METROLOGÍA

UNIDAD 2

PROCESOS INDUSTRIALES

M.C. NEREYDA CASTRO GUTIÉRREZ

1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE PROCESOS

INDUSTRIALES

TIPOS DE LAZOS DE CONTROL

Lazo abierto:

Diagrama a bloques de un lazo abierto de control

TIPOS DE LAZOS DE CONTROL

Lazo cerrado:

Diagrama a bloques de un lazo abierto de control

VALOR DE REFERENCIA

TRANSMISOR

INDICADOR

CONTROLADOR

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

PROCESO

ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN

ERROR

AGENTE DE CONTROL

ENTRADA DEL PRODUCTOSALIDA DEL

PRODUCTO

2. VARIABLES INDUSTRIALES

VARIABLES INDUSTRIALES

Si bien existen las magnitudes fundamentales de acuerdo alos sistemas internacionales de unidades, de estas sederivan muchas otras que son comunes en distintos girosindustriales, tales como:

Derivados del petróleo, Industria papelera, Industria alimenticia,Industria textil, Generadoras de energía, Siderurgía, etc.

En donde las magnitudes o variables más comunes que serequiere medir o controlar son:

Presión

Caudal

Nivel

Temperatura

pH

Conductividad

Velocidad

Humedad

3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES

FENÓMENO PIEZOELÉCTRICO

FENÓMENO PIEZOELÉCTRICO

Descubierto en 1880 en el cuarzo y la sal de Rochelle por Pierre y JaquesCurie. Nombrado así por la palabra griega piezein: presionar.

Efecto Piezoeléctrico Directo. Es un fenómeno físico que presentan algunoscristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctricoentre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformaciónmecánica.

Efecto Piezoeléctrico Inverso. Cuando se aplica un campo eléctrico a ciertascaras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales:

Carácter piezoeléctrico de forma natural : cuarzo, turmalina.

Ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a unapolarización: tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materialesmonocristalinos, cerámicas o polímeros.

TIPOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

CRISTALES SOLUBLES

Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo.

Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporaciónse forman y crecen dentro de la misma, los cristales.

El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Paraacelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandesque actúan como gérmenes.

De los cristales solubles, el mas común es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette),tartrato doble de sodio y potasio.

La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del ordende 45ºC. A los 55ºC pierden de forma permanente sus propiedadespiezoeléctricas.

TIPOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

CERÁMICAS

El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedadespiezoeléctricas.

Los materiales piezoeléctricos de titanato de bario, se fabrican por procesoscerámicos, y se polarizan enfriándolos desde temperaturas superiores a las deCurie, en un campo eléctrico intenso.

Se usan como transductores, su sensibilidad piezoeléctrica es inferior a la salde Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica,resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango detemperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura, para temperaturassuperiores puede usarse el titanato de plomo).

Galgas extensométricas

Transductores piezoelectrónicos

Bocinas y micrófonos

Generadores de electricidad

USOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

Los cristales piezoeléctricos encuentran un basto campo de aplicaciones en:

Transductores de presión

Agujas para los reproductores de discos de vinilo

Micrófonos.

Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta

frecuencia.

Generadores de chispas en encendedores

APLICACIONES DE LA PIEZOELECTRICIDAD

INNOVACIONES

Carreteras en Israel:

Ingenieros israelíes han colocado cristales piezoeléctricos enuna autopista que, al ser agitados por el paso de unvehículo sobre ellos, generan una corriente eléctrica.

Se calcula que en un kilómetro de longitud se puedengenerar hasta 400 kW de potencia, suficientes paraalimentar a ocho pequeños vehículos eléctricos.

INNOVACIONES

Ingenieros de la Universidad de Princeton han desarrollado un Chipde Piezo de Goma "piezo-rubber chip" capaz de generar energíaa partir de cualquier movimiento.

También puede ser implantando en el cuerpo humano ya que sonbiocompatibles, su función es aprovechar el movimiento natural delcuerpo.

Primera disco ecológica de Londres: Genera el 60% de la energía cuando

bailas...

INNOVACIONES

3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES

EFECTOS TERMOELÉCTRICOS

EFECTO SEEBECK

Consiste en la conversión de una diferencia de

temperatura en electricidad.

Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de

temperatura entre dos metales o semiconductores

diferentes.

Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas

entre los metales A y B induce una diferencia de potencial

V.

Thomas Johann Seebeck. (1770-1830)

Circuito Termopar.

EFECTO PELTIER

En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier

descubrió un efecto inverso al de Seebeck.

