense Eli Whitney en1818. Con ella pudo fabricar en serie armas defuego solicitadas por el gobierno de EE.UU.

Tras algunas modificaciones puntuales, en 1862,el también estadounidense Joseph R. Brown de-sarrolló la fresadora universal, con la que se po-dían efectuar diferentes trabajos con sólo inter-cambiar el útil de corte.

En 1957, se instaló en el MIT (MassachussetsInstitute of Technology) la primera fresadoraaccionada por control numérico que permite elmecanizado de piezas a partir de la lectura deplanos que efectúa un ordenador.

Cuestión 3

a) Circuito eléctrico equivalente

V

NC

LED

R

L+

L–

NA

Carga 2Carga 1

b) Funcionamiento

Cuando se oprime el pulsador, se cierra tam-bién el circuito que alimenta el diodo LED yéste se ilumina. Al dejar de oprimir, se abre elcircuito y el LED se apaga.

El LED necesita resistencia de protección por-que la tensión de la señal que transmite el pul-sador suele ser muy superior a la que es capazde soportar el LED. En consecuencia, hay queinstalar la resistencia en serie con el LED deforma que absorba la mayor parte de la ten-sión que pasa por la línea.

c) Resistencia de protección

Datos: Vpulsador 30 V

VLED 1,5 V

ILED 25 mA 0,025 A

La resistencia de protección y el LED están co-nectados según el esquema siguiente:

Si el LED sólo puede soportar 1,5 V, la diferen-cia de potencial entre los extremos de la resis-tencia habrá de ser de 30 1,5 28,5 V.

Por otra parte, la intensidad que circula por am-bos componentes ha de ser la misma: 0,025 A.

En estas condiciones, aplicamos la ley de Ohmy resulta:

V I R ⇒

V 28,5 V⇒ R — ———— 1 140

I 0,025 A

La resistencia ha de tener un valor de 1140 W.

Cuestión 4

a) Fuerza de avance y de retroceso

Datos: D 60 mm 0,06 m

d 20 mm 0,02 m

P 10 bar 1106 Pa

85 % 0,9

Aplicamos directamente las fórmulas que per-miten calcular la fuerza efectiva en el avance yen el retroceso:

D2Fea P ——

4

3,14 (0,06 m2) 0,85 (1 106 Pa) ———————

4

2 402,1 N

(D2 d 2)Fer P ——————

4

0,85 (1106 Pa)

3,14 (0,06 m)2 (0,02 m)2 —————————————— 2 135,2 N

4

La fuerza efectiva de avance es de 2 402,1 N yla de retroceso, de 2 135,2 N.

b) Consumo de aire

Datos: D 0,06 m

d 0,02 m

e 100 mm 0,10 m

El volumen de aire que consume el cilindro encada ciclo se obtiene aplicando la expresión:

(2 D2 d 2)VT —————— e

4

3,14 2 (0,06m)2 (0,02m)2VT —————————————— 0,10 m

4

m3 5,34 104 ———

ciclo

Si el cilindro efectúa 25 ciclos por minuto, elcaudal de aire utilizado será:

m3 ciclos LC 5,34 104 ——— 25 ——— 103 ——

ciclo min m3

L 13,35 ——

min

El cilindro consume 13,35 L/min de aire, medi-do en condiciones normales.

138

V = 1,5 V

I = 0,025 A

V = 30 V

139

Cuestión 5

a) Expresión simbólica y simplificación

Escribimos inicialmente la función como sumade los términos canónicos para los cuales lafunción adopta valor 1.

F ABC A

B

C

ABC

AB

C

A

B

C

Para simplificar la función recurrimos a los dia-gramas de Karnaugh:

Se observa que pueden formarse dos agrupa-mientos: uno horizontal de cuatro celdas en laprimera fila y otro vertical de dos en la segundacolumna.

Cuestión 1

a) Funcionamiento de la incineradora

Los vehículos que transportan los residuos quehan de ser incinerados van provistos de un sis-tema basculante que les permite descargar sucontenido desde el muelle de descarga hastala fosa de recepción.

Desde allí, una grúa puente, provista de un pul-po en su extremo, deposita los residuos en latolva de alimentación.

Los residuos son precalentados antes de pasara la parrilla mecánica, donde serán incineradosen el interior de la cámara de combustión. Lascenizas y la escoria generadas en el procesode incineración caen hasta un foso en el que seacumulan inicialmente.

Los humos y las cenizas volátiles generados enla combustión circulan a través de una serie deserpentines por los que circula agua. De estemodo se genera vapor que puede ser aprove-chado posteriormente para alimentar los turbo-alternadores y generar energía eléctrica.

A medida que se enfrían los humos, se produ-ce la condensación de líquidos y el depósito departículas sólidas en suspensión. Todas ellasvan a parar a la misma fosa que las cenizas pri-marias. Para facilitar la expulsión de los humos,la chimenea está provista de potentes ventila-dores que fuerzan la circulación del aire.

Antes de salir por la chimenea, los humos sonsometidos a un riguroso filtrado para evitar laemisión de partículas al exterior. Los materia-les sólidos filtrados van a parar a un depósito.

Las cenizas y la escoria procedentes de lasetapas anteriores son extraídas por medio deuna cinta sin fin y trasladadas hasta el depósitode recogida final. Desde allí, serán trasladadosa un vertedero controlado o utilizados para re-cuperar materiales sólidos.

Características de los residuos incinerables

Para que el aprovechamiento energético con fines caloríficos pueda ser llevado a cabo de

El grupo de cuatro celdas representa los térmi-nos

A

B

C,

AB

C, AB

C, A

B

C. Las variables que

cambian son A y B, por lo que pueden suprimir-se y queda sólo

C.

El grupo de dos celdas representa los términos AB

C y

ABC. En este caso, la variable que cam-

bia es la C, por lo que puede suprimirse, y que-da

AB.

La función simplificada resulta, pues:

F AB C

b) Logigrama

El logigrama correspondiente a la función sim-plificada es el siguiente:

A

B

C

F

ABC

0 0 0 1 1 1 1 0

0 1 1 1 1

0 0 1 0 0

Solución modelo 4

modo eficiente, es necesario estudiar previa-mente las características de los residuos.

En términos generales, se consideran térmica-mente aprovechables aquellos residuos quecumplen las condiciones siguientes:

• Su poder calorífico inferior, es decir, las ca-lorías que proporciona un combustible, des-contadas las necesarias para la vaporizacióndel agua formada en la combustión, debe sersuperior a las 1 000 kcal/kg.

• Su contenido en humedad ha de ser inferioral 50 %.

• Su contenido en cenizas ha de ser inferior al60 %.

Cuando el poder calorífico de las basuras noes suficiente para su aprovechamiento ener-gético, se utiliza fuelóleo o gas natural para elencendido y el posterior mantenimiento de latemperatura del horno.

b) Otras formas de tratamiento de residuos

Además de la incineración, los residuos pue-den ser depositados en vertederos, ser recicla-dos o ser aprovechados para la fabricación decompost.

• Vertederos controlados

Se trata de lugares alejados de los núcleosde población donde se depositan los RSU.Pero como esta acumulación comporta unaserie de inconvenientes para la salud y el entorno, es necesario preverlos teniendo encuenta la forma y el lugar del vertedero y suscaracterísticas: impermeabilidad, escorren-tías, evacuación y disipación de gases y ma-los olores...

A pesar de estas medidas, el paisaje del en-torno queda desfavorecido. Además, el lugarse convierte en un foco de proliferación deinsectos, aves y roedores, capaces de gene-rar y transmitir enfermedades.

• Vertederos recuperables

En este tipo de vertederos, los RSU se depo-sitan alternados con capas de tierra. De estemodo, al cabo de unos años, la fermentaciónde los residuos orgánicos posibilita el apro-vechamiento del lugar, que puede ser con-

vertido de nuevo en zona de aprovechamien-to agrícola o simplemente ser ajardinado.

Este procedimiento tiene la ventaja de subajo coste por la posible reutilización poste-rior de la zona, pero a veces las distanciasencarecen el transporte.

• Reciclaje

El reciclaje es el proceso que tiene como ob-jetivo la recuperación de algunos de los com-ponentes que contienen los RSU.

Para llevarlo a cabo se necesita una separa-ción previa de los componentes, que puedellevarse a cabo, mediante recogida selectivao por procedimientos fisicoquímicos: tritura-ción, cribado, separación electromagnéticade metales, separación por flotación o sepa-ración química.

El procedimiento requiere fuertes inversio-nes debido a las sofisticadas técnicas queemplea.

