1

Capitulo 1. Tipos y clasificación de transductores

1.1 Por el tipo de excitación (pasivos o activos)

Se Llaman transductores pasivos a aquellos que requieren una fuente eléctrica externa

como excitación. En ellos, la magnitud medida produce un cambio en un elemento

eléctrico pasivo del circuito (resistencia, capacitor, o inductancia). Los transductores

activos son aquellos que generan un voltaje de salida por si mismos. Las salidas auto

generadas son usualmente de bajo nivel y requieren una etapa posterior de

amplificación. [29]

1.2 Por el tipo de salida (analógica o digital)

La mayoría de los transductores tienen una salida analógica. Se llama analógica a una

señal de salida que es una función continua de la medida, excepto por la modificación

debida a la resolución del transductor. En los transductores pasivos, la salida analógica

es a menudo proporcional, esto es, la información está contenida en la proporción de la

salida de voltaje del transductor con respecto a algún voltaje de referencia, como puede

ser la excitación del transductor.[6]

Dentro de las salidas analógicas, podemos distinguir:

Salidas analógicas de voltajes: pueden ser DC o AC.

Salidas analógicas de corrientes: encuentran aplicación en procesos de control.

Salidas analógicas de pulso: esto es una serie de pulsos de frecuencia

proporcional a la magnitud medida.

Los transductores inductivos y capacitivos, son algunas veces empleados en circuitos

que generan una señal de frecuencia variable, proporcional a la medición (modulación

de frecuencia). Estas señales de pulsos o frecuencia variable son fácilmente convertidas

en digitales contando los pulsos o ciclos y guardando el valor. Los transductores pueden

ser empleados como interruptores con solo dos valores de salida. Un ejemplo de este

tipo de transductor es un interruptor de nivel de líquido. [4]

1.3 Por el principio de funcionamiento

Esta clasificación describe concisamente en que consiste el principio de funcionamiento

de cada transductor.

2

1.3.1Transductores Mecánicos:

Extensiómetros (de movimiento) para fuerza, peso o torque. Medidores de presión y

flujo (para mecánica de fluidos). Acelerómetros e Higrómetros.

Potenciómetros de resistencia: Consisten en una resistencia con un contacto movible.

Con una excitación de voltaje fijo, el voltaje de salida es una función de la posición del

contacto. Esta función es generalmente lineal pero hay potenciómetros con funciones

especiales. [30]

Transductores de desplazamiento inductivo: El movimiento, que es la variable de

entrada, se utiliza para cambiar la reluctancia de un camino de flujo magnético que se

traduce en un cambio de voltaje en la salida. Otra subclase son los sensores de

proximidad que registran por el mismo principio el movimiento de un metal conductor

en un campo de corriente alterna. [27]

Transformadores diferenciales: Son transformadores cuyo núcleo de hierro es

movible. El movimiento del núcleo cambia el acoplamiento inductivo entre el primario

y el secundario esto produce un voltaje de salida en función del desplazamiento. [29]

Sincros: El sincro es un transductor de posición angular con ángulo infinito (no tiene

limitación en la cantidad de giros) y precisión de minutos de arco. Su construcción es

similar a la de un motor trifásico. [27]

Transductores de desplazamiento capacitivo: Un movimiento relativo se puede usar

para cambiar la capacitancia. Una implementación común es un sensor de proximidad

que detecta el movimiento de un objeto como una permitividad diferente a la del medio.

La medida puede ser usada para desplazar un electrodo con respecto a otro fijo

(transductores de presión). Otro método es mover el dieléctrico entre los electrodos. [27]

Codificadores digitales de eje: Hay dos tipos absolutos e incrementales. El primero es

un transductor de desplazamiento con una salida en forma de una palabra digital

paralela, esto es un conversor analógico-digital electromecánico; el otro produce un

pulso de salida para un movimiento especificado, puede ser empleado para censar tanto

velocidad como desplazamiento. [27]

Sensores de esfuerzo: Consisten en resistores que cambian su resistencia ante

variaciones muy pequeñas en su longitud. Se utilizan generalmente en circuitos puente.

3

Acelerómetros absolutos: Son utilizados para medir aceleración, golpes o vibraciones.

Consisten en una masa con una restricción elástica de algún tipo conectada a un sensor

de movimiento. [27]

Transductores piezoeléctricos: La piezoelectricidad es el fenómeno de acoplamiento

entre elasticidad y campo eléctrico en ciertos tipos de cristales sólidos. Cuando un

cristal de este tipo es deformado genera una carga eléctrica y viceversa. Se utilizan en

transductores de desplazamiento, acelerómetros y generadores acústicos. [43]

Servo Acelerómetros: Este dispositivo emplea un transductor de fuerza o torque para

llevar la masa de detección a cero. Este transductor de fuerza reemplaza al resorte de los

acelerómetros comunes. [27]

Transductores de velocidad: Pueden ser clasificados en analógicos y de pulso. Pueden

ser rotacionales (tacómetro) o translacionales. Los sensores analógicos de velocidad

registran el voltaje inducido en un cable que se mueve en un campo magnético

constante. Los tacómetros de pulso tienen una salida de pulsos de frecuencia

proporcional a la velocidad. [25]

Transductores de fuerza, torque y peso: Estas magnitudes se miden en forma estática

por comparación con una fuerza conocida y en forma dinámica aplicando la entrada a

un elemento elástico y midiendo la deformación resultante. [18]

1.3.2 Transductores para magnitudes de mecánica de fluidos

Transductores de presión: La mayoría de estos sensores se basan en la medición de la

deformación o desplazamiento que la presión ejerce en una membrana elástica. Para

manómetros un lado del diafragma se expone a la presión ambiente y el otro a la del

proceso. Para mediciones diferenciales ambos lados se exponen a las presiones a medir.

El diafragma debe ser capaz de soportar la exposición al fluido a medir.

Transductores de vacío: Se basan en la variación lineal de la conductividad termal que

tienen los gases cuando su presión es muy baja. Son un caso particular de los

transductores de presión.

Transductores fluxométricos: Sirven para medir la velocidad lineal de un fluido en un

punto del espacio con magnitud y dirección, la variación de flujo volumétrico a través

de un área y el flujo de masa a través de un área determinada. [27]

4

Transductores de nivel: Existe una amplia variedad de estos dispositivos lo que da

lugar a varias clasificaciones. Una de ellas distingue entre métodos de contacto (el

elemento sensor está total o parcialmente inmerso en el fluido) y los medidores sin

contacto en los que el sensor se encuentra fuera del recipiente que contiene al fluido.

Estos últimos dispositivos se utilizan en caso de fluidos pegajosos que se adhieren al

sensor. Los interruptores de nivel se usan cuando se desea obtener una indicación en el

momento que un nivel predeterminado es alcanzado. El término medición de nivel

continuo se aplica a aquellos transductores cuya salida es una función continua de la

medida. Por otro lado se encuentran los medidores mecánicos (flotantes que transducen

el nivel en desplazamiento mecánico que puede ser presentado en una escala o

transformado en una señal eléctrica), los que miden el nivel por diferencia de presión

entre la del líquido del fondo del tanque y la del gas sobre la superficie del líquido. Un

dispositivo de peso y cable es usado para medir el nivel en silos u otros depósitos de

sólidos. Los sensores de nivel de conductividad pueden ser usados con líquidos o polvos

conductores (el fluido que sube cierra el contacto entre un electrodo y el tanque que está

puesto a tierra). La cinta resistiva es un transductor del tipo de nivel continuo, es un

resistor de alambre enrollado de precisión, la parte sumergida es puesta en corto por el

fluido conductor variando así la resistencia. El transductor de nivel inductivo detecta la

variación de la inductancia cuando el campo magnético se acopla con el fluido. Los

transductores ultrasónicos aprovechan el fenómeno del eco para la medición del nivel de

fluido. Existen también sensores ópticos y de microondas. [1]

Transductores de densidad: esta característica se mide siempre en forma indirecta.

Generalmente se utiliza un elemento piezoeléctrico cuya frecuencia final de oscilación

estará en función de la densidad del fluido.

1.3.3 Transductores Térmicos

Termómetro de resistencia; termocupla; termistor.

Termocuplas: Están basados en el efecto Seebeck. La corriente observada depende

solamente de la diferencia de temperaturas de los materiales.

Transductores termo resistivos: Los transductores termo resistivos están basados en la

dependencia de la relación volt-ampere de conductores y semiconductores con la

temperatura.

5

Existen tres clases principales de transductores termo resistivo:

Resistance Temperature Detectors (RTD): Son resistencias de arrollamiento de metal

desnudo construidas de níquel o platino, su curva de R=F (t) es lineal en un amplio

rango y su pendiente es del orden de 0.4%/°C. Su principal desventaja es que suelen ser

muy sensibles a los golpes y vibraciones. [33]

Termistores: Construidos con elementos semiconductores amorfos en variadas formas

poseen una curva R = F (t) de pendiente negativa del orden de 4%/°C. Esta alta

sensibilidad es su principal atractivo. La conversión de resistencia en temperatura puede

ser realizada por hardware o software pero es algo más dificultosa que la de los RDT ya

que la relación es no lineal. [33]

Sensores de semiconductores monolíticos: Se basan en la dependencia con la

temperatura de una juntura PN. Su uso está reducido a aplicaciones muy específicas.

Termómetros de radiación (pirómetros): Son transductores que registran la

temperatura de un cuerpo midiendo el calor que irradia. Hay dos tipos:

Detectores termales: consisten en un colector de color negro para maximizar la

absorción de radiación con un transductor acoplado que mide su temperatura.

Detectores fotónicos: con transductores fotovoltaicos o fotoconductivos que

responden a radiación infrarroja o visible; al operar a nivel atómico son mucho

más rápidos que los anteriores. [27]

1.3.4 Transductores Ópticos

Fotovoltaicos (celdas o baterías solares); celdas fotoconductoras.

Transductores para magnitudes ópticas e infrarrojas: Este tipo de dispositivos son o

fuentes de luz que convierten electricidad u otra forma de energía lumínica o elementos

foto sensores que convierten energía lumínica en energía eléctrica. Las principales

fuentes de luz son las lámparas de filamento incandescente, las lámparas de descarga y

arco, LEDs, laseres y pantallas fosforadas. Los principales elementos sensores de luz

son las fotorresistencias y los dispositivos fotoconductores (fotodiodos y

fototransistores). [23]

6

1.3.5 Transductores Acústicos:

Micrófonos.