Al hacer pasar corriente eléctrica a través de la

unión de dos conductores distintos en una

determinada dirección produce enfriamiento, y al

hacerla pasar en dirección contraria produce

calentamiento en la unión.

La cantidad de calor transferido es proporcional

a la corriente y la dirección de transferencia.Jean C. A. Peltier (1785-1845)

Qp= πI

π = α T

Qp : Potencia calorífica generada o absorbida por el efecto Peltier.

π : Coeficiente de Peltier

I: Intensidad de corriente

α: Coeficiente de Seebeck de dos conductores distintos

T: Temperatura absoluta de la unión.

DISPOSITIVOS PELTIER

Sistema de enfriamiento para microprocesadores de

pc utilizado una celula peltier.

EFECTO THOMSON

El científico escocés William Thomson descubre

en 1854 que la diferencia de temperatura que

existe entre dos puntos cualquiera de un

conductor que transporta corriente puede

absorber o generar calor dependiendo del

material y la dirección de la corriente en el

conductor.

William Thomson (1824-1907)

Primer barón Kelvin

q= El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen

r: resistividad en un conductor, ∆T : gradiente longitudinal de temperatura, pJ: densidad de corriente

σ:es el coeficiente Thomson

TIPOS DE TERMOPARES

Tipos de termopares

Existe gran cantidad de termopares en la actualidad de acuerdo al

material utilizado y al rango de temperaturas que manejan.

Tipo de Termopar Materiales Rango de aplicación en C

B Platino 30%, Rodio (+)

Platino 6%, Rodio (-)1370 a 1700

C W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+)

W26Re Tungsteno 26% Rhenium 1650 a 2315

E Cromo (+)

Constantano (-)95 a 900

J Acero (+)

Constantano (-)95 a 760

K Cromo (+)

Alumel (-)95 a 1260

N Nicrosil (+)

Nisil (-)650 a 1260

R Platino 13% Rodio (+)

Platino (-)870 a 1450

S Platino 10% Rodio (+)

Platino (-)980 a 1450

T Cobre (+)

Constantano (-)-200 a 350

Tabla 1.

Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es

necesario observar los siguientes puntos básicos:

Rango de temperatura a medir.

Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación

Posibilidad de que el termopar esté en contacto con un objeto sin afectarlo

Qué tipo de contacto físico se requiere para medir la variable.

3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES

EFECTO FOTOELÉCTRICO

TEORÍA CUÁNTICA

La energía electromagnética se absorbe o se emite en paquetes discretos llamados cuantos o fotones.

El contenido de estas partículas es proporcional a la frecuencia de la radiación.

Max Planck, físico alemán publicó su hipótesis cuántica en 1901 en donde planteó la siguiente ecuación:

E=hfE= Energía del fotón f= frecuencia del fotónh= factor de proporcionalidad. Constante de Planck

En 1905, Albert Einstein amplió la propuesta de Planck y postuló que la

energía de un haz de luz no se difunde en forma continua a través del espacio

sino que lo hace a través de ondas.

Se considera la luz como una energía radiante transportada por fotones y

transmitida por un campo ondulatorio.

EFECTO FOTOELÉCTRICO

En 1887, Hertz observó que una chispa eléctrica podía saltar más

fácilmente entre dos esferas cargadas cuando sus superficies estaban

iluminadas por la luz que provenía de otra chispa.

Este fenómeno se demostró mediante un aparato en donde la luz se hacía

incidir sobre una superficie metálica dentro de un tubo de vacío. Los

electrones emitidos por la luz viajan hacia otra placa metálica conectada a

una batería externa.

Se puede generar corriente eléctrica a partir de la incidencia de luz sobre

determinados materiales.

Video

DISPOSITIVOS FOTOELÉCTRICOS

FOTOCELDAS

Dispositivos que producen variación eléctrica en respuesta a

un cambio en la intensidad de luz.

Celdas Fotovoltaicas: Fuente de energía cuya voltaje de salida

varía en relación con la intensidad de luz en su superficie.

Celdas Fotoconductivas: Dispositivo pasivo, incapaz de producir

energía. Su resistencia varía en relación a la intensidad de luz

en su superficie.

Aplicaciones principales :

Detección de un objeto opaco

Todo o nada. Conteo de partes por presencia, Seguridad industrial.

Salida continua. Observación de la posición de un objeto.

Detección del grado de traslucidez o luminiscencia de un fluido o

de un sólido.

APLICACIONES

APLICACIONES

Ventajas de los dispositivos ópticos

No requieren contactos físicos para la transferencia de energía eléctrica

Funcionan como aislantes de circuitos eléctricos

Pueden manejar señales digitales para instrucciones lógicas de otros instrumentos.