• Compostaje

Una variante del proceso de reciclaje es elcompostaje, que consiste en la descomposi-ción biológica de la materia orgánica de losRSU en condiciones aerobias (en contactocon el aire) y mediante control. De este modose obtiene el denominado compost, que seutiliza como abono orgánico para la regene-ración del suelo.

c) Materiales reciclables

Entre los materiales de desecho que puedenser objeto de reciclaje podemos citar la cha-tarra, el papel y el cartón, el plástico, el vidrio yel caucho.

(La elección del material que va a ser explicadoa continuación dependerá del criterio de cadaalumno/a. No obstante, ofrecemos un modelo.)

Obtención de papel reciclado

Los procesos de reciclaje del papel tienen suorigen en los problemas medioambientales ge-nerados por la fabricación de papel nuevo: de-forestación y contaminación medioambiental.

La fabricación del papel reciclado comienzacon la recogida selectiva del papel usado encontenedores especiales.

140

141

A continuación, se procede a su limpieza me-diante frotamiento con productos alcalinos a 40 °C de modo que las fibras de celulosa no sevean afectadas.

La fase siguiente consiste en una depuraciónmediante filtrado y centrifugación, para elimi-nar las posibles partículas de elementos ajenosa la fibra, como arena, lacas, alambres, cuer-das, etc.

Una vez depurada, la pasta se sumerge en aguajabonosa y se inyecta aire para provocar la apa-rición de burbujas. De este modo se separa latinta mediante flotación. La tinta se traslada a vertederos y se incinera utilizando su propiaenergía calorífica.

A partir de este punto, la pasta obtenida sigueel mismo proceso que la celulosa de origen pri-mario para la obtención del papel: blanqueadode la pasta, tamizado, prensado, secado y sati-nado.

Ventajas frente al papel nuevo

Comparando los procesos de fabricación depapel reciclado con la fabricación de papel apartir de la pasta química virgen, podemos se-ñalar las siguientes mejoras de impacto am-biental:

• Disminución del consumo de madera, lo quefavorece el desarrollo de las masas foresta-les, con todos los beneficios que ello acarrea,y reduce los costes de talado, transporte ymanipulación.

• Disminución del consumo energético prima-rio, cuyo ahorro puede llegar al 62,5 %.

• Reducción del 86 % en el consumo de agua.

• Reducción del 92 % en los niveles de conta-minación del agua, de la atmósfera y del sue-lo ya que, en la fabricación de papel recicla-do, los productos químicos empleados pararegular la alcalinidad son biodegradables,por lo que disminuyen la contaminación quí-mica.

• Reducción de masa de RSU en los vertede-ros. En los países de nivel económico alto,esta reducción alcanza hasta el 30 %.

Sin embargo, no todo van a ser ventajas, ya queel papel reciclado resulta de peor calidad que elnuevo y con una apariencia gris o pardusca. Si

se blanquea la pasta para evitar este inconve-niente, los agentes químicos empleados tambiénresultan altamente contaminantes. De modo quecon la fabricación de papel reciclado se consigueuna ligera reducción de la contaminación medio-ambiental de origen químico, pero no su elimi-nación.

Cuestión 2

Datos: D 85 mmS 90 mmZ 4VC 51 cc

a) Para determinar la cilindrada unitaria, calcula-mos el volumen de un cilindro entre el PMI y elPMS:

D2 SVD ————

4 000

3,14 (85 mm)2 90 mmVD ——————————— 510,45 cc

4 000

b) La cilindrada total se obtiene multiplicando lacilindrada unitaria por el número de cilindros:

VT VD Z 510,45 cc 4 2 041,8 cc

c) Para calcular la relación carrera-diámetro divi-dimos la carrera, S, entre el diámetro, D:

S 90 mm— ———— 1,059D 85 mm

d) La relación volumétrica de compresión r es el cociente entre el volumen total del cilindro(VC VD) y el volumen de la cámara de com-presión (VC):

VC VDr ———— ⇒VC

51 cc 510,45 cc⇒ r ———————— 11,00

51 cc

La cilindrada unitaria es 510,45 cc , la cilindradatotal, 2 041,8 cc , la relación carreradiámetro vale1,059 y la relación volumétrica de compresión re-sulta ser 11,00.

Por el valor de la relación de compresión, pode-mos decir que se trata de un motor de gasolina.

Cuestión 3

a) Gráfica

b) Variación de la respuesta

El termostato es un dispositivo que permite uncontrol todo/nada, es decir, que desconecta laresistencia del horno cuando la temperatura alcanza el valor de referencia y vuelve a conec-tarla cuando este valor se aleja del punto de re-ferencia. En consecuencia, si queremos que elhorno se mantenga a una temperatura determi-nada de forma permanente, será forzoso mar-car el punto de referencia por encima de latemperatura deseada. De este modo, se garan-tiza que, durante el régimen permanente, lasoscilaciones de la señal en su zona mínima semantendrán siempre por encima de la tempe-ratura deseada.

En cambio, si utilizamos un regulador propor-cional PID la respuesta del sistema será dife-rente:

• En primer lugar, podemos conseguir mejorarel régimen transitorio, haciendo que la tem-peratura de referencia se alcance antes.

• En segundo lugar, las oscilaciones de la se-ñal en el régimen permanente tendrán unaamplitud muy pequeña, lo que permite situarel valor de referencia prácticamente igual a latemperatura que deseamos alcanzar.

• Finalmente, las perturbaciones que pueda su-frir el sistema serán automáticamente corregi-das por el regulador, el cual reducirá el OFF-SET a un valor mínimo.

c) Ventajas e inconvenientes

Además, el regulador reduce progresivamenteel aporte de potencia cuando la señal se apro-xima al valor de referencia.

El único inconveniente del regulador es que re-sulta mucho más caro que el termostato, por loque no suele utilizarse para procesos simplesni tampoco en aquellos en los que el ahorroenergético no es significativo.

Cuestión 4

Esquema del circuito

a) Funcionamiento del sistema

En posición de reposo, la válvula distribuidorapermite la entrada de aire a la cámara anteriordel cilindro, por lo que éste permanece en suposición máxima de retroceso. La puerta delautobús permanece cerrada.

Cuando se oprime el pulsador de la microvál-vula 3/2 NC que regula la apertura de la puer-ta, ésta cambia su posición de trabajo y permi-te el paso de aire tanto a la válvula distribuidoracomo a la microválvula 3/2 NA que regula elcierre.

Al llegar el aire al órgano de mando de la válvu-la 5/2, ésta invierte su posición de trabajo ypermite el paso del aire hasta la cámara poste-rior del cilindro a través del antirretorno de laválvula reguladora, provocando el movimientode avance del vástago y con él, la apertura dela puerta.

142

t

t

t

t

1

0

Temperatura

Potencia

Apertura Cierre

143

El aire que llega al órgano de retorno de la microválvula 3/2 NA que regula el cierre haceque ésta invierta su posición y permita la sali-da del aire contenido en la cámara anterior. Di-cha salida está controlada por medio de unaválvula reguladora de caudal unidireccional,con lo que se garantiza una apertura suave dela puerta.

Cuando se oprime el pulsador de la microválvu-la 3/2 NA que regula el cierre, ésta, inicialmentecerrada como consecuencia de la acción del ór-gano de retorno, invierte de nuevo su posición ypermite el paso de aire tanto a la válvula distri-buidora como a la microválvula 3/2 NC que re-gula la apertura.

Al llegar el aire al órgano de retorno de la vál-vula 5/2, ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la cámara an-terior del cilindro a través del antirretorno de laotra válvula reguladora, provocando el movi-miento de retroceso del vástago y el cierre dela puerta.

El aire que llega al órgano de retorno de la mi-croválvula 3/2 NC, que regula la apertura, haceque ésta invierta de nuevo su posición y permi-ta la salida del aire contenido en la cámaraposterior. Dicha salida también está controladapor medio de otra válvula reguladora de caudalunidireccional, con lo que se garantiza el cierresuave de la puerta.

b) Justificación

La utilización de microválvulas de retorno neu-mático para pilotar la apertura y el cierre de lapuerta permite que, para accionar ésta, bastapulsar el pulsador correspondiente, ya que el re-torno sólo se produce cuando el órgano corres-pondiente recibe la señal neumática procedentede la otra válvula.

Si se utilizaran válvulas de retorno por resortesería necesario mantener la pulsación mientrasse produce la operación de apertura o de cierreya que, en caso contrario, el muelle de retornoinvertiría la posición de la válvula y la operación(de apertura o de cierre) se interrumpiría.