Transductores para magnitudes acústicas: Los llamados transductores receptores

(micrófonos e hidrófonos) convierten las variaciones acústicas en señales eléctricas

mientras que los transductores transmisores (altavoces o auriculares) convierten señales

eléctricas en acústicas. Los métodos básicos usados son los mismos que para

transductores de desplazamiento y presión. [50]

1.3.6 Transductores para campos magnéticos

Permeámetros; magnetómetros; semiconductores de Efecto Hall.

De efecto Hall:

Mide el campo magnético usando el Efecto Hall que produce una diferencia de

potencial ortogonal a la corriente circulante en un conductor atravesado por un campo

magnético. [29]

Magneto resistiva:

Mide el campo magnético teniendo en cuenta la variación de la conductividad de un

conductor en función de la densidad del campo magnético que lo atraviesa.

Transistor sensible al campo magnético:

Mide la alteración del flujo de corriente en una juntura PN, que causa un campo

magnético al incidir en ella.

1.3.7 Transductores Químicos

PH y celdas de conductividad.

Los transductores electroquímicos miden propiedades químicas de las substancias

tales como PH y potencial de oxidación por medios electroquímicos. [1]

1.3.8 Transductores Biológicos

Electroencefalógrafo.

Los transductores para instrumentación de análisis tienen como propósito la detección,

identificación y medición de los constituyentes químicos de una sustancia. Los métodos

más conocidos son la espectroscopia y la cromatografía de gases. [27]

7

1.3.9 Transductores Nucleares

Tubo de Geiger, cámara de ionización; detectores de radiación por centelleo y por

semiconductores.

Los transductores para radiación nuclear Miden magnitudes relacionadas con

radiaciones producidas por elementos radioactivos. En todos los transductores de este

tipo (de cámara de gas, de ionización o de centelleo) la electrónica se encarga del conteo

de las partículas detectadas por medios físico-químicos.

1.4 Por la variable a medir

Esta clasificación puede llevar a confusiones puesto que un mismo transductor puede

medir diversas magnitudes. [27]

1.4.1 Transductores Resistivos.

Extensiómetros (metálicos y con semiconductores).

Termómetros termo conductores (bulbos resistivos y termistores).

Sensores fotoconductores (fotocélulas de sulfuro de cadmio).

Medidores de conductividad química.

1.4.2 Transductores Inductivos.

Transformador Lineal diferencial variable (LVDT).

Pick ups de reluctancia variable (como en las cápsulas reproductoras).

Generadores y receptores Selsyn.

1.4.3 Transductores Capacitivos.

Sensores LC y RC de alta frecuencia (como en los pick ups de vibración).

Válvula reactancia para producir modulación de frecuencia (como en

telemetría).

1.4.4 Transductores divisores de voltaje.

Sensor por posición de potenciómetro.

Divisor de voltaje accionado por presión.

1.4.5 Transductores generadores de voltaje.

Piezoeléctrico (micrófono y acelerómetro de cristal).

Tacómetro.

Sensor de termocupla.

Celda fotovoltaica.

8

Capitulo 2. Transductores pasivos.

2.1 Tipos de transductores pasivos

Cuadro 1: clasificación de los transductores pasivos. [35]

El cuadro 1 resume los tipos más corrientes de transductores eléctricos pasivos. Que son

los que necesitan alimentación externa para efectuar la medida.

Los tipos fundamentales de transductores pasivos son: [35]

1. Transductores en los que varía la resistencia eléctrica: potenciómetros (variación de

la resistencia inducida por un desplazamiento), bandas extensométricas (variación de la

resistencia debida a la deformación mecánica), termo-resistencias (RTD) y termistores

(variación de la resistencia con la temperatura).

2. Transductores en los que varía la impedancia eléctrica, debido a un cambio en la

autoinducción del transductor (transductores inductivos de núcleo deslizante o de

entrehierro variable), debido a un cambio de inducción mutua entre dos bobinas

(LVDT: linear variable differentia transformer, o RVDT: rotary variable differential

transformer,), debido a un cambio de la permeabilidad magnética (magnetoestricción),

o debido a un cambio en la capacidad eléctrica (transductores capacitivos).

3. Transductores especiales, que se basan en efectos no incluidos en lo anterior, como la

célula Hall (basada en el efecto Hall), la célula fotoemisiva (basada en el efecto

fotoeléctrico) o la cámara de ionización (contador de centelleo para la medida de

radiaciones ionizantes).

9

2.2 Características de los transductores pasivos.

2.2.1 Potenciómetros

2.2.1.1 Introducción

Son transductores muy simples y de costo moderado. Permiten obtener una señal de

medida de nivel importante lo que evita la utilización de acondicionadores sofisticados.

Sin embargo los rozamientos internos son fuente de ruido eléctrico y desgaste que

provocan la degradación de sus características, lo que fija un número máximo de

maniobras. Además su funcionamiento puede verse afectado por las condiciones

ambientales (humedad, polvo, etc.).

Se trata de una resistencia y un cursor que se desplaza sobre ella. Se alimenta la

resistencia con un voltaje regulado y del cursor a tierra obtenemos un voltaje

proporcional al desplazamiento producido.

Su principal aplicación es como transductores de desplazamientos lineales o angulares

relativos. Sin embargo, también se han usado como sensores o transductores de masa

sísmica, o incluso como transductores de presión.

Aunque existen potenciómetros especialmente concebidos para su uso como

transductores, en los que sus características de linealidad, relación señal/ruido,

estabilidad térmica, etc. han sido especialmente cuidadas, en aplicaciones de menor

responsabilidad pueden utilizarse potenciómetros comerciales, lo cual supone un gran

ahorro de precio y especialmente, una importante reducción en el plazo de suministro.

Esto unido a la simplicidad de la instrumentación que acompaña a este tipo de sensores

es otra de sus importantes ventajas. [30]

2.2.1.2 Descripción

El potenciómetro está formado por una resistencia fija Rn sobre la que se desplaza un

contacto eléctrico (cursor). Cuando la resistencia fija es uniforme se establece una

relación lineal entre la resistencia variable R (l) y el desplazamiento del cursor. Los

potenciómetros pueden construirse para medir giros o distancias rectilíneas.

2.2.1.3 Potenciómetros de desplazamiento rectilíneo

También llamados reglas potencio métricas, consisten en una pista recta y entera de

resistencia constante, formada bien por un hilo conductor o bien las más modernas

formadas por pistas de polímeros conductores. Por encima de ellas, se mueve un cursor

que da la medida en voltaje respecto a la tierra. (Ver fig.)

10

Figura 1: Esquema de una regla potenciométrica.

2.2.1.4 Potenciómetros de desplazamiento angular

Trabajan de la misma manera que los de desplazamiento rectilíneo, pero en este caso la

pista es de forma circular permitiendo así la medición de variación de ángulos. Nos

podemos encontrar con potenciómetros de dos tipos, los de una vuelta, en los que la

pista es un círculo en el mismo plano, y los de más de una vuelta, donde el círculo se

convierte en una espiral que crece según el eje perpendicular de este circulo. En ambos

casos, el cursor se desplaza por encima de la pista creando una relación de linealidad

entre la resistencia total y la parte desplazada del cursor. (Ver fig.) [30]

<

Figura 2: Esquema de un potenciómetro de giro.

La resistencia puede ser un hilo bobinado o una pista conductora. Las pistas

conductoras se fabrican con plásticos cargados con polvo conductor de carbono o de

metal, con granos cuya dimensión es del orden de 0,01 μm. La resistencia nominal Rn

11

suele variar entre 1kΩ y 100kΩ. Sus tolerancias de fabricación están entre el 5% y el

20%. Su variación con la temperatura es mayor en pistas conductoras.

El error de linealidad está comprendido entre 0,01% y 1% de Rn, medido como la

máxima desviación de la resistencia R (l), respecto de su valor lineal. El cursor debe

asegurar un buen contacto eléctrico lo que implica: ausencia de f.e.m. de contacto

(chispas), resistencia de contacto débil y estable en el tiempo (desgaste) y en presencia

de vibraciones o de velocidades elevadas del cursor.

La resistencia de contacto depende de la presión del cursor y de la naturaleza y estado

de las superficies de contacto. Es más elevada para los potenciómetros de pista

conductora. Sus variaciones aleatorias durante el desplazamiento del cursor son fuentes

de ruido, que es importante si la corriente derivada por el cursor es relativamente

importante.

2.2.1.5 Carrera eléctrica útil

La relación R(x) / Rn en las dos extremidades de la resistencia Rn, en general se ve

perturbada, ya sea por los topes de fin de carrera o por las conexiones al circuito de

alimentación. La carrera útil es el intervalo de variación de x en que R(x) es función

lineal del desplazamiento del cursor, dentro de una tolerancia especificada.

La grafica 1 muestra la variación de la relación potenciométrica en función de la

posición del cursor, en el potenciómetro circular H22, fabricado por M.C.B. [30]

Grafica 1: Gráfica del rango de utilización útil.

12

2.2.1.6 Resolución

La mejor resolución la proporcionan los potenciómetros de pista conductora. Está

limitada por su estructura granular, lo que conduce a errores de resolución del orden de

100 μm. En un potenciómetro bobinado de hilo conductor, con N espiras el cursor

puede ocupar 2N–1 posiciones eléctricamente distintas: N posiciones con contacto en

una sola espira, y N-1 posiciones con contacto simultáneo en dos espiras, tal como se ha

representado en la figura 3 La tensión medida varía de forma discontinua cuando el

cursor pasa de una posición a otra.

Figura 3: Esquema de las distintas posiciones que puede adoptar el cursor.

2.2.1.7 Resistencia de ruido

La medida en el potenciómetro puede expresarse:

mmm VxVxV

Siendo Vm(x) la tensión ideal derivada de la variación de resistencia nominal y ΔVm

una fluctuación de tensión aleatoria debida principalmente a cambios en la resistencia

de contacto, se define la resistencia de ruido como la relación

mAi

mb i

vR

1

Siendo i la corriente que atraviesa el cursor del potenciómetro utilizado en reóstato. En

potenciómetros bobinados, Rb es, por lo general, inferior a 20Ω. La resistencia Rb en

potenciómetros de pistas conductoras suele ser muy superior a la de los bobinados. Sin

embargo, suele ser inferior al 1% de Rn.