Cuestión 5

De acuerdo con la simbología empleada en el logi-grama, la función representada es:

S (A B ) (B C)

La tabla de verdad es la siguiente:

Si simplificamos la función utilizando las leyes deDe Morgan y las propiedades de la suma y el pro-ducto lógicos, obtenemos:

S (A B ) (B C) (

A B ) (B C)

A

B

B

C A

B

B

C

B (A

C)

Si ahora confeccionamos la tabla de verdad de lafunción simplificada, comprobamos que coincidecon la anterior:

A B CA

A B B C (

A B) (B C)

1 1 1 0 1 1 1

1 1 0 0 1 1 1

1 0 1 0 0 1 0

1 0 0 0 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1

0 1 0 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 1

0 0 0 1 1 0 0 1

0

0

0

1

1

0

0

S

A B CB

C A

C

B (A

C)

1 1 1 0 0 1 0

1 1 0 0 1 1 0

1 0 1 1 0 1 1

1 0 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 0 0

0 1 0 0 1 1 0

0 0 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 1 1

144

Cuestión 1

Datos: l 100 mmS 10 10 mm2

l 0,2 mmF 200 000 N

a) Tensión unitaria

La tensión unitaria es el esfuerzo que sopor-ta el material por unidad de sección, y vienedada por la expresión:

P —

S

donde P es la tensión o el esfuerzo aplicado,en kg, y S, la sección de la probeta, en mm2.

Calculamos el valor del esfuerzo y sustituimosen la fórmula:

1 KgP 200 000 N ——— 20 408,16 Kg

9,8 N

P 20 408,16 Kg Kg — ——————— 204,08 ———

S 100 mm2 mm2

La tensión unitaria que soporta la barra es204,08 kg/mm 2.

b) Elongación unitaria

La elongación unitaria o incremento unitario delongitud A es el cociente entre el alargamien-to provocado por la tensión aplicada y la longi-tud inicial de la probeta, y viene dado por la ex-presión:

IA ——

I0

En este caso:

I 0,2 mmA —— ———— 0,002

I0 100 mm

La elongación unitaria vale 0,002 (adimensio-nal).

c) Módulo de Young

El módulo de Young o módulo de elasticidad Ees el cociente entre la tensión unitaria sopor-

tada y la elongación unitaria A que se produceen el material. Viene dado por la expresión:

E —

A

En este caso:

Kg204,08 ———

mm2 KgE — ——————— 102 040,8 ———

A 0,002 mm2

El módulo de Young de la barra metálica resul-ta ser 102 040,8 Kg/mm 2.

Cuestión 2

a) Características anatómicas

Los motores eléctricos de corriente continuatransforman la energía eléctrica en energía me-cánica como consecuencia del giro de sus par-tes móviles.

La constitución de estos motores viene determi-nada por la necesidad de establecer un campomagnético y disponer de una serie de bobinasrecorridas por la corriente eléctrica y situadasen el seno del campo. En consecuencia, cons-tarán de dos elementos fundamentales, deno-minados estátor y rotor.

• El estátor es la parte fija del motor, respon-sable del establecimiento del campo magné-tico. Para ello disponen de una serie de bobi-nas, llamadas bobinas inductoras, situadasalrededor de los polos del electroimán. Estospolos van sujetos a la carcasa.

• El rotor es la parte móvil del motor. Constade otro conjunto de bobinas, denominadasbobinas inducidas, que van arrolladas sobrelas ranuras de un núcleo de hierro que se llama inducido. Los extremos de las bobinasse sueldan a una serie de láminas de co-bre, que reciben el nombre de delgas y for-man el colector. El conjunto se monta sobreun eje.

En los motores shunt, las bobinas inductorasvan conectadas en paralelo o derivación conlas bobinas inducidas. Su representación es-quemática es la siguiente:

Solución modelo 5

145

b) Funcionamiento

Cuando el motor funciona a plena carga (70 A),su rendimiento es óptimo y puede estimarse entorno al 85 %; el régimen de giro se sitúa sobrelas 700 rpm; el par motor es máximo (entre 40y 45 kgm) y la potencia absorbida llega a ser de36 kW.

Cuando funciona en vacío (0 A), el rendimientoes prácticamente nulo; el régimen del motor esligeramente superior al del funcionamiento aplena carga (alrededor de 750 rpm); el par mo-tor es también nulo y la potencia absorbidaapenas llega a alcanzar los 2 kW.

c) Aplicaciones

Estos motores se utilizan donde no se requieraun elevado par a pequeñas velocidades, don-de no se produzcan grandes cargas y dondeestas cargas puedan desaparecer (vacío) sinque se corra el peligro de embalamiento. Porello, se utilizan preferentemente en las máqui-nas herramientas.

Cuestión 3

De acuerdo con la descripción del sistema, po-demos distinguir diferentes tipos de variables: dereferencia, de estado, de salida, de control y per-turbaciones.

• La variable de referencia es la altura h0 en tor-no a la cual debe situarse el nivel de agua deldepósito.

• Las variables de estado son las que definen lasituación del proceso. En este ejemplo, se tratade la altura h que alcanza el agua en el depósitoal iniciar la maniobra y el caudal de agua quesale por la salida C, ya que es constante.

• La variable de salida es la variación de la altu-ra del depósito, h, a partir de la cual pueden

modificarse los aportes y las extracciones me-diante la entrada A y la salida D.

• Las variables de control son aquellas que pue-den modificarse a voluntad. En este ejemplo, setrata del caudal que llega al depósito por la en-trada A y el que se extrae por la salida D.

• La perturbación es una variable que no puedecontrolarse de forma voluntaria. En este ejemplo,se trata de la entrada B, que aporta agua de for-ma permanente aunque con un caudal variable.

El sistema de control ha de permitir comparar el ni-vel real h que alcanza el agua en el depósito con elnivel establecido, h0, y modificar el aporte de A y laextracción de D, de forma que contrarresten la ex-tracción constante de la salida C y el aporte varia-ble de la entrada B.

Para ello, hay que definir previamente el rango devariación permitida, h, tanto por encima comopor debajo del nivel de referencia, h0.

Una vez determinado éste, situaremos dos detec-tores de nivel a la distancia h, por encima y pordebajo, respectivamente, del nivel de referencia.

En el momento que el caudal de agua aportadopor la entrada B sea superior a la extracción efec-tuada por la salida D, el nivel del agua se incre-mentará. Cuando el sensor situado en la parte su-perior detecte la presencia de agua, enviará unaseñal al circuito de control que regulará la válvulade la salida D, equilibrando así el exceso de apor-te de agua.

Cuando el descenso del nivel del agua sea detec-tado por el sensor situado en la parte inferior, ésteenviará una señal al circuito de control que reduci-rá la extracción de la válvula de la salida D y abrirála de la entrada A, equilibrando de nuevo el exce-so de extracción de agua.

Así, puede alcanzarse un compromiso entre losaportes de agua y las extracciones de modo que elnivel del depósito se mantenga de forma perma-nente dentro de los límites preestablecidos.

El diagrama de bloques de este sistema de controles el siguiente:

B C

A, D

hh0Controlador Depósito

Comparador

+

–

A BI

I

C D

Ii

Iex

146

Cuestión 4

a) Elementos componentes

El circuito está formado por un cilindro de dobleefecto A gobernado por una válvula 4/2 conmando y retorno neumáticos.

El inicio de la maniobra puede efectuarse indis-tintamente desde dos puntos por medio desendas válvulas 3/2 NC (m1 y m2), con mandopor pulsador y retorno por resorte.

El recorrido del vástago está determinado pordos microválvulas 3/2 NC (a0 y a1) con mandopor roldana y retorno por resorte, que actúancomo finales de carrera y permiten el avance yel retroceso alternativos de forma automática.

La finalización de la maniobra se efectúa pormedio de otra válvula 3/2 NC (m3) con mandopor pulsador y retorno por resorte.

El circuito dispone, además, de tres válvulasselectoras de circuito que regulan el acceso delaire modulado al órgano de mando y de retornode la válvula distribuidora.

b) Funcionamiento

En posición de reposo, la válvula distribuidora4/2 permite el paso del aire hasta la cámara an-terior del cilindro, por lo que éste se encuentraen su posición máxima de retroceso.

Al accionar el pulsador de cualquiera de lasdos válvulas, m1 o m2, éstas cambiarán su po-sición de trabajo y permitirán el paso del airehasta el órgano de mando (A) de la válvuladistribuidora 4/2. Las dos válvulas selectorasde circuito que se encuentra el aire a su pasodesplazan el asiento de modo que el aire fluyahacia la válvula 4/2 y bloquee la salida del airea través de la válvula no pulsada, m1 o m2, o através del final de carrera a0.

Cuando el aire modulado llega a la válvula 4/2,ésta invierte su posición de trabajo y permite el paso del aire hasta la cámara posterior delcilindro, produciéndose de este modo la carrerade avance. Una vez comenzada la maniobra, elresorte de la válvula pulsada para el inicio de-vuelve ésta a su posición inicial.

La carrera de avance continúa hasta que el ex-tremo del vástago actúa sobre la roldana del final de carrera a1. Esta válvula invierte enton-ces su posición de trabajo y envía una señalneumática hasta el órgano de retorno (A) dela válvula distribuidora 4/2, que cambia de nue-

vo su posición de trabajo y permite ahora elpaso del aire hasta la cámara anterior del cilin-dro. Se inicia entonces la carrera de retroceso.Una vez comenzada la carrera, el muelle de re-torno devuelve el final de carrera a su posiciónde partida.

La válvula selectora de circuito, que encuentrala señal neumática enviada por el final de carre-ra a0, desplaza de nuevo el asiento de maneraque se bloquee la salida del aire hacia la válvu-la m3.

La carrera de retroceso continúa hasta que elextremo del vástago actúa sobre la roldana delfinal de carrera a0. Esta válvula invierte enton-ces su posición de trabajo y envía una señalneumática esta vez hasta el órgano de mandode la válvula distribuidora 4/2, que cambia otravez su posición de trabajo y permite ahora elpaso del aire hasta la cámara posterior del ci-lindro. Se inicia entonces una nueva carrera deavance. Una vez comenzada la carrera, el mue-lle de retorno devuelve el final de carrera a suposición de partida.

La válvula selectora de circuito, que encuentrala señal neumática enviada por el final de carre-ra a0, desplaza de nuevo el asiento de maneraque se bloquee la salida del aire hacia cualquie-ra de las válvulas m1 o m2.

El ciclo avance-retroceso se repetirá indefinida-mente mientras no se pulse la válvula m3. Alhacerlo, ésta permitirá el paso hasta el órganode retorno (A) de la válvula distribuidora pro-vocando inmediatamente la carrera de retroce-so. El aire enviado por la válvula m3 desplaza elasiento de las válvulas selectoras de circuito,de manera que se bloquee el acceso de la se-ñal emitida por los finales de carrera. De estemodo, cuando el cilindro llegue a su posiciónmáxima de retroceso ya no iniciará una nuevacarrera de avance hasta que no se pulsen nue-vamente cualquiera de las dos válvulas de ini-cio, m1 o m2.

Cuestión 5

a) Diagrama de bloques

z1

z0x0

x1

x2

Circuito combinacional

Entradas Salidas

147

b) Tabla de verdad

Si el circuito dispone de tres entradas, podráprocesar las señales 000, 001, 010, 011, 100,101, 110 y 111 que corresponden, respectiva-mente, a los números decimales siguientes:

Circuito combinacional

000 0 001 1 010 2 011 3

100 4 101 5 110 6 111 7

Calculamos la parte entera que corresponde a ladivisión N/3 y la expresamos en código binario:

000 0 → N/3 0 00

001 1 → N/3 0 00

010 2 → N/3 0 00

011 3 → N/3 1 01

100 4 → N/3 1 01

101 5 → N/3 1 01

110 6 → N/3 2 10

111 7 → N/3 2 10

Por tanto, la tabla de verdad del circuito será:

c) Funciones lógicas y simplificación

Las funciones lógicas correspondientes a cadauna de las salidas son:

z0 x2 x1 x0 x2

x1x0 x2

x1 x0

z1 x2 x1x0 x2 x1 x0

Simplificaremos primero la función z0. Para ello,recurrimos a los diagramas de Karnaugh:

Se observa que puede formarse un único agru-pamiento vertical de dos celdas, que corres-ponden a 100 (x2

x1x0) y 101 (x2

x1 x0). Elimi-naremos x0 y queda sólo x2

x1. Por tanto, lafunción z0 puede escribirse del modo siguiente:

z0 x2 x1 x0 x2

x1

Simplificamos ahora la función z1 siguiendo elmismo proceso:

Como en el caso anterior, también puede for-marse un único agrupamiento vertical de dosceldas, que corresponden a 110 (x2 x1

x0) y111 (x2 x1 x0). Asimismo, en este caso se elimi-na x0 y queda sólo x2 x1. Por tanto, la función z1puede escribirse del modo siguiente:

z1 x2 x1

d) Logigrama

De acuerdo con el resultado obtenido, el logi-grama del circuito será:

x2 x1 x0 z1 z0

0 0 0 0 0

0 0 1 0 0

0 1 0 0 0

0 1 1 0 1

1 0 0 0 1

1 0 1 0 1

1 1 0 1 0

1 1 1 1 0

x2 x1x0

0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 0 0 1

1 0 1 0 1

x2 x1x0

0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 0 1 0

1 0 0 1 0

x0

x1

x2 z1

z0

148

Cuestión 1

a) Corrosión

Es la destrucción lenta y progresiva de un ma-terial producida por el oxígeno del aire combi-nado con la humedad.

Los procesos de corrosión son procesos elec-troquímicos, ya que en la superficie del metalse generan micropilas galvánicas en las que lahumedad actúa como electrólito.

Por consiguiente, se producen dos reaccionesquímicas simultáneas: una reacción anódica yuna reacción catódica.

• La reacción anódica tiene lugar en la su-perficie del metal, que actúa como ánodo ycede electrones, con lo que se forma el óxidocorrespondiente.

• La reacción catódica consiste en la captu-ra de los electrones por los radicales OH yel posterior desprendimiento de hidrógenogas (H2).

Los agentes corrosivos más habituales son elcloruro de sodio, NaCl, presente en el agua delmar, y el dióxido de azufre, SO2, que se produ-ce en las combustiones.

La corrosión puede clasificarse en tres catego-rías: corrosión uniforme, localizada e intergra-nular.

• En la corrosión uniforme , el espesor de lazona afectada es igual en toda la superficiedel metal. Al disminuir el espesor de la pieza,también decrece su resistencia mecánica.

Es el caso típico de los metales atacadoscon ácidos.

• La corrosión localizada produce picaduras,hoyos y surcos en la superficie del metal. Eneste caso disminuye la capacidad de defor-mación y es muy difícil de prevenir.

El ejemplo más conocido es el del hierro ata-cado por el agua del mar.

• En la corrosión intergranular , el ataque selocaliza en la unión de los granos de los cons-tituyentes de los metales provocando pérdidade cohesión entre ellos.

El metal puede llegar a desintegrarse total-mente sin que se aprecie ninguna alteraciónsuperficial.

b) Modificación química de la superficie

Para proteger los materiales contra la corrosiónpueden utilizarse diferentes técnicas. Las de-nominadas de modificación química de la su-perficie, también llamadas de capa o barrera,consisten en la creación, por procedimientosquímicos, de una capa protectora o capa deconversión sobre la superficie del metal que sedesea proteger.

En este grupo, distinguimos el cromatizado, lafosfatación y la oxidación anódica. El cromatiza-do y la fosfatación se consiguen mediante tra-tamientos químicos, mientras que la oxidaciónanódica se lleva a cabo en un proceso electro-lítico.

Cromatizado

Consiste en aplicar al metal soluciones quecontienen ácido crómico o algún derivado conel fin de provocar la aparición de una capa deóxido compacta en su superficie que impida lacorrosión del resto del metal. Esta capa puedetener un espesor que oscila entre 0,01 y 1 dependiendo de la resistencia a la corrosiónque se desea generar.

Se emplea para el hierro y como protecciónadicional en los recubrimientos electrolíticosdel cinc, cobre, plata y estaño.

Fosfatación

Se aplican soluciones de ácido fosfórico y defosfatos de cinc, cadmio o manganeso paraprovocar la aparición de una capa de fosfatosmetálicos en la superficie del metal que le pro-tegen contra la humedad por ser insolubles enagua.

Se emplea generalmente como subcapa en elhierro y el acero cuando éstos han de ser pos-teriormente pintados o plastificados.

Oxidación anódica

Consiste en la creación de una capa de óxidometálico compacto superior a la que se produ-

Solución modelo 6

149

ce por oxidación natural. Para ello, se empleanprocedimientos electrolíticos.

En el ámbito industrial este tratamiento se apli-ca fundamentalmente al aluminio. El materialasí obtenido se denomina aluminio anodizado.

El proceso de anodizado del aluminio se lleva acabo en baños de ácidos (sulfúrico, crómico ofosfórico), aunque el de mayor aplicación es elácido sulfúrico (H2SO4) por ser el que consumemenos energía en el proceso. Se consiguen asíespesores de 30 que confieren al materialuna resistencia a la abrasión y al desgaste delorden de 200 a 400 veces superior a las obteni-das por los métodos de cromatizado y fosfata-ción.

La capa de óxido de aluminio obtenida así que-da fuertemente adherida al soporte, aunquepresenta cierta porosidad, por lo que debe pro-cederse a aplicar un último tratamiento queconsiste en sumergir la pieza en agua hirvien-do para que la capa de óxido se compacte eimpermeabilice. Este proceso puede aplicarsetambién al magnesio, el titanio, el tantalio, elvanadio y el circonio.