13

2.2.1.8 Vida de los potenciómetros

El desgaste de las zonas más utilizadas produce una pérdida de linealidad, y aumenta la

resistencia de contacto en los potenciómetros de pista conductora, y con ella el ruido. La

vida es menor cuanto mayor es la intensidad en el cursor y mayor es la temperatura de

funcionamiento. [30]

2.2.2 Bandas extensométricas

2.2.2.1 Principio de funcionamiento

Cuando se quieren determinar las propiedades mecánicas de un material o se quiere

estudiar el comportamiento de una pieza que forma parte de una estructura, es necesario

conocer los esfuerzos y deformaciones que sufren estos elementos cuando se ejercen

cargas exteriores sobre ellos. Para ello es necesario el adaptar a la zona en la cual se

quiere determinar esas propiedades un transductor o elemento que trasforme la

magnitud física a medir en una magnitud que nos permita evaluar su valor,

normalmente una medida eléctrica. Uno de los tipos de transductores mas empleados

para este tipo de medidas son las bandas extensométricas.

Las bandas extensometricas son elementos de tipo resistivo. Su funcionamiento se basa

en el cambio de resistencia eléctrica que sufre un hilo conductor al variar su longitud.

Por tanto, podremos determinar la variación de longitud que experimenta la banda

midiendo la variación de resistencia que presenta. De esta forma, existirá una relación

directa entre la deformación que sufre la banda y la variación de resistencia eléctrica.

Veamos como se obtiene la relación entre la variación de resistencia y la deformación.

Supongamos que tenemos un hilo de un cierto material con una longitud inicial L0 y un

diámetro inicial D0 y lo sometemos a una deformación longitudinal alcanzando una

longitud L (figura 5). Las deformaciones [7]

Figura 4: Diagrama de bloques de una medida con bandas extensometricas.

14

Figura 5: Deformación de un hilo conductor

Longitudinales y transversales del hilo estarán dadas por las expresiones:

Si suponemos que el material se comporta en régimen elástico, es decir, todas las

deformaciones que se aplican se recuperan, la relación entre las deformaciones

longitudinales y las deformaciones transversales viene dada por el conciente de Poisson

υ:

o

L

T

L

LD

D

v

0

Por otro lado, la resistencia eléctrica de un hilo conductor se puede expresar como:

A

LR

Donde ρ es la resistividad del material, L es la longitud del hilo conductor y A es su

sección. En el caso particular de un hilo de sección circular, esta expresión se puede

poner en función del diámetro:

2

4

D

LR

Para estudiar la variación de la resistencia en función de los parámetros, recurrimos a la

diferenciación logarítmica. Tomando logaritmos y diferenciando se tiene que:

D

dD

L

dLd

R

dR2

15

Donde la variación de resistividad dρ/ρ se debe a la variación de volumen dV=V, que se

conoce como efecto piezoresistivo y viene dado por:

V

dVC

d

Siendo C la constante de Bridgman, que es una propiedad característica del material del

hilo conductor. Si expresamos el volumen en función de la longitud y del diámetro del

hilo queda:

D

dD

L

dLC

V

dVC

d2

Por tanto, la variación de resistencia resulta ser:

D

dD

L

dL

D

dD

L

dLC

R

dR22

Teniendo en cuenta que el conciente de Poisson es la relación entre la deformación

transversal y la deformación longitudinal, entonces queda:

L

dLK

L

dLvCv

R

dR 2121

Donde el valor de K, que solo depende del material del hilo, se denomina factor de

galga y es una constante adimensional. Por tanto, se puede medir la deformación a

través de:

R

dR

K

1

Es decir, midiendo la variación de resistencia podemos determinar la deformación que

ha sufrido la banda. Si las deformaciones son pequeñas podemos aproximar la

diferencial por el incremento de resistencia, obteniéndose la ecuación característica de

las bandas extensometricas:

16

R

R

K

1

Las bandas extensometricas mas comunes suelen estar fabricadas de constantan, una

aleación que contiene el 45% de Ni y el 55% de Cu, y cuyo factor de galga esta muy

próximo a 2. Otras aleaciones de uso común son la Nicrome o la aleación Karma.

2.2.2.2 Configuración y estructura

La configuración más usual de una banda extensometrica es la representada en la figura

6 Consta de una pista conductora, la cual esta dispuesta de forma que el hilo conductor

presente una gran longitud en la dirección en la que se quiere medir. Las zonas de las

curvas de los hilos, donde comienza otra vuelta, es una zona gruesa afín de disminuir lo

más posible la sensibilidad transversal de la banda. Esta pista conductora acaba en dos

terminales donde se sueldan los cables que la deben unir al circuito de medida. Todo

este conjunto conductor esta sostenido por un material aislante que es el que

proporciona el soporte para su pegado. Sobre el hay también dibujadas unas marcas que

facilitan su colocación en la dirección y posición correcta. [7]

Además, algunas bandas tienen una película que protege la zona de medida de la banda

formando un encapsulado.

Figura 6: Configuración de una banda extensometrica.

Figura 7: Diferentes tipos de bandas. [7]

17

Cuando decidamos instalar una banda extensometrica, son varios los parámetros que

tendremos que considerar para su elección. El primero es la configuración (figura 7).

Existen diferentes tipos de bandas para medidas de deformaciones en diferentes ejes.

Las mas comunes son para medidas uní axiales, utilizadas para medir la deformación en

una dirección determinada. Cuando se desea medir las deformaciones en dos

direcciones, se utilizan las rosetas. Estas permiten determinar las deformaciones en

todas las direcciones y tienen dos rejillas cruzadas a 900 para emplear cuando se

conocen las direcciones principales de deformación, o tres en diferentes direcciones

para emplear cuando se desconocen las direcciones principales. También existen otros

tipos de bandas como son las de medida de deformaciones medias, para medida de

gradiente de deformaciones, de detección de propagación de fisuras o de medida de

presiones.

2.2.2.3. Características generales

Dejando aparte la morfología, es decir su tamaño y configuración, a continuación se

citan algunas de las características más importantes de las bandas extensometricas así

como algunas propiedades que es necesario tener en cuenta.

Resistencia Eléctrica

Puesto que la banda extensometrica son transductores resistivos, la primera

característica a tener en cuenta es el valor nominal de la resistencia.

Las bandas extensometricas mas comunes suelen tener valores nominales de 120Ω,

350Ω o 1000Ω con tolerancias que oscilan entre el 0.15% y el 0.8 %, siendo valores

típicos 0.3% o 0.4 %.

Factor de galga

Como se ha comentado anteriormente, el factor de galga es una propiedad del material

conductor de la banda, el cual depende de la constante de Bridgman y del coeficiente de

Poisson del material. La aleación mas empleada en las bandas extensometricas es el

constantan, aunque en ciertas bandas se utilizan las aleaciones Karma o Nicrome. En la

tabla siguiente se muestran la composición y el factor de galga aproximado para estos

materiales. El fabricante de las bandas extensometricas proporciona el valor del factor

de galga con su tolerancia. [7]

18

Cuadro 2: Composición y factor de galgas de algunos materiales. [7]

Sensibilidad transversal

Las bandas extensometricas están diseñadas para responder en una dirección

determinada, sin embargo si se someten a deformaciones transversales pueden

proporcionar una pequeña variación de resistencia. Esto se conoce como sensibilidad

transversal, ST. Idealmente la sensibilidad transversal es nula, pero en la práctica el

fabricante proporciona este valor en forma de porcentaje. Realmente se tiene que:

TTLTTL SKKKR

R

Grafica 2: Linealidad, histéresis y deriva. [7]

La sensibilidad transversal de las bandas extensometricas suele ser menor del 1 %,

siendo 0.8% un valor típico.

19

Figura 8: Ejemplo del calculo de la corrección total.

Linealidad, histéresis y deriva

La linealidad, histéresis y deriva dependen de diversos factores, como son el nivel de

deformaciones alcanzado, el material soporte de la banda y la calidad y los materiales

del pegado. Cuando se trabaja dentro de los limites de deformaciones indicados por el

fabricante, este asegura que L, H y D son menores del 1% en bandas de soporte de

poliamida y menor del 0.05% en las de soporte epoxi. [7]

Influencia de la temperatura

Cuando la temperatura varía durante una medida con bandas extensometricas, la

deformación real puede desviarse de la deformación medida debido a diferentes efectos:

Grafica 3: Corrección de temperatura.

Dilatación de la rejilla de la banda (Coeficiente de dilatación α)

Dilatación de material soporte (Coeficiente de dilatación β)

20

Variación del factor de galga con la temperatura

)),(),,(( pordorepresentaTfCvCfK

TTKR

R

T

Con objeto de corregir el comportamiento de las bandas extensometricas por el efecto

de la temperatura, el fabricante proporciona dos curvas, una es la variación del factor de

galga con la temperatura, con la que se corrige el efecto mencionado (grafica 3). Para

corregir los efectos procedentes de las diferentes dilataciones, se proporciona otra curva

conocida como Thermal Output, εTo, que representa la deformación con la que hay que

corregir la lectura para obtener la deformación real de la banda. Hay que tener en cuenta

que estas curvas son específicas para cada banda y para utilizarlas sobre un determinado

material, no siendo valido si se pega la banda sobre materiales diferentes.

Disipación de calor

Otro aspecto importante al utilizar bandas extensometricas es la disipación de calor.

Puesto que una banda extensometrica es un elemento resistivo, formara parte de un

circuito eléctrico y por tanto pasara una corriente eléctrica por la banda. Por tanto hay

que prestar especial cuidado en cuanto a que la potencia que consuma la banda debido

al paso de la corriente eléctrica, y que disipa en forma de calor, sea menor que la

potencia que la banda es capaz de transmitir al material sobre el que se ha pegado. De

esta forma se evita el sobrecalentamiento de la banda, que podría dar lugar a medidas

erróneas o incluso a llegar a quemar la propia banda.

La potencia generada en forma de calor por la banda viene dada por el efecto Joule y se

puede expresar como el producto de la intensidad al cuadrado por la resistencia. El calor

a evacuar o la potencia a disipar es función de dos factores, por un lado el área que

ocupa el elemento conductor, es decir el área de la rejilla de la banda, y por otro del

material sobre el que se pega. Esto último se traduce en una potencia máxima por

unidad de área PD a disipar, que depende únicamente del material. Por tanto, esta

limitación puede expresarse como:

RiAPD2*

21

Usualmente la potencia a disipar limita la tensión de alimentación del circuito en el que

se monta la banda, por lo que ha de tenerse en cuenta a la hora del diseño. Los valores

típicos que se utilizan para PD son los siguientes:

Cuadro 3: Algunos valores que se utilizan para PD.