Por último, si así interesa, las piezas anodiza-das pueden revestirse de una capa de pintura obarniz.

Cuestión 2

Datos: z1 24 dientes z2 48 dientes

z3 30 dientes z4 18 dientes

z5 60 dientes z6 36 dientes

v 1 500 rpm P 2,5 kW

a) Velocidad del eje portafresas

Cuando la fresadora funciona en primera velo-cidad, el tren compuesto de engranajes queforma la transmisión se forma de la manera siguiente:

• La rueda 1 está montada sobre el eje motor yactúa de rueda conductora de la rueda 2.

• Las ruedas 2 y 4 son solidarias sobre el ejeintermedio y, por tanto, giran a la misma velo-cidad.

• La rueda 4 actúa como conductora de la rue-da 5, que está montada en el eje portafresas.

En estas condiciones, la relación de transmi-sión se calcula del modo siguiente:

z2 z5i (1.a vel.) i1-2 i4-5 — — z1 z4

48 d. 60 d. ——— ——— 6,67

24 d. 18 d.

En consecuencia, si la velocidad del eje motores n1 1 500 rpm, la del eje de salida, n2, será:

n1 n1 1500 rpmi — → n2 — ————— 225 rpm

n2 i 6,67

Repetimos el proceso para el caso que la fre-sadora funcione en segunda velocidad. En estecaso, el tren compuesto de engranajes es dife-rente:

• La rueda 1 sigue montada sobre el eje motory sigue actuando de rueda conductora de larueda 2.

• Ahora las solidarias son las ruedas 2 y 3 y,por tanto, giran a la misma velocidad.

• La rueda 3 actúa como conductora de la rue-da 6, que está montada en el eje portafresas.

En estas condiciones, la relación de transmi-sión se calcula del modo siguiente:

z2 z6i (2.a vel.) i1-2 i3-6 — — z1 z3

48 d. 36 d. ——— ——— 2,4

24 d. 30 d.

En consecuencia, si la velocidad del eje motores n1 1 500 rpm, la del eje de salida, n2, será:

n1 n1 1500 rpmi — → n2 — ————— 625 rpm

n2 i 2,4

En primera velocidad, el eje portafresas de lafresadora gira a 225 rpm. En segunda veloci-dad, lo hace a 625 rpm.

b) Par y potencia

Calculamos, en primer lugar, la velocidad an-gular del eje motor en rad/s:

2 rad 1 min rad 1 500 rpm ———— ——— 157 ——

1 vuelta 60 s s

A partir de este dato y de la potencia desarro-llada, determinamos el par motor M:

P 2 500 WP M → M — ———— 15,92 Nm

rad157 ——

s

Como el par y la potencia están relacionadoscon la relación de transmisión, calculamos lospares de salida y las potencias obtenidas encada velocidad.

Para la primera velocidad:

M1i1 —— → M1 i1 M 6,6715,92 N M

106,21 Nm

P1i1 —— → P1 i1 P 6,67 2,5 kw P

16,675 kw

Para la segunda velocidad:

M2i2 —— → M2 i2 M 2,4 15,92 Nm M

38,21 Nm

P2i2 —— → P2 i2 P 2,4 2,5 kw 6,00 kwP

En primera velocidad la fresadora desarrolla unpar de 106,21 Nm y una potencia de 16,675 kW.En segunda velocidad, el par es de 38,21 Nm yla potencia, 6,00 kW.

c) Velocidad de corte

Para calcular la velocidad de corte de la fresa-dora, basta aplicar la expresión:

n dv ———

1 000

donde v es la velocidad de corte (m/min); n esla velocidad de giro (rpm) y d, el diámetro de lafresa (mm).

Por lo tanto:

n d 225 rpm 3,14 50 mmv ——— ———————————

1 000 1 000

m 35,325 ——

min

En primera velocidad, la fresa desarrolla unavelocidad de corte de 35,325 m/min.

Cuestión 3

a) Función de los elementos

Como se aprecia en el diagrama de bloques,un detector de proximidad inductivo está forma-do por varios elementos básicos: la fuente dealimentación, la bobina detectora, el oscilador,el rectificador y el disparador.

• La fuente de alimentación se encarga de su-ministrar la energía eléctrica necesaria paraque funcione el sistema.

• La bobina detectora genera un campo mag-nético cuya intensidad variará en función dela proximidad del objeto que se detecta.

• El oscilador es un circuito que genera unaseñal de corriente alterna que adopta la for-ma de una onda senoidal. Esta señal se apli-ca a la bobina, que devuelve una señal de sa-lida en función de la variación del campomagnético provocado por el objeto detectado.

• El rectificador es un dispositivo que trans-forma la señal alterna que sale del osciladoren corriente continua. Se introduce para sim-plificar el tratamiento de la señal.

• El disparador se activa cuando la señal con-tinua procedente del rectificador tiene el va-lor adecuado.

b) Funcionamiento

Si el objeto se encuentra muy alejado de la pla-ca detectora, el oscilador da una señal alternade salida muy alta y, en consecuencia, la salidacontinua del rectificador es la máxima posible.En estas condiciones, un conmutador invierte laseñal de modo que el disparador no se activa.

A medida que el objeto se va acercando al de-tector, la señal de salida del oscilador va dismi-nuyendo en amplitud, pero no lo suficiente comopara provocar una disminución de la señal desalida del rectificador, por lo que el disparadorsigue inactivo.

Si el objeto se sigue acercando, llega un mo-mento en que la señal del oscilador es lo su-ficientemente pequeña para provocar una dis-minución de la señal del rectificador, que seproduce aproximadamente de forma lineal.

Cuando la señal del rectificador disminuye has-ta el 50 % de la tensión de salida, se alcanza el

150

151

nivel de operación: el conmutador varía la señaly el disparador se activa.

La señal de salida del disparador se mantienemientras el objeto se encuentra dentro de lazona de detección.

A medida que el objeto se aleja de la placa, seproduce el efecto contrario: la señal de salidadel oscilador comienza a aumentar y, con ella,se incrementa también linealmente la señal delrectificador.

Cuando esta señal alcanza de nuevo el 50 %de su valor nominal, el conmutador invierte otravez la señal y desactiva el disparador. Esto seproduce al salir el objeto de la zona de detec-ción.

c) Materiales detectables

Como los detectores de proximidad inducti-vos usan el principio de la inducción electro-magnética, es lógico pensar que los materiales más fácilmente detectables serán aquellos quesean permeables a los flujos magnético y eléc-trico.

Un buen conductor magnético concentrará yabsorberá el flujo magnético. Por el contrario,un mal conductor magnético dispersará el flujomagnético.

La capacidad de los cuerpos para absorber odispersar el flujo magnético se mide por su per-meabilidad magnética, que es la facilidad queposeen ciertos cuerpos para dejarse atravesarpor los campos magnéticos.

Atendiendo a esta característica, los materialespueden clasificarse en ferromagnéticos, para-magnéticos y diamagnéticos.

• Los materiales ferromagnéticos poseen unapermeabilidad mucho mayor que la unidad.

Este grupo incluye los materiales más fácil-mente detectables por los detectores inducti-vos. Entre ellos encontramos el hierro y susaleaciones, el níquel y el cobalto.

• Los materiales paramagnéticos tienen unapermeabilidad igual a la unidad.

Estos materiales también pueden ser detec-tados, aunque la distancia de detección esmás pequeña. En este grupo se incluyen me-tales como el aluminio y el platino.

• Los materiales diamagnéticos presentanuna permeabilidad menor que la unidad.

El escaso flujo magnético absorbido por estetipo de materiales es insuficiente para produ-cir una variación importante en la resistenciaequivalente de la bobina detectora. Por lotanto, no serán detectados. Entre ellos se en-cuentran el cobre, el vidrio, el oro y la plata.

Cuestión 4

a) Esquema de la instalación

b) Funcionamiento

En posición de reposo, la electroválvula 4/2permite el paso de aire hasta la cámara ante-rior del cilindro de doble efecto, por lo que éstese encuentra en la posición máxima de retro-ceso.

Cuando se desea separar un objeto defectuo-so, el operario oprime el pulsador. La corrientellega hasta el órgano de mando de la electro-válvula, que cambia su posición de trabajo ypermite que el cilindro efectúe la carrera deavance.

Mientras el operario mantenga la pulsación, elcilindro se mantendrá en su posición máximade avance. Cuando deje de oprimirlo, el resor-te de retorno invierte de nuevo la posición de laválvula, que deja pasar el aire hasta la cámaraanterior del cilindro y se origina la carrera deretroceso. Finalizada ésta, el cilindro permane-cerá inmóvil hasta que vuelva a oprimirse denuevo el pulsador.

c) Modo de actuación

El operario debe mantener la pulsación mien-tras dura la carrera de avance. En caso contra-rio, el resorte de retorno invertiría la posiciónde la válvula y el cilindro iniciaría la carrera deretroceso antes de haber finalizado el avance.

Cuestión 5

a) Tabla de verdad

Según se indica en el enunciado, la tabla deverdad de la función F será la siguiente:

De acuerdo con dicha tabla, la función F queregula el funcionamiento de la bomba vienedada por la siguiente expresión:

F ABC ABC A

BC A

B

C

ABC

AB

C

A

BC

b) Simplificación

Utilizamos un diagrama de Karnaugh y resulta:

Cuestión 1

a) Ensayos de tracción

Consisten en someter a una probeta, de unaforma y dimensiones determinadas, a un es-fuerzo de tracción en la dirección de su eje, quetiende a alargarla.

Las probetas empleadas suelen ser de seccióncircular uniforme y ensanchadas en sus extre-mos, para poder fijarlas a la máquina universalde ensayos o a un sistema hidráulico, que sonlos encargados de ejercer el esfuerzo de trac-ción. Su longitud está calibrada para medir lasdeformaciones producidas por el alargamiento

y se construyen todas iguales para poder com-parar los resultados de probetas construidascon distintos materiales.

Una de las formas geométricas más emplea-das es la que tiene una longitud entre puntoscalibrados de 200 mm y un diámetro de 20 mm.

b) Cálculoskg

Datos: 34,5 —— l 70 mmmm2

kgE 10 300 —— d 13,82 mm

mm2

Se observa que pueden formarse tres agrupa-mientos de cuatro celdas: dos en forma de cua-dro y uno horizontal en la segunda fila.

• El primer grupo de cuatro celdas en cuadro está formado por 010 (

AB

C), 110 (AB

C),

011 (ABC) y 111 (ABC). Las variables que

cambian son A y C, por lo que pueden supri-mirse y queda sólo B.

• El segundo grupo de cuatro celdas en cua-dro está formado por 110 (AB

C), 111 (ABC),

100 (AB

C) y 101 (A

BC). Las variables que

cambian son ahora B y C, por lo que puedensuprimirse y queda sólo A.

• El grupo formado en la segunda fila está for-mado por 001 (

A

BC), 011 (

ABC), 111 (ABC),

y 101 (ABC). Las variables que cambian son

ahora A y B, por lo que pueden suprimirse yqueda sólo C.

• En consecuencia, la expresión de la funciónF, una vez simplificada, queda del modo si-guiente:

F A B C

c) Logigrama

El logigrama de la función F es el siguiente:

152

ABC 0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 1 1 1

1 1 1 1 1

F

A

B

C

Solución modelo 7

A B C F

1 1 1 1

1 1 0 1

1 0 1 1

1 0 0 1

0

1 1 1

0 1 0 1

0 0 1 1

0 0 0 0

0

153

Para calcular la carga máxima, partiremos dela expresión que da la tensión unitaria .

P d 2 — ⇒ P S ——

S 4

kg 3,14 (13,82 mm)2P 34,5 —— ———————— 5172,6 kg

mm2 4

Para determinar el incremento de longitud, par-tiremos de la fórmula del módulo de Young pa-ra determinar la elongación unitaria. Conocidaésta, determinaremos la dilatación que experi-menta la probeta.

l l E — ⇒ A — — ⇒ l ——

A l E E

kg70 mm 34,5 ——

mm2 l ————————— 0,23 mm

kg10 300 ——

mm2

La carga máxima que es capaz de soportar ellatón antes de deformarse es de 5 172,6 kg. Laprobeta experimentará un incremento de longi-tud de 0,23 mm antes de experimentar defor-maciones plásticas.

Cuestión 2

a) Descripción del dispositivo

El sistema de descarga está formado por lacuba de función, la cuchara de colada, el ejede pivotamiento, el cilindro neumático y el reci-piente de recogida.

• La cuba de fundición es un recipiente deacero revestido de material refractario. Sufunción es contener el caldo provocado por lafusión de los materiales correspondientes.Se trata de un elemento estático del sistema.

• La cuchara de colada está formada por unapalanca acanalada que bascula sobre un ejesituado sobre la cuba. En uno de sus extre-mos dispone de un recipiente semiesféricoencargado de recoger el caldo de fundición.El otro extremo está unido al vástago de uncilindro neumático.

Cuando el cilindro efectúa la carrera de avan-ce, empuja el extremo de la cuchara al queestá unido. El movimiento basculante de éstahace que el otro extremo se sumerja en el in-

terior del caldo de fundición y llene parcial-mente el recipiente semiesférico.

Cuando el cilindro efectúa la carrera de retro-ceso, se produce el fenómeno inverso: la cu-chara bascula al revés y el caldo contenido enel recipiente se desliza a través de la acanala-dura hasta el recipiente de recogida exterior.

• El eje de pivotamiento permite el movimien-to basculante de la cuchara, cuando es im-pulsada por el cilindro neumático.

• El cilindro neumático es el encargado deprovocar el movimiento basculante de la cu-chara. Puede ser accionado manualmente ode forma automática.

El accionamiento manual puede consistiren una válvula distribuidora 4/2 con mandopor pulsador y retorno por resorte. Al accionarel pulsador, se producirá el movimiento deavance y la cuchara se sumergirá en la cuba.Al dejar de pulsar, el muelle de retorno provo-cará la inversión de la posición de trabajo dela válvula y, con ella, la carrera de retroceso:la cuchara basculará en sentido inverso.

El accionamiento automático podría con-seguirse mediante una electroválvula 4/2 conretorno neumático, un final de carrera y unsensor térmico en el interior de la cubeta.

El sensor detecta la temperatura de la cuba.Cuando ésta alcanza el valor deseado, emiteuna señal al circuito de control, el cual activala señal eléctrica del mando de la electrovál-vula. Ésta cambia su posición de trabajo yprovoca la carrera de avance: la cuchara sesumerge en la cuba.

Cuando el vástago llega al extremo de su carrera, se activa el final de carrera (válvula3/2 NC con mando por roldana y retorno porresorte) que se encuentra conectado al man-do neumático de retorno de la electroválvula.Ésta invierte de nuevo su posición de trabajoy provoca la carrera de retroceso: la cucharabascula en sentido inverso.

• El recipiente de recogida es otro elementopasivo del sistema: se encarga de recoger elcaldo que vierte la cuchara cuando basculadesde la cuba. Puede tratarse de un simplevaso colector que posteriormente habrá dedesplazarse hasta donde convenga, o bienuna conducción con un grado de inclinacióntal que permita el resbalamiento del caldohasta otro lugar.

b) Alternativas

El movimiento basculante de la cuchara puedeconseguirse también por medio de otros actua-dores, como los motores (eléctricos o de com-bustión) o mediante un dispositivo oleohidráulico.

El principal inconveniente de los motores radi-ca en que éstos efectúan un movimiento rotato-rio que debería ser transformado en rectilíneoalternativo. Por otra parte, el consumo energéti-co es notablemente superior.

El accionamiento oleohidráulico presenta la ven-taja de poder efectuar una fuerza efectiva, tantoen el avance como en el retroceso, notablemen-te superior a la de los sistemas neumáticos. Suprincipal inconveniente radica en que, al traba-jar a elevadas temperaturas, es necesario elegircuidadosamente el fluido para evitar el riesgo deincendio.

Cuestión 3

a) Tipo de sistema de control

Para determinar si la instalación constituye unsistema de control en lazo abierto o cerrado,hemos de analizar primero la función de suselementos componentes.

• La fuente de alimentación proporciona laenergía necesaria para el funcionamiento delsistema y es independiente de que éste seaen lazo abierto o en lazo cerrado.

• El motor eléctrico se encarga de accionar labomba de succión. Como en el caso anterior,puede existir tanto si se trata de un tipo desistema como de otro.

• La bomba de succión o compresor aumen-ta la presión del aire y funciona gracias almotor eléctrico. El razonamiento es idénticoal de los casos anteriores.

• El depósito acumula el aire comprimido pro-cedente de la bomba de succión. Tambiénexiste con independencia del tipo de sistema.

• El manómetro es un instrumento de medidaque indica la presión que alcanza el aire enel interior del depósito. Le ocurre lo mismoque a los anteriores.

• Las tomas de salida, por las que fluye elaire comprimido hacia los lugares de utiliza-ción, también son comunes a cualquier siste-ma de control.

• El presostato es un dispositivo capaz detransformar una señal neumática en una se-ñal eléctrica. Éste es el elemento diferencialque hace que podamos confeccionar un sis-tema de control en lazo cerrado.