Estabilidad

Cuando se hacen medidas que duran tiempos largos o se utilizan bandas montadas en

piezas durante largos periodos de tiempo, las condiciones ambientales pueden degradar

las propiedades de la banda, haciendo que el comportamiento de estas se aleje de lo

esperado o que incluso lleguen a deteriorarse. Las bandas pueden degradarse por el

calor, la luz, la humedad, los cambios térmicos, etc.

La estabilidad de la banda es importante, al igual que la estabilidad de los pegamentos

utilizados. Los materiales que mejor aguantan las condiciones ambientes son los de tipo

epoxi. Por tanto, cuando se empleen bandas expuestas a condiciones ambiente adversas

o para largos periodos de tiempo se suelen recomendar bandas de soporte epoxi con

pegamentos de tipo epoxi. Por supuesto también ayuda un buen recubrimiento de

protección del tipo epoxi o silicona, y mejor si es de tipo opaco.

Comportamiento a fatiga

Como todos los materiales, las bandas tienen una vida limitada por la fatiga. Las bandas

estándar son capaces de aguantar unos 105 ciclos. Cuando se requiere una mayor

durabilidad en fatiga existen bandas especiales para tales fines. [7]

2.2.2.4 Acondicionamiento: puente de Wheatstone

Como valor típico, las bandas extensometricas son capaces de seguir deformaciones del

orden del centenar de micro deformaciones. Esto, para una banda estándar, representa

22

valores de incremento de resistencia muy pequeños. Por tanto, el circuito necesario ha

de ser un circuito muy sensible.

07.010*100*350*2; 6RKR

R

Para el acondicionamiento de las bandas extensometricas el circuito utilizado por

excelencia es el circuito potenciometrico doble, o puente de Wheatstone, que debido a

sus características lo convierten en el circuito ideal para estas aplicaciones.

Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que las bandas extensometricas pueden llegar a

medir deformaciones del orden del 5 %, lo que puede representar incrementos de

resistencia que no es posible despreciar al compararlos con el valor nominal de la

resistencia. Esto representa que en determinadas aplicaciones la respuesta del circuito

deje de ser lineal, por lo que habrá que tener en cuenta este efecto.

RRRKR 35350100

52%5

2.2.3 Termo- resistencias.

RTD, Resistance Temperature Detectors

En innumerables casos, existe la necesidad de poder medir la temperatura de un proceso

industrial, de acondicionar la temperatura de una sala de equipos de comunicaciones,

etc. No cualquier sensor cumplirá los requisitos necesarios para una aplicación

específica, por lo cual se deberá estudiar en cada caso cual es el más adecuado. A

continuación se presentará razones funcionales y económicas para la elección del RTD

como sensor. Adicionalmente a las termocuplas y los RTDs, los bimetales, los sensores

infrarrojos y los termistores, son sensores que tienen como fin traducir la temperatura en

señales eléctricas para su posterior procesamiento. [36]

2.2.3.1 Linealidad con la Temperatura

Los RTD ofrecen un comportamiento más lineal que los termistores o las termocuplas

respecto a la temperatura. Aunque estos dos últimos también tienen sus ventajas en

aplicaciones específicas. Sin embargo al manejar rangos amplios de temperatura es

necesario ajustar su comportamiento “lineal” mediante polinomios de interpolación a fin

de calcular de forma más precisa el valor de su resistencia.

23

Esto se debe a que la resistencia eléctrica de un metal aumenta, por lo general, respecto

a la temperatura, según la siguiente ecuación:

...1 320 ctbtatRR

Donde t es la temperatura tomando como origen t0, que es la temperatura para la cual la

resistencia vale R0 . En las constantes a, b, c,… se incluye el efecto debido al cambio de

volumen por dilatación. El principio físico es que, al subir la temperatura, el número de

electrones en la banda de conducción no cambia, pero las vibraciones atómicas de la red

debido al aumento de la temperatura los dispersan más, dificultando su movimiento

ordenado; de ahí el aumento en la resistencia.

Este apartamiento de la linealidad respecto a la temperatura se puede observar para el

caso específico de un RTD de platino en la Fig. 5. Sin embargo, para un rango

razonable de temperaturas, la ley se puede aproximar por una ecuación lineal:

00 1 ttaRR

Para medir la temperatura, la ecuación relevante es:

0

0

R

RRt t

Donde Rt es la resistencia a la temperatura en cuestión y R0 es la resistencia a 0º C. El

valor de α, el coeficiente de resistencia con la temperatura, determina la sensibilidad

básica del RTD. [36]

Grafica 4: Comparación entre Termistores y RTD.

24

Grafica 5: Alinealidad de un RTD de platino

Física de los RTD de platino.

Debido al buen comportamiento del platino, se usa este metal casi exclusivamente en la

fabricación de RTD, salvo en casos especiales, aleado con pequeñas cantidades de otros

metales para mejorar sus características. Como ya vimos el platino tiene una función

resistencia vs temperatura muy lineal y estable. Este comportamiento es modelado por

la ecuación de Callendar-Van Dusen. Las constantes de ésta ecuación A, B, y C derivan

de la medida de la resistencia a 0ºC, 100ºC, y 260ºC.

4320 1001 CTCTTBTARRT Si CT 00

20 1 BTATRRT Si CT 00

Donde RT es la resistencia en ohms a la temperatura T en ºC y R0 es la resistencia a 0

ºC. Para T > 0 ºC podemos resolver la ecuación anterior y despejar el valor de la

temperatura en función de la resistencia medida.

BR

RRBRARART T

R0

0022

00

2

)(4

Las constantes de A, B, y C son derivadas de α y otras constantes, δ y β las cuales son

obtenidas de la medida actual de resistencia. Los valores comunes de estas constantes se

detallan en la siguiente tabla.

25

Cuadro 4: Constantes de Callendar – Van Dusen. [36]

Las relaciones entre estos parámetros y las constantes de la ecuación de Callendar-Van

Dusen son:

Figura 9: Relaciones entre parámetros

Una vez mas, y como no podía ser de otra manera, encontramos que los valores de las

“constantes” varían según el estándar utilizado como se detalla en la siguiente tabla.

Cuadro 5: Variación de constantes según el estándar

26

2.2.3.2 De la idea a la realidad

Quince años después del descubrimiento de Davy sobre que la resistividad de los

metales mostraba una marcada dependencia con la temperatura (1821), Sir William

Siemens sugirió la utilización del platino como el elemento en la termo resistencia. Esto

hace comúnmente referirse a las PRTD o Platinum Resistente Temperature Detectors.

El platino es particularmente el mejor componente a utilizar, tanto por su resistencia a

las altas temperaturas como por su excelente estabilidad. La primera construcción de un

RTD fue propuesta por C.H. Meyers en 1932. La idea consistía en enrollar una bobina

helicoidal de platino sobre un tejido de mica en forma de cruz, montándolo finalmente

en un tubo de vidrio. [36]

Figura 10: Construcción de RTD sugerida por Meyers

Aunque esta construcción produce un elemento estable, la limitación está dada por el

pobre contacto térmico entre el platino y el punto de medición. Adicionalmente, la

fragilidad de la estructura limita seriamente su aplicabilidad en la industria, siendo su

utilidad reservada para ambientes de laboratorio. Posteriormente, un nuevo diseño

desplazó el de Meyers, al menos en los laboratorios. La propuesta fue presentada por

Evans y Burns, consistiendo en una pajarera (birdcage). En este caso, el elemento de

platino no requería soporte, por lo que podía expandirse o contraerse libremente ante las

variaciones de temperatura. Claramente, este modelo no tenía una amplia aplicación

industrial.

Figura 11: Ejemplos de RTD industriales

27

Una limitante primordial, era la posibilidad que surgieran resistencias debidas a la

tensión en el platino (cosa muy importante si se deseara construir un sensor de presión,

pero este no era el caso). Para suplir estas deficiencias y lograr un sensor utilizable en el

mundo real, se propuso una nueva técnica de construcción. Un alambre de platino es

enrollado en forma bifilar entorno a un soporte de vidrio o cerámico. El bobinado bifilar

reduce el área efectiva encerrada por la bobina, disminuyendo los efectos magnéticos y

su ruido relacionado. Luego se sellaba el ensamblaje mediante un baño de vidrio

derretido. Este sellado le daba la robustez necesaria al sensor para resistir incluso fuertes

vibraciones, pero limitaba la expansión del platino a altas temperaturas. A menos que

los coeficientes de expansión del platino y del soporte coincidieran perfectamente, el

stress impuesto al alambre hará, nuevamente, aparecer una variación de resistencia

indeseada. Aún más grave, este cambio podría ser permanente. Existen algunas

soluciones que combinan el “bird-cage” con la construcción anterior. Se logra así un

sensor con excelente estabilidad y una moderada resistencia a las vibraciones.

B. RTD de lámina metálica

En la más reciente técnica de construcción, una capa de platino o una mezcla de metal-

vidrio es depositada o tamizada sobre un delgado sustrato cerámico, e impresa con un

láser de corte y finalmente sellada. Los RTDs laminares, ofrecen una sustancial

reducción del tiempo de ensamblaje, no fabricadas por un proceso “artesanal” y más

aún, permite aumentar la resistencia del sensor para una dimensión dada.

Debido a la técnica de fabricación, las dimensiones del sensor son pequeñas, lo que

permite al mismo una rápida respuesta a los cambios de temperatura. Sin embargo, tiene

la desventaja de poseer una menor estabilidad que sus contrapartes “artesanales”, pero

definitivamente se han vuelto cada vez más populares por su tamaño y costo de

producción. [36]

Figura 12: Ejemplos de RTD industriales.

28

C. Consideraciones del material utilizado

Obsérvese que al hablar de mezcla metal-vidrio no especificamos cual metal, aún

cuando reiteradamente nombremos al platino como el de nuestra preferencia. La razón

es que si bien el platino es el mejor elemento para la construcción de RTD, básicamente

por su linealidad y estabilidad, no es el único. Otro metales utilizados, tal vez no tan

ampliamente, son el cobre y el níquel. El primero por su bajo coste respecto al platino,

lo cual en el caso es suficiente para tolerar un coeficiente no tan lineal. Para el caso del

níquel, tiene una pendiente muy pronunciada, lo cual se traduce en grandes cambios en

la resistencia, pero lamentablemente esta respuesta es lineal en un rango reducido de

temperaturas, restringiendo fuertemente su aplicabilidad.

La grafica 6 muestra la relación de diferentes metales con la temperatura. Allí se aprecia

claramente los comentarios anteriores.

Grafica 6: Resistencia de varios materiales en función de la temperatura.

El cobre es ocasionalmente utilizado como elemento en la construcción de RTD. Su

baja resistividad hace que el elemento sea necesariamente más grande que su

equivalente de platino, pero su linealidad y bajo costo lo hace una alternativa

económica. Típicamente, su utilización se hace con temperaturas de hasta 120 °C.

Por las razones expuestas, los RTD más comunes son platino, níquel o aleaciones de

platino. El problema con el níquel, además del ya visto problema de linealidad, es su

corrimiento con el tiempo. Ningún de estos problemas se presentan con el platino.

29

Un tema práctico que en parte se adivina en los párrafos anteriores es: ¿basta con una

buena respuesta para obtener una medición aceptable? La respuesta es no; si la

resistencia nominal no es lo suficientemente grande en relación a la variación ocurrida,

puede hacer que los errores sean importantes. Esto lleva a que sea necesario el

cumplimiento de ambos requisitos. En el caso de las mezclas de metal-vidrio,

obviamente se obtiene una mayor resistividad, pero la introducción de impurezas afecta

la linealidad de la respuesta. Como todo en la vida, nada es perfecto. El mejoramiento

de lectura al aumentar la resistividad del RTD, tiene como contrapartida una mayor

sensibilidad al autocalentamiento.

Como veremos más adelante, esto condiciona la corriente de alimentación aplicada al

RTD. No olvidemos que el RTD es un sensor pasivo, requiriendo una fuente de energía

externa para su funcionamiento. Dependiendo de la aplicación y del entorno donde

utilizaremos nuestro RTD, consideraciones adicionales pueden presentarse. Una puede

ser la resistencia a la corrosión. En este caso la adición de una carcasa protectora

serviría a tal fin, pero la misma, dependiendo del material utilizado, puede afectar la

medida (simplemente la carcasa puede hacer las veces de aislante térmico, algo

obviamente no deseado). [36]

2.2.3.3 Formalicemos

A. Variaciones en la definición de α

Si nuestros problemas no fueran suficientes, en este campo de la industria también

existen choques USA – EU. La situación se presenta cuando se selecciona el sensor,

dependiendo del origen, el platino puede tener un TCR1 diferente, un reflejo de esta

situación se observa en la siguiente figura.

Grafica 7: Respuesta de un RTD de 100 Ω nominales dependiendo su origen

30

Cuando lea o escuche alguien hablando del DIN Grade Platinum recuerde que se está

refiriendo al valor llamado European Curve en la figura anterior.

B. Estándares de tolerancia y exactitud

La norma IEC 751, la más común para definir RTDs de platino (Pt), define clases de

performance para 100 Ω con α 0.00385: Clase A y Clase B. Estas clases (también

conocidas como DIN A y DIN B en la DIN 43760), determina las tolerancias en el punto

de hielo y exactitud de temperatura.

Esas tolerancias son también habitualmente aplicadas a Pt RTDs con punto de hielo

fuera de la suposición de 100 Ω de la IEC 751.

En la siguiente tabla, se presentan los valores definidos por la norma mencionada.

Adicionalmente, se muestra que dicha norma no es única y como la misma se relaciona

con otras definidas con igual fin.

Cuadro 6: valores definidos por la IEC 751

El estándar IEC 751 es el definido por la Internacional Electrotechnical Commission,

DIN 43760 es la German Electrotechnical Commission (DIN por sus siglas en alemán),

BS-1904 corresponde al British Standards Institution, JIS C 1604 se refiere a Japanese

Industrial Standard e ITS-90 por la International Temperature Scale of 1990.

La siguiente figura permite apreciar las diferencias entre las clases presentes en la tabla

anterior.

31

Grafica 8: Exactitud de los PRTD con la temperatura.

Es claro que la Clase A representa la más alta precisión. A pesar de ello, la Clase B es la

más ampliamente utilizada en la industria (razones económicas explican esta elección).

Si se observan las gráficas, la exactitud decrece con la temperatura. Mientras la IEC 751

sólo especifica los RTDs Pt100 α 385, sus requerimientos de precisión son

habitualmente aplicados a otros RTDs de platino. Sin embargo, muchos fabricantes

generalmente presentan tanto la precisión resistencia vs. Temperatura como la precisión

de temperatura, en forma de tabla para su lectura directa.

C. Estabilidad

Este parámetro mide el corrimiento del valor del RTD con respecto al tiempo.

Habitualmente se refiere a la misma como la estabilidad a largo plazo. La mayoría de

los fabricantes especifican dicha estabilidad en menos de 0.05 °C por año. Como era de

esperarse, la estabilidad es afectada por el diseño del sensor; a una más alta calidad del

mismo corresponde una menor deriva. El entorno es otro factor que afecta la

estabilidad. Vibraciones excesivas, maltrato mecánico y choques térmicos pueden

afectar la misma.

D. Intercambiabilidad

Este parámetro es fundamental en su aplicación en la vida real. La rotura de sensor

obligará a su cambio, pero el mismo no debería significar un excesivo trabajo para su

puesta en servicio; el ideal sería que dicho cambio fuera “transparente”. El sistema

32

debería conservar sus características sin reajustes. Mediante esta definición, se pretende

medir la variación de la tolerancia y coeficiente de temperatura de sensor a sensor. Un

buen diseñador debe considerar este hecho y realizar su implementación para tolerar

estas variaciones.

E. Tiempo de respuesta

Con este parámetro se cuantifica la velocidad del sensor a los cambios de temperatura.

Esta velocidad es inversamente proporcional a la masa del sensor, por lo que podemos

hablar de una “inercia térmica”, y a la proximidad del proceso a medir. Los sensores de

inmersión directa son generalmente los más rápidos.

F. Resistencia de aislamiento

Al armar un RTD, usualmente se rellena con elementos inorgánicos de aluminio u óxido

de magnesio. Esos materiales son higroscópicos, absorbiendo agua y causando un

corrimiento en la respuesta del sensor. El efecto es la aparición de una resistencia de

valor alto en paralelo con el sensor, la cual en principio no es detectable. Si el

aislamiento falla, la resistencia disminuye e introduce error en la lectura del sensor. Una

forma estándar de cuantificar este parámetro es medir el aislamiento entre los terminales

y la carcaza del sensor. El chequeo se realiza utilizando 50 o 100 V DC y una

resistencia mayor a 100 Ω es considerada aceptable. Este parámetro es la principal

causa de errores y falla de los RTDs. En algunos casos “hornear” el sensor puede

recobrar la aislación y el RTD. [36]

G. Autocalentamiento

En la construcción de los RTDs se utilizan alambres muy finos o capas muy finas. En

ambos casos, las secciones son demasiado pequeñas como para disipar el calor generado

por la circulación de corriente por el sensor, lo que aumenta la temperatura del mismo

alterando su lectura. La mayoría de los RTDs son especificados para trabajar con

corrientes de 1 mA o menores. Dependiendo del medio en el cual se encuentre el sensor,

puede atenuarse el error. Un rango de valor típico para un RTD industrial es 30 a 60

mW/°C.

2.2.3.4 Métodos de medida de resistencia.

Para utilizar un RTD en un sistema de medida de temperatura, es necesario excitarlo

con una corriente eléctrica. Esta corriente produce el problema ya visto del

autocalentamiento, al cual se deben agregar otros.

33

Medir la temperatura implica medir la resistencia del RTD. En la práctica, se emplean

varios sistemas acondicionadores para evaluar las variaciones de RT. Entre los más

generalizados se encuentran los puentes de resistencias alimentados con fuentes de

tensión o de corriente continua y las conexiones directas del RTD de 2, 3, o 4 hilos.

Estos buscan resolver los problemas que aparecen en su aplicación práctica.

2.2.4 Termistores

El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que

experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños

cambios de temperatura. El término termistor proviene del inglés THERMALLY

sensitive RESISTOR, es decir, resistencia sensible térmicamente. Aunque el termistor

no sea tan conocido como otros dispositivos semiconductores, tiene múltiples

aplicaciones en campos tan diversos como instrumentación, astronáutica, automóviles,

medicina...

La corriente que circula por cualquier conductor está afectada en algún modo por la

temperatura, para una misma tensión y el mismo material, la intensidad que hay en el

conductor varía en función de la temperatura.

Rt2 = Rt1 [1 + (t 2 - t1)]

Donde: t 2: Valor superior de la temperatura en ºC

t 1: Valor inferior de la temperatura en ºC

: Coeficiente de temperatura del material.

2.2.4.1 Tipos de termistores

• PTC: Coeficiente de temperatura positivo. Sufren un cambio de resistencia

brusco al alcanzar cierta temperatura (unos 100ºC) pasando de valores de

centenares de ohm. a decenas de Megaohm.

• NTC: Coeficiente de temperatura negativo. Altamente sensibles a cambios de

temperatura (valores de alfa entre -2%/K y -6%/K). Dentro de este grupo se

encuentra la mayoría de termistores.

34

Grafica 9: Comparación entre los PTC y los NTC. [33]

Rango de temperaturas y valores de resistencia Se emplean fundamentalmente entre

los -50ºC y los 150ºC no obstante las unidades encapsuladas pueden alcanzar los 300ºC.

En la mayoría de aplicaciones el valor de resistencia a 25ºC está entre 100ohm. Y

100kohm. Aunque se pueden producir con resistencias tan bajas como 10ohm. O tan

altas como 40Mohm.

Tamaño reducido Las reducidas dimensiones de los termistores hacen que la respuesta

a los cambios de temperatura sea muy rápida.

Sensibilidad a los cambios de temperatura Los termistores tienen mayor sensibilidad

a los cambios de temperatura que otros transductores.

Autocalentamiento La temperatura de un termistor puede variar bien por cambios de la

temperatura ambiente en que se encuentra el dispositivo, o por el autocalentamiento que

se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de él. El auto caldeo

puede ser indeseable en algunas aplicaciones, otras en cambio, basan su funcionamiento

en este efecto. [33]

Intercambiabilidad Tolerancia con la que es producido un termistor. Gracias a esta

cualidad es posible reemplazar en un sistema un termistor por otro sin necesidad de

volver a calibrar el aparato de medida.