En efecto, sin la presencia del presostato, elmotor eléctrico accionará de modo ininterrum-pido la bomba de succión y ésta irá incremen-tando progresivamente la presión de aire enel depósito. Esta presión puede ser medidacon el manómetro pero, cualquiera que seasu valor, no afectará al funcionamiento del sis-tema salvo que se produzca la desconexiónmanual de éste.

El presostato, en cambio, puede regularsepara que, una vez detectada una determina-da presión, conmute la señal eléctrica y des-conecte el motor de la fuente de alimenta-ción. De este modo, la bomba de succióndeja de alimentar el depósito y la presión nose incrementa.

Cuando, como consecuencia del uso, la pre-sión del aire contenido en el depósito dismi-nuya, el presostato conmutará de nuevo laseñal y volverá a conectar el motor eléctricoque acciona la bomba de succión.

b) Diagrama de bloques

• El proceso, en este caso, consiste en alcan-zar y mantener una determinada presión deaire en el interior del depósito.

• El actuador está formado por un conjunto dedos dispositivos: el motor eléctrico y la bom-ba de succión.

• El comparador es el presostato que envíauna señal de realimentación para modificarla acción del actuador.

• El visualizador es, en este caso, el manó-metro, que indica la presión de aire existenteen el interior del depósito.

154

Comparador

Actuador Proceso

VisualizadorPresiónde referencia

Respuestadel sistemaComparador

Actuador Proceso

VisualizadorPresiónde referencia

Respuesdel sistem

155

24

13

Cuestión 4

a) Esquema de la instalación neumática

b) Esquema de la instalación oleohidráulica

c) Analogías y diferencias

Como puede apreciarse en ambos esquemas,la simbología empleada para representar cilin-dros y válvulas es totalmente idéntica. Las dife-rencias más significativas son:

• En las válvulas neumáticas, la posición dereposo está representada por el cuadro de laderecha y en las oleohidráulicas, por el de la izquierda.

• La posición de los órganos de mando y de re-torno también está invertida: en las válvulasneumáticas el mando se sitúa a la izquierda yel retorno a la derecha, mientras que en lasoleohidráulicas sucede al contrario.

• La designación de los orificios o vías tambiénes diferente: en las neumáticas se empleannúmeros (1 para la alimentación; 2 y 4 parala utilización; 3 para el escape), mientras queen las neumáticas se utilizan letras (P para laalimentación; A y B para la utilización; T parael escape).

• La simbología empleada en los orificios dealimentación y escape también varía.

Otra de las grandes diferencias entre un sistemaneumático y uno oleohidráulico es que, comoconsecuencia de la práctica incompresibilidadde los líquidos y en aplicación del principio dePascal, los sistemas oleohidráulicos pueden de-sarrollar fuerzas efectivas mucho mayores y tra-bajan también a presiones notablemente supe-riores que los sistemas neumáticos.

Cuestión 5

a) Tabla de verdad

Si el registro dispone de cuatro entradas, serácapaz de procesar hasta 24 16 combinacio-nes de cuatro bits. De acuerdo con la correla-ción entre el sistema binario y el decimal, estascombinaciones serán:

0000(2 0(10 0001(2 1(10 0010(2 2(10

0011(2 3(10 0100(2 4(10 0101(2 5(10

0110(2 6(10 0111(2 7(10 1000(2 8(10

1001(2 9(10 1010(2 10(10 1011(2 11(10

1100(2 12(10 1101(2 13(10 1110(2 14(10

1111(2 15(10

Si el circuito ha de detectar los números mayo-res que 6, la tabla de verdad de la salida S será:

TP

A B

x3 x2 x1 x0 S

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0

0 0 1 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 0 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 0

0 1 1 1 1

1 0 0 0 1

1 0 0 1 1

1 0 1 0 1

1 0 1 1 1

1 1 0 0 1

1 1 0 1 1

1 1 1 0 1

1 1 1 1 1

b) Función lógica y simplificación

De acuerdo con la tabla de verdad, la función ló-gica de la salida S viene dada por la expresión:

S x3 x2 x1 x0 x3

x2x1

x0 x3 x

x3x2 x1

x0 x3x2 x1 x0 x3 x2

x1x0

S x3 x2x1 x0 x3 x2 x1

x0 x3 x2 x1 x0

Para simplificarla, utilizaremos un diagrama deKarnaugh.

Puede formarse un agrupamiento de ocho cel-das, y uno de dos celdas en la tercera fila.

• El agrupamiento de ocho celdas está forma-do por 1100 (x3 x2

x1x0), 1000 (x3

x2x1

Cuestión 1

a) Características de los combustibles tradicionales

Los combustibles tradicionalmente utilizadospara la obtención de energía térmica son elcarbón, en sus diferentes variedades, el petró-leo y el gas natural.

El carbón es un combustible sólido de colornegro que se formó a partir de grandes masasvegetales que, como consecuencia de proce-sos geológicos habidos en épocas anteriores,quedaron sepultadas y experimentaron un pro-ceso de carbonización.

Los principales tipos de carbones minerales,ordenados de menor a mayor contenido en car-bono, son la turba, el lignito, la hulla y la antra-cita.

En el cuadro siguiente se resumen las caracte-rísticas térmicas de cada una de estas varieda-des de carbón.

El petróleo es un aceite minero natural de co-lor pardo o negruzco constituido principalmentepor carbono e hidrógeno, combinados en formade hidrocarburos, que tiene su origen en losrestos de organismos vivos del medio acuático.

Una vez limpio de impurezas —agua, lodos ypiedras—, el petróleo podría ser utilizado comocombustible con un poder calorífico que oscilaentre las 9 500 y las 11 000 kcal/kg, dependien-do de su composición. Pero lo habitual es some-terlo a un cuidadoso proceso de refino denomi-nado destilación fraccionada continua, mediante

x0),1101 (x3 x2x1 x0), 1001 (x3

x2x1 x0),

1111 (x3 x2 x1 x0), 1011 (x3x2 x1 x0), 1110 (x3

x2 x1x0) y 1010 (x3

x2 x1x0). Se observa que

varían x2, x1 y x0, por lo que se suprimen yqueda sólo x3.

• El agrupamiento de dos celdas está formadopor 0111 (x3 x2 x1 x0) y 1111 (x3 x2 x1 x0). Eneste caso, la variable que cambia es x3, porlo que se suprime y queda x2 x1 x0.

Por tanto, la función simplificada de la salida Sresulta ser:

S x3 x2 x1 x0

c) Logigrama

El logigrama de la función simplificada es:

156

ABCD 0 0 0 1 1 1 1 0

1 1 0 1 1 1

0 0 0 0 1 1

1 0 0 0 1 1

0 1 0 0 1 1

x0

x1

x2

x3

S

Solución modelo 8

TipoContenidoen carbono

Podercalorífico

Turba 50 % 4 000 kcal/kg

Lignito 70 % 5 000 kcal/kg

Hulla 75-90 % 7 000 kcal/kg

Antracita 95 % 8 000 kcal/kg

157

el cual se obtienen diversos productos, tal comose refleja en el cuadro siguiente:

El gas natural , al igual que el carbón y el pe-tróleo, se origina como consecuencia de ladescomposición de la materia orgánica en elinterior de la Tierra. Según el tipo de yacimien-to, distinguimos el gas húmedo y el gas seco.

• Se denomina gas húmedo al que aparecejunto a pequeñas cantidades de petróleo.Está formado en su mayor parte por metano,etano, propano y butano.

• Cuando la ausencia de petróleo es total se ledenomina gas seco y está formado por me-tano y etano junto a pequeñas cantidades dehidrógeno y nitrógeno.

El gas natural que se extrae de los yacimientostiene un poder calorífico que puede alcanzarlas 11 500 kcal/m3 y puede aprovecharse direc-tamente como combustible, ya que apenas pre-senta impurezas, tan sólo algo de sulfuro de hi-drógeno que se elimina fácilmente antes deque llegue al consumidor.

b) Efectos medioambientales

La obtención de energía térmica por combus-tión del carbón o los derivados del petróleo pro-voca la liberación de diferentes agentes conta-minantes, como el dióxido de azufre (SO2), losóxidos de nitrógeno (NO y NO2), los de carbo-no (CO y CO2), hidrocarburos volátiles y otros.Estas sustancias, entre otras, son las respon-sables de fenómenos como la lluvia ácida y elefecto invernadero.

Cuestión 2

a) Descripción de la gráfica

• De A a B se produce la compresión del flui-do: su volumen disminuye de V1 a V2, y supresión aumenta de P1 a P2.

En esta fase, la máquina recibe la energía Wnecesaria para que actúe el compresor.