Sensibilidad a la temperatura de forma remota La medición de temperatura se puede

efectuar desde un punto distante.

35

2.2.4.2 Configuraciones

• Los termistores se presentan en múltiples configuraciones, las más empleadas

son los de perla, disco y chip.

• Los termistores tipo perla debido a su pequeño tamaño permiten una respuesta

rápida ante los cambios de temperatura.

• Los termistores de disco y chip tienen una respuesta de disipación mayor.

Figura 13: Configuraciones mas comunes de termistores. [33]

36

2.3 Aplicación de los transductores pasivos.

2.3.1 Sistema de control para la deshidratación de gas natural

Ahora se considera el proceso que aparece en la figura. El objetivo de este proceso es

deshidratar el gas natural que entra al absorbedor, lo cual se logra mediante el empleo

de un deshidratante líquido (glicol). El glicol se introduce por la parte superior del

absorbedor y fluye hacia abajo, en sentido contrario al gas, a la vez que recoge la

humedad del gas. El glicol pasa del absorbedor a un intercambiador de calor y al

separador; en el rehervidor, que se encuentra en la base del separador, se extrae la

humedad del glicol, la cual se elimina en forma de vapor (de agua). Este vapor sale por

la parte superior del separador, se condensa y se utiliza como agua de reflujo, la cual se

utiliza para condensar los vapores de glicol que de otra manera saldrían junto con el

vapor de agua. [53]

Figura 14: Proceso de deshidratación de gas natural. [53]

37

El ingeniero que diseñó el proceso decidió que se debe controlar lo siguiente.

1. El nivel del líquido en el fondo del absorbedor, para lo cual debemos utilizar un

transductor de nivel que puede ser: ultrasónico, óptico ó de microondas, esto se

determina de acuerdo a las características del proceso.

2. El reflujo de agua en el separador, para ello usamos un transductor fluxometrico que

nos permite medir la velocidad del fluido y el flujo volumétrico.

3. La presión en el separador, para lo cual podemos emplear un transductor de presión,

La mayoría de estos sensores se basan en la medición de la deformación o

desplazamiento que la presión ejerce en una membrana elástica.

4. La temperatura en el tercio superior del separador, para lo cual podemos emplear un

transductor que puede ser una termo-resistencia (RTD).

5. El nivel de líquido en el fondo del separador, para esto de igual forma podemos usar

un transductor de nivel.

2.3.2 Sistema de control en el proceso de refinación del azúcar

Las unidades de proceso que se muestran en la figura forman parte del proceso para

refinar azúcar. La azúcar cruda se alimenta al proceso a través de un transportador de

tornillo y se rocía agua sobre ésta para formar un jarabe, el cual se calienta en el tanque

de disolución, de donde fluye al tanque de preparación, en el cual se realiza un mayor

calentamiento y la mezcla.

Del tanque de preparación el jarabe se envía al tanque de mezclado; conforme el jarabe

fluye hacia el tanque de mezclado, se le añade ácido fosfórico y, ya en el tanque, cal.

Este tratamiento con ácido, cal y calor tiene dos objetivos: el primero es la clarificación,

es decir, con el, tratamiento se coagulan y precipitan el calor de azúcar cruda. Después

del tanque de mezclado se continúa el proceso del jarabe. [53]

38

Figura 15: Proceso de refinación de azúcar. [53]

Se piensa que es importante controlar las siguientes variables.

1. Temperatura en el tanque de disolución, para lo cual usamos un transductor termo-

resistivo (RTD).

2. Temperatura en el tanque de preparación, para medir y controlar esta variable usamos

un termistor.

3. Densidad del jarabe que sale del tanque .de preparación, para controlar esta variable

usamos un transductor de densidad, esta característica se mide siempre en forma

indirecta. Generalmente se utiliza un elemento piezoeléctrico cuya frecuencia final de

oscilación estará en función de la densidad del fluido.

4. Nivel en el tanque de preparación. Para lo cual debemos utilizar un transductor de

nivel que puede ser: ultrasónico, óptico ó de microondas, esto se determina de acuerdo a

las características del proceso.

5. Nivel en el tanque de ácido al 50%; el nivel en el tanque de ácido al 75 % se puede

suponer constante para lo cual usamos un transductor de nivel.

6. La fuerza del ácido al 50 %; la fuerza del ácido al 75 % se puede suponer constante,

para lo cual usamos un transductor de presión para obtener la fuerza en forma indirecta.

39

7. El flujo de jarabe y ácido al 50% que entran al tanque de mezclado, para controlar

esta variable usamos transductor fluxometrico.

8. El pH de la solución en el tanque de mezclado.

9. La temperatura en el tanque de mezclado, para lo cual usamos un transductor termo-

resistivo (RTD).

10. En el tanque de mezclado se requiere únicamente una alarma de nivel alto.

La unidad de densidad que se utiliza en la industria azucarera es el “Brix, la cual

equivale aproximadamente al porcentaje, por peso, de sólidos de azúcar en la solución.

40

Capitulo 3. Transductores activos.

3.1 Tipos de transductores activo.

Cuadro 7: clasificación de los transductores activos. [35]

El cuadro 7 resume los tipos más corrientes de transductores eléctricos activos. Que son

los que generan por sí mismos una fuerza electromotriz y no necesitan alimentación

externa.

Los tipos fundamentales de transductores activos son: [35]

1. Los termopares, circuitos formados por dos metales diferentes en el que se genera

una fuerza electromotriz cuando las uniones de los dos metales se encuentran a

temperaturas diferentes (efecto termoeléctrico).

2. El generador eléctrico que usa el efecto de inducción magnética para generar una

corriente eléctrica cuyas características están directamente relacionadas con la velocidad

de rotación (tacómetro).

3. Los transductores piezoeléctricos que usan un cristal que al ser deformado genera

una separación de las cargas positivas y negativas que produce una diferencia de

potencial entre caras del cristal relacionada con la deformación experimentada.

4. La celda fotovoltaica que genera una fuerza electromotriz cuando se ilumina una

unión semiconductora (efecto fotovoltaico).

3.2 Características de los transductores activos.

3.2.1 Termopares.

Los termopares se basan en el efecto descubierto por Sir Thomas Seebeck: en un

circuito formado por dos metales distintos, A y B, con dos uniones a diferente

temperatura, aparece una corriente eléctrica.

41

Figura 16: termopares basados en el efecto seebeck. [28]

Se produce una conversión de energía térmica en energía eléctrica, o bien, si se abre el

circuito, en una fuerza termo-electromotriz (f.t.e.m) que depende de los metales y de la

diferencia de temperatura entre las uniones:

TeAB

Donde α es el coeficiente de Seebeck y T la temperatura absoluta. α representa la

variación de tensión producida por la variación de 1º de temperatura para cada par de

materiales. Así para el hierro-constantan α es de 0,0828mV por grado.

Todos los pares de metales diferentes presentan este efecto, para pequeños cambios de

temperatura, la tensión de Seebeck es linealmente proporcional a la temperatura. [28]

El efecto Seebeck es una combinación de los efectos Peltier y Thomson:

Efecto Peltier: cuando una corriente circula por la unión de dos metales

diferentes se produce una absorción o liberación de calor en ésta, que es función

de la dirección del flujo de corriente.

Efecto Thomson: cuando una corriente circula por un metal homogéneo

sometido a un gradiente de temperatura provoca una absorción o liberación de

calor.

3.2.1.1 Leyes empíricas de los circuitos termoeléctricos

Las tres leyes empíricas de los circuitos termoeléctricos son:

Ley de los materiales homogéneos: en un conductor metálico homogéneo no se

genera corriente termoeléctrica al aplicarle calor, aunque varíe la sección

transversal del conductor.

Consecuencias:

Para formar un termopar hacen falta dos metales diferentes.

42

Si un metal sometido a un gradiente de temperatura genera una fuerza

electromotriz indica que no es homogéneo.

Ley de los materiales intermedios: la suma algebraica de las tensiones termoeléctricas

en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero, si todo

el circuito está a una misma temperatura. [28]

Consecuencias:

Se puede añadir un tercer metal (instrumento de medida) en un circuito

termoeléctrico sin que varíe la tensión, siempre que las dos nuevas uniones estén

a la misma temperatura.

El método empleado para unir los dos metales (soldadura, con tornillo, etc.) no

afecta a la fuerza electromotriz resultante si el conjunto está a la misma

temperatura y el contacto eléctrico es correcto.

Figura 17: Ley de los materiales intermedios.

Ley de las temperaturas intermedias: si dos metales homogéneos diferentes producen

una fuerza termoeléctrica E1 cuando están a una temperatura T1 y T2, y una fuerza

termoeléctrica E2 cuando están a la temperatura T2 y T3, la fuerza termoeléctrica

generada cuando las uniones están a temperatura T1 y T3 será igual a E1 + E2.

Figura 18: Ley de las temperaturas intermedias

43

Consecuencias:

Si se conoce la fuerza termo electromotriz que genera la unión de dos metales

diferentes con un tercero, la fuerza termo electromotriz que genera la unión de

los dos primeros es igual a la suma algebraica de las fuerzas termo

electromotrices que genera cada uno con el tercero.

Un termopar calibrado para una temperatura de referencia puede ser empleado

para otra temperatura mediante la oportuna corrección.

Figura 19: Modificación de la temperatura de referencia de un termopar

3.2.1.2 Características de los termopares

Comparativamente con los otros transductores de temperatura, los termopares destacan

por su amplio margen de medida, globalmente de -270 a +3300 ºC, y en particular por

las características siguientes:

Positivas:

Dimensiones reducidas.

Estabilidad a largo plazo.

Robustos, versátiles y fiables.

Económicos.

Transductores activos (no requieren excitación externa).

Negativas:

Baja sensibilidad.

Baja linealidad.

Requieren unión de referencia.

44

3.2.1.3 Tipos de termopares

Para cada tipo de aplicación hay que escoger el tipo de termopar que más se ajuste a las

necesidades del diseño. Los factores que determinan la elección, en orden de

importancia, son:

Margen de temperaturas a medir.

Compatibilidad con la atmósfera del entorno del termopar.

Coste.

Tensión por grado de temperatura.

Linealidad.

Cuadro 8: Esta tabla muestra los termopares más comunes. [28]

La no linealidad de los termopares es debida al coeficiente de Seebeck, que no es lineal

con la temperatura.