• De B a C se produce la licuefacción o con-densación del fluido a presión prácticamen-te constante, y el volumen disminuye de nue-vo de V2 a V3.

En esta fase, la máquina cede una cantidadde calor Q1 al foco caliente.

• De C a D se origina la expansión del fluidocon un ligero aumento del volumen de V3 a V4y una disminución de la presión de P2 a P1.

• De D a A se produce la evaporación, a pre-sión constante, con un aumento del volumende V4 a V1. La máquina absorbe una cantidadde calor Q2 del foco frío y produce el enfria-miento.

El fluido, una vez recuperadas sus condicio-nes iniciales (P1 y V1), puede volver a co-menzar el ciclo.

b) Comparación entre ciclos

El ciclo termodinámico de un motor térmico estambién un ciclo cerrado en el que se producenmodificaciones de las variables P, V y T delcombustible.

Las diferencias son las siguientes:

• El ciclo de la máquina frigorífica (compre-sión, condensación, expansión y evapora-ción) se recorre en sentido contrario al de lasagujas del reloj, mientras que el del motortérmico (admisión, compresión, expansión yescape) se recorre en el sentido de las agu-jas del reloj (al revés que el otro).

• Durante el ciclo de la máquina frigorífica hayun aporte de energía al sistema mientras queen el de un motor térmico es éste el que laaporta.

• En las máquinas frigoríficas, la cantidad decalor sustraída al foco frío (Q2) es menor quela aportada al foco caliente (Q1), mientrasque en un motor térmico, la cantidad de caloraportada por el foco caliente (QA) es mayor

Tipo Tcond Observaciones

Residuossolidos

— Asfaltos, betunes y ceras

Aceitespesados 360 °C

Parafina, vaselina y fuelóleo

Gasóleos250-350 °C Poder calorífico

de 11 120 kcal/kg

Queroseno 280 °CCombustible de aviación

Gasolinas20-160 °C Poder calorífico

de 11 350 kcal/kg

Productosgaseosos —

Hidrógeno, metano,propano y butano

que la cedida al foco frío (QC), ya que en am-bos casos ha de cumplirse el principio deconservación de la energía:

En las máquinas frigoríficas: Q1 W Q2

En los motores térmicos: QA T QC

Cuestión 3

Los bloques E y F están en serie. Por tanto, la fun-ción de transferencia de la realimentación, K1,será:

K1 E F

Como se trata de un lazo de realimentación nega-tiva del bloque C, la función de transferencia, K2,del conjunto formado por los bloques C, E y Fserá:

CK2 ———

1 EF

El conjunto anterior se encuentra en serie con D.La función de transferencia, K3, será ahora:

CK3 ——— D

1 EF

El bloque G supone un lazo de realimentación ne-gativa del conjunto anterior. Por tanto, la funciónde transferencia, K4, será:

C——— D1 EF

K4 ———————1 G

Los bloques A y B se encuentran en serie con elconjunto anterior. La función de transferencia, K5,será:

C——— D1 EF

K5 ——————— A B1 G

Finalmente, el bloque H constituye un lazo de rea-limentación negativa de todo el sistema anterior.Por consiguiente, la función de transferencia glo-bal, K, se expresará del modo siguiente:

C——— D1 EF

—————— A BC (s) 1 G

K ——— ———————————R (s) 1 H

Cuestión 4

a) Esquema del circuito

b) Fuerza efectiva de avance y retroceso

Datos: D 50 mm 0,05 md 30 mm 0,03 mP 250 bar 2,5 107 Pa 88 % 0,88

Aplicamos directamente las fórmulas que per-miten calcular la fuerza efectiva en el avance yen el retroceso:

D2Fea P ———

4

3,14 (0,05 m)2Fea 0,88 (2,5 107 Pa) ————————

4

43 175 N

(D2 d 2)Fer P ——————

4

Fer 0,88 (2,5 107 Pa)

3,14 (0,05 m)2 (0,05 m)2 —————————————— 27 632 N

4

La fuerza efectiva de avance es de 43 175 N yla de retroceso, de 27 632 N.

c) Consumo de aceite

Datos: D 0,05 md 0,03 me 800 mm 0,8 mN 8 ciclos/min

El volumen de aceite que consume el cilindroen cada ciclo se obtiene aplicando la expresión:

158

159

(2 D2 d 2)VT —————— e

4

3,14 2 (0,05 m)2 (0,05 m)2VT ——————————————— 0,8 m

4m3

2,57 103 ———ciclo

Si el cilindro efectúa 8 ciclos por minuto, el volumen de aceite utilizado será:

m3 ciclos LC 2,57 103 ——— 8 ——— 103 ——

ciclo min m3

L 20,6 ——

min

El cilindro consume 20,6 L/min de aceite.

Cuestión 5

a) Tabla de verdad y funciones lógicas

De acuerdo con la información del enunciado,la tabla de verdad correspondiente al sistemaes la siguiente:

Según los datos de la tabla, las ecuaciones ló-gicas correspondientes a los motores M y Nson:

M ABC

D A

BC

D A

B

CD A

B

C

D

ABC

D

AB

CD

AB

C

D

A

BCD

A

BC

D

A

B

CD

N ABCD ABCD AB

CD A

BCD

ABCD

b) Simplificación

Simplificaremos primero la función lógica corres-pondiente al motor M.

El diagrama de Karnaugh correspondiente es:

Pueden formarse doce agrupamientos de dosceldas, seis horizontales y seis verticales.

De los agrupamientos horizontales resulta:

• De 0100 (AB

C

D) y 1100 (AB

C

D), se supri-

me A y queda BC

D.

• De 1100 (ABC

D) y 1000 (A

B

C

D), se supri-

me B y queda AC

D.

• De 0001 (A

B

CD) y 0101 (

AB

CD), se supri-

me B y queda A

CD.

• De 0001 (A

B

CD) y 1001 (A

B

CD), se supri-

me A y queda B

CD.

• De 0010 (A

BC

D) y 0110 (

ABC

D), se suprime

B y queda AC

D.

• De 0010 (A

BC

D) y 1010 (A

BC

D), se supri-

me A y queda BC

D.

De los agrupamientos verticales resulta:

• De 0001 (AB

C

D) y 0011 (

A

BCD), se suprime

C y queda A

BD.

• De 0011 (A

BCD) y 0010 (

A

BC

D), se suprime

D y queda A

BC.

A B C D M N

1 1 1 1 0 1

1 1 1 0 0 1

1 1 0 1 0 1

1 1 0 0 1 0

1 0 1 1 0 1

1 0 1 0 1 0

1 0 0 1 1 0

1 0 0 0 1 0

0 1 1 1 0 1

0 1 1 0 1 0

0 1 0 1 1 0

0 1 0 0 1 0

0 0 1 1 1 0

0 0 1 0 1 0

0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 0 0

ABCD 0 0 0 1 1 1 1 0

1 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 1

1 0 1 1 0 1

0 1 1 1 0 1

• De 0100 (A

BC

D) y 0101 (

AB

CD), se suprime

D y queda AB

C.

• De 0100 (AB

C

D) y 0110 (

ABC

D), se supri-

me C y queda AB

D.

• De 1000 (AB

C

D) y 1001 (A

B

CD), se suprime

D y queda AB

C.

• De 1000 (AB

C

D) y 1010 (A

BC

D), se suprime

C y queda A

BD.

Por tanto, la función simplificada del motor M es:

M BC

D A

C

D

A

CD

B

CD

AC

D

BC

D

A

BD

A

BC

AB

C

AB

D

AB

C A

B

D

Si sacamos factor común, la expresión anteriorqueda del modo siguiente:

M (A B) C

D (A C)

B

D (A D)

B

D

(B C)A

D (B D)

A

C (C D)

A

B

Simplificaremos ahora la función lógica corres-pondiente al motor N.

El diagrama de Karnaugh correspondiente es:

Pueden formarse cuatro agrupamientos de dosceldas, dos horizontales y dos verticales.

De los agrupamientos horizontales resulta:

• De 0111 (ABCD) y 1111 (ABCD), se supri-

me A y queda BCD.

• De 1111 (ABCD) y 1011 (ABCD), se supri-

me B y queda ACD.

De los agrupamientos verticales resulta:

• De 1101 (ABCD) y 1111 (ABCD), se supri-

me C y queda ABD.

• De 1111 (ABCD) y 1110 (ABCD), se supri-

me D y queda ABC.

Por tanto, la función simplificada del motor Nresulta ser:

N ABC ABD ACD BCD

c) Logigrama

El logigrama de la función correspondiente almotor N será:

160

ABCD 0 0 0 1 1 1 1 0

1 1 0 1 1 1

0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 0

0 1 0 0 1 0

A

N

B

C

D