Grafica 10: Muestra la no linealidad debido al coeficiente de seebeck

45

3.2.1.4 Características de corrosión de los termopares

Cuadro 9: Resumen de las características de los termopares más comunes [28]

3.2.2 Sensores Piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico, descubierto a finales del siglo XIX por Pierre y Jacques Curie,

hace referencia a algunos materiales que son capaces de generar un potencial eléctrico

en respuesta a una deformación mecánica. Dicho potencial se genera a lo largo de

ciertos ejes cristalográficos que como respuesta a la deformación mecánica. El material

sufre un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por

ende producen un potencial eléctrico, ver figura (20) Para medir el potencial eléctrico

generado se usan dos electrodos, su magnitud es proporcional a la deformación y

depende en gran medida de la dirección en que se aplique la deformación. [2]

Figura 20: Efecto piezoeléctrico. Ilustración tomada de Antonio Arnau, 2004.

46

El efecto piezoeléctrico es reversible, es decir que la aplicación de un potencial eléctrico

a un cristal piezoeléctrico produce deformación. Ambas propiedades se han empleado

considerablemente en la industria y en el diseño de bioinstrumentos. Los piezoeléctricos

son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy

pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales

pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos

es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su

respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta

en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

Matemáticamente puede establecerse que la carga total inducida q es directamente

proporcional a la fuerza f que se aplica sobre el piezoeléctrico:

fKq .

Donde k es una constante piezoeléctrica que depende del material. El cambio de voltaje

se puede encontrar “asumiendo” que el sistema actúa parecido a un capacitor. Está

suposición tiene sentido, ya que un capacitor es un dispositivo que almacena energía.

Aún cuando el piezoeléctrico no la acumule exactamente, este puede brindar un

potencial tras la aplicación de la fuerza mecánica adecuada. [2]

La carga en un capacitor q es proporcional al Voltaje V, y la constante de

proporcionalidad es la capacitancia C. Reemplazando la relación conocida entre

capacitancia y corriente se obtiene:

dt

vdCi

Pero sabemos que la corriente dt

dqi (donde q es carga) reemplazando se

obtiene que dt

dvC

dt

dq , luego eliminamos dt e integramos para obtener que

VCq y

ahora valiéndose de la ecuación que define la capacitancia se obtiene que:

A

XfK

C

fKV

r ..

...

0

Algunos valores típicos para k son 2.3 pC/N (pico Coulombs por Newton) para el

cuarzo y 140 pC/N para el titanio de bario. Así para un sensor piezoeléctrico de cuarzo

de 1 cm2 de área y 1 mm de espesor produce un voltaje de 0.23 mV como respuesta a

una fuerza aplicada de 10g. Bajo las mismas condiciones un piezoeléctrico de titanio de

bario generaría 14mV aproximadamente. En la mayoría de los casos la primera etapa de

47

acondicionamiento de un sensor piezoeléctrico es la amplificación, tal como se ilustra

en la figura 21.

Figura 21: Circuito de un sensor piezoeléctrico acoplado a un amplificador. Ilustración

original John G. Webster

Es importante familiarizarse con el circuito equivalente de un transductor

piezoeléctrico, figura 22. Note por favor el uso de la palabra “equivalente”, pues un

transductor piezoeléctrico no está hecho de condensadores, pero esta forma de

modelarlo es útil para entender y modificar sus propiedades.

Figura 22: (a) Circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico, donde Rs es la

impedancia de entrada, Cs, Cc, Ca son las capacitancias del sensor, cables y

amplificador respectivamente; la última resistencia es la resistencia del amplificador.

Fíjese además que q es la carga del generador. (b) Si se suman en paralelo los

condensadores, en paralelo las resistencias y si se cambia el generador de carga por uno

de corriente se obtiene este circuito equivalente. Ilustración original de John G.

Webster.

48

Los piezoeléctricos tienen una respuesta en frecuencia finita, así el interesado en

calcular la frecuencia inferior de un sensor piezoeléctrico a -3 dB puede hacer uso de la

siguiente ecuación:

RCfc 2

1

La ecuación indica que para modificar la respuesta en frecuencia es posible valerse de

dos variables: la capacitancia y la impedancia de entrada. Para ilustrar esta idea

considere una capacitancia C = 0.5 nF y una impedancia de entrada R = 5 MΩ,

reemplazando en la ecuación se obtendría f = 64 Hz. Nótese que si se cambia el valor de

R por un valor cualquiera, supóngase 500KΩ, la frecuencia aumentaría a 640Hz.

En bioinstrumentación existen múltiples aplicaciones para los piezoeléctricos: medición

de algunos eventos fisiológicos y registro de sonidos del corazón (ver Torres y

Jaramillo, 2000), como microbalanza (Arnau et al, 2002), para medir velocidad a través

del efecto doppler e imagenología ultrasónica (Arnau, 2004). Existen inmensas

posibilidades de aplicación de los sensores piezoeléctricos, si desea profundizar en el

tema está invitado a leer el libro de Antonio Arnau, editado como resultado del proyecto

PETRA (PiezoElectric TRansducers and Applications), proyecto cofinanciado por la

Unión Europea y el programa ALFA (America latina Formación Académica). [2]

Arnau et al en la Universidad Politécnica de Valencia España investigan algunos

sensores piezoeléctricos de cuarzo. Ellos aprovechan la siguiente relación:

A

MFXF

26103.2

Donde: ΔF: cambio en frecuencia fundamental

F: frecuencia de resonancia del cristal

A: área cubierta (electrodos del cristal donde se depositan las masas)

ΔM: Masa depositada

El grupo de investigadores usa un electrodo que posee anticuerpos monoclonales que

detecta la concentración de un antígeno. A medida que la reacción se genera, ΔM

cambia pues la masa se adsorbe. El cambio en la masa depositada es directamente

proporcional frecuencia fundamental tal como se observa en la ecuación. Con este

49

montaje es posible hacer mediciones muy pequeñas del orden de 10-9 o hasta 10-12

gramos en condiciones óptimas. Tal nivel de discernimiento y sensado del peso tendría

múltiples aplicaciones. Un sensor como estos podría detectar cantidades ínfimas de un

tóxico en agua contaminada, cantidades mínimas de ántrax en un sobre (obviamente si

fuera posible aislar un anticuerpo específico para este), entre otras.

3.2.3 Tacómetros

3.2.3.1 Medidores de velocidad:

La velocidad lineal y angular son variables cuya medición puede requerirse en procesos

industriales. De estas dos la más comúnmente medida es la velocidad angular, ya que la

velocidad lineal en la mayoría de las aplicaciones puede ser calculada a partir de esta.

Como ejemplo, podemos citar la velocidad lineal de una cinta transportadora., en cuyo

caso dicha velocidad se obtiene con el producto de la velocidad angular del rodillo

motor por su radio. [46]

Figura 23: Calculo de la velocidad lineal a partir de la velocidad angular

3.2.3.2 Velocidad angular

La medición de velocidad angular se realiza preferentemente con tacómetros, los cuáles

pueden ser eléctricos o mecánicos.

Los más utilizados son los eléctricos porque permiten el procesamiento de la señal para

fines de control estos tacómetros utilizan un transductor que produce una señal

analógica o digital relacionada con la velocidad de giro de un eje y se clasifican en:

Tacómetros de corriente alterna

Tacómetros de corriente continua

Tacómetros de frecuencia

50

A. Tacómetro de CA

Los tacómetros eléctricos son dispositivos que sirven para indicar la velocidad de

rotación de piezas en movimiento rotacional. Estos aparatos basan su funcionamiento en

el crecimiento o disminución del voltaje o la frecuencia de la corriente producida por un

generador de corriente alterna al que se le aplica la velocidad de rotación a medir. [1]

Figura 24: Tacómetro de CA

En la figura 24 se muestra un esquema que permite comprender el funcionamiento de

estos aparatos. El voltaje y la frecuencia de la corriente eléctrica producida por un

generador, se comporta proporcional a la velocidad de rotación de este, de manera que

si la velocidad de rotación aumenta o disminuye cierta cantidad, también lo harán en la

misma proporción el voltaje y la frecuencia de la corriente generada.

El tacómetro de corriente alterna consiste en un rotor dotado de un imán permanente,

que gira dentro de un estator bobinado multipolar. El campo magnético móvil del imán

induce una corriente alterna en el bobinado que es proporcional a la velocidad de

rotación. [1]

Figura 25: Calculo de la velocidad angular con un tacómetro de corriente alterna

51

La salida se presenta entonces en forma de tensión variable, tanto en amplitud como en

frecuencia. Esto hace que el sistema sea poco práctico para bajas velocidades.

Para obtener una salida a frecuencia constante se adiciona un devanado de excitación

adicionalmente al de detección.

Si el devanado de excitación se alimenta con una corriente alterna de amplitud estable y

frecuencia f, al girar el rotor con una velocidad ω, se obtiene una tensión de salida:

u= - k.f.ω.sen (f.t+φ)

Entonces se obtiene una tensión de salida de amplitud proporcional a la velocidad

angular y la frecuencia de excitación y con forma de onda sinusoidal de frecuencia igual

a la frecuencia de excitación más un ángulo fijo de deslizamiento.

B. Tacómetro de CC

Este instrumento es llamado también dínamo tacométrico y consiste en un imán

permanente ubicado en un estator y un rotor con entrehierro uniforme. La tensión

continua es recogida por medio de escobillas y es proporcional a la velocidad de

rotación del eje. La ventaja que ofrece este diseño contra el de CA, es que la polaridad

de las escobillas indica el sentido de giro del eje.

La incertidumbre en la medida alcanza +/-0,5% del rango para velocidades que llegan

hasta 6000rpm. [1]

Figura 26: Calculo de la velocidad angular con un tacómetro de corriente directa

C. Tacómetro de frecuencia

A estos equipos también se les denomina codificadores y permiten convertir el

movimiento, ya sea rotativo o lineal, en un tren de pulsos de frecuencia proporcional a

la velocidad de movimiento. [1]

Se distinguen dos tipos de codificadores:

a) Incrementales

52

b) Absolutos

Tacómetro de frecuencia: Incrementales

En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca

inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho

elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una propiedad que las diferencia.,

dispuestas en forma alternativa y equidistante, tal como indica la figura:

Figura 27: Calculo de la velocidad angular con un tacómetro de frecuencia incremental

De este modo un incremento de posición produce un cambio definido en la salida a

través de la detección de este cambio por un dispositivo o cabezal de lectura fija. La

resolución de un sensor angular, dada como número de impulsos de salida es:

N=π.D/ (2X)

Donde D es el diámetro del disco y X el ancho/diámetro de cada sector codificado.

Las propiedades para la diferenciación de los sectores pueden ser:

a) magnéticas,

b) eléctricas,

c) ópticas.

Sistemas magnéticos

Una rueda o regla dentada de material ferromagnético dará un impulso de tensión cada

vez que pase por delante de una bobina fija (por ejemplo un sensor inductivo de

corriente parásita). [29]

La forma de señal obtenida es un tren de pulsos que será más parecido a una onda

cuadrada en función de la velocidad.

53

Figura 28: Diferenciación magnética de los sectores por un material ferromagnético

Otra configuración aplica una sonda Hall junto con un imán permanente, produciendo

un menor flujo magnético a través de la sonda al estar próximo a un segmento. [29]

Figura 29: Diferenciación magnética de los sectores por una sonda hall.

Sistemas eléctricos

Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. En los codificadores

de contacto se encuentra un elemento móvil conductor (cobre dorado o plateado) y

aplicaciones de aislantes (melamina) realizados mediante fotograbado. Se emplean

escobillas del mismo conductor para la lectura.

54

Figura 30: Diferenciación eléctrica de los sectores por medio de escobillas.

Tacómetro de frecuencia: Absolutos

Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada

correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una

referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que

las distingue, y a la que se le asigna un valor binario “0” o “1”.

Pero a diferencia de los incrementales hay varias pistas con zonas diferenciadas y están

agrupadas de tal manera que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada

posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición.

Figura 31: tacómetro de frecuencia absoluto

Características:

Cada pista representa un bit de salida

La pista más interior es el bit de mayor peso

55

Se utilizan normalmente sensores ópticos con zonas opacas y transparentes.

Son inmunes intrínsecamente frente a las interrupciones e interferencias

electromagnéticas.

Los cabezales de lectura son más complejos que en los incrementales. (En

función del número de pistas)

Códigos de posición utilizados:

Figura 32: La codificación más simple es utilizar el código binario natural

Usos:

Si la información de la posición se debe comunicar a un sistema computarizado, tiene

ventajas operativas la utilización del código binario.

Si el objetivo de la medida es sólo la indicación (presentación numérica) de la

posición, es mejor utilizar el código BCD

Si se desea tener mayor seguridad en la identificación de la posición, entonces se debe

utilizar un código cíclico como el Gray.

3.2.4 Celdas fotovoltaicas.

3.2.4.1 Fundamentos Físicos de las Celdas Solares

Las celdas solares transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. Por lo

tanto, para entender el fenómeno fotovoltaico es necesario penetrar en las características

intrínsecas de los materiales semiconductores utilizados en la fabricación de las celdas.

56

3.2.4.2 Estructura de los Semiconductores

Uno de los materiales semiconductores que comúnmente se utiliza en la fabricación de

celdas solares es el Silicio. Aunque también su ocupan materiales como Ge, P, As o

compuestos químicos como CuAlS2, CuInS2. Ya que la gran mayoría de las celdas que

actualmente se comercializa están hechas en base al Silicio, se explicará en detalle la

estructura de este material y cómo se trabaja para ser utilizado en la fabricación de las

celdas.

El Silicio está compuesto por 14 electrones, de los cuales los 10 primeros están

firmemente unidos al núcleo, pero los 4 electrones restantes, llamados electrones de

valencia, poseen la capacidad de reaccionar frente a otros átomos y así provocar el

denominado efecto fotovoltaico. Luego para crear una celda elemental de Si, se unen

por medio de sus electrones de valencia, 5 átomos del material, formando así un enlace

covalente. Es decir, cada átomo comparte uno de sus electrones de valencia, quedando

todos los enlaces saturados. En la Figura 33, se observa una celda elemental de Silicio. [23]

Figura 33: Celda Elemental de Si

Como se puede observar, no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor

intrínseco o “tipo I”.

Si a este material se le incorpora una impureza, como puede ser un átomo de Fósforo,

con 5 electrones de valencia, uno de estos electrones permanecerá unido de manera

débil. Por lo tanto, habrá un electrón de valencia “libre” y el material tendrá un exceso

de cargas negativas, este material se denomina “tipo N”. En la Figura 34, se muestra el

efecto de una impureza de Fósforo en un átomo de Silicio.

57

Figura 34: Efecto de una Impureza de Fósforo

De manera similar, si se incorpora un átomo Boro, con 3 electrones de valencia,

aparecerá un “hueco”, es decir, no se producirá el enlace covalente y el material tendrá

un exceso de cargas positivas, este material se denomina “tipo P”. En la Figura 35, se

muestra el efecto de una impureza de Boro en un átomo de Silicio.

Figura 35: Efecto de una Impureza de Boro

3.2.4.3 Junturas NP

La juntura NP se produce, cuando un material “tipo N” y otro “tipo P” se unen y los

electrones sobrantes del material N pasan hacia el material P y los “huecos” del material

P pasan al material N. Esta juntura se mantiene en equilibrio al no existir luz incidente.

Luego cuando la luz incide sobre el semiconductor, gracias a la absorción de fotones, se

liberan electrones del átomo de Silicio, se rompe el equilibrio de la juntura NP y se

producen los denominados par “electrón-hueco”. De esta manera, se produce un campo

eléctrico en la interfaz de la juntura que, al conectar una carga externa entre ambas

zonas, genera la corriente eléctrica típica del fenómeno fotovoltaico y característica

fundamental de las celdas solares. En la Figura 36, se observa la característica de la

juntura NP. [23]

58

Figura 36: Campo Eléctrico en la Juntura NP

Específicamente para el Silicio, se produce un campo eléctrico con el cual se puede

obtener potenciales de aproximadamente 550mV.

3.2.4.4 Elementos de una Celda Solar de Silicio

Actualmente en el mercado, existen varios tipos de las celdas solares de Silicio, pero las

de mayor importancia son las de material Policristalino y las de material

Monocristalino.

En este tipo de celdas, los elementos fundamentales son:

Un contacto superior en la zona del material “tipo N”.

Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”.

Un contacto inferior en la zona del material “tipo P”.

El la Figura 37, se pueden observar los elementos fundamentales de una celda solar de

Silicio.

Figura 37: Elementos Fundamentales de una Celda Solar [23]

59

3.2.4.5 Características de las Celdas Solares

Circuitos Equivalentes

La ecuación que representa el circuito equivalente ideal, según la Figura 38a, de una

celda solar es:

1/exp KTqVICRI s (1)

En donde C es una constante, R es la radiación solar en W/m2, IS es la corriente de

saturación del diodo, q la carga eléctrica elemental (q = 1,60 · 10-19 Coulomb), k la

constante de Boltzmann (k = 1,38 · 10-23 J/K) y T la temperatura absoluta en Kelvin.

Sin embargo, en la realidad, la corriente generada por la celda se ve afectada por varios

factores, los cuales pueden ser representados por las resistencias en serie y en paralelo

Rs y Rsh, según muestra la Figura 38b. Además, la ecuación de este circuito equivalente

también sufre algunos cambios obteniéndose:

shssL RVKTIRVqIII /1/exp (2)

Figura 38: Circuitos Equivalentes

60

3.2.4.6 Característica I-V

Los valores característicos más importantes de las celdas solares son el voltaje de

circuito abierto VOC y la corriente de cortocircuito ISC.

Según la ecuación (1), para circuito abierto I = 0 se obtiene:

1/../ sOC IRCLnqKTV

Y para cortocircuito V = 0, se tiene:

RCI SC .

Por lo tanto, la corriente ISC es directamente proporcional a la radiación solar, por lo

cual es posible ocupar las celdas solares como medidores de radiación.

En la grafica 11, se muestra la característica I-V (Corriente v/s Voltaje) de una celda

solar.

Grafica 11: Característica I-V de una Celda Solar [23]

A. Potencia Máxima

El máximo rectángulo que puede inscribirse al interior de la curva I-V representa la

potencia máxima que puede generar una celda solar. Este punto, denominado Pmp, se

obtiene del producto de Vmp e Imp, según la ecuación:

mpmpmp IVP *

61

También los fabricantes de celdas solares han introducido el término potencia “peak”, o

simplemente “WP”. Este valor se obtiene bajo condiciones estándar de 1000W/m2 de

radiación, AM1, 5 y temperatura de celda de 25ºC.

B. Factor de llenado (Fill Factor)

Otro término utilizado es el denominado factor de llenado FF, el cual se define como:

SCOC

mpmp

IV

IVFF

*

*

Este término representa el cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el

rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito.

Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda. En la grafica 12, se presenta la

diferencia entre ambos rectángulos.

Grafica 12: Factor de Llenado (FF) [23]

C. Eficiencia de las Celdas Solares

La eficiencia de las celdas solares, Eff (%), se define como la relación entre la potencia

eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y la irradiación solar incidente (W/m2)

para obtenerla. Esta relación es adimensional y está dada en forma porcentual, como:

100*%incidentenirradiacio

generadapotenciaEff

62

D. Eficiencia Máxima y Pérdidas

En el año 1963, el científico J.J. Loferski calculó las máximas eficiencias teóricas para

las celdas solares para diversos materiales. En la grafica 13, se observa la curva

obtenida por Loferski [JF63]. [23]

Grafica 13: Eficiencia Máxima de las Celdas Solares

Como se observa, los materiales que presentan las mayores eficiencias son los

compuestos de GaAs, CdTe y AlSb. Sin embargo, éstos actualmente se encuentran en

proceso de experimentación, por lo cual no están mayormente comercializados. En el

caso del Si, por tratarse de un material altamente conocido en la industria de los

semiconductores, se ha logrado minimizar la distancia entre el límite teórico y las

eficiencias encontradas en la práctica. Actualmente, existe un límite teórico de 28%,

pero debido a pérdidas por diversos factores la eficiencia se reduce a un rango entre

14% y 22%. Algunos conceptos novedosos como el PESC (Pasivated Emitter Solar

Cell) y el BC (Buried Contact) han permitido que se obtengan eficiencias record de

laboratorio de 24,2%.

3.2.4.7 Tecnología de Fabricación de Celdas Solares de Silicio

En la actualidad, se encuentra altamente comercializadas las celdas de Silicio

Monocristalino, Silicio Policristalino y Silicio Amorfo. Este último presenta todavía

bajos niveles de eficiencias, por lo que su uso se ve restringido a lugares en los cuales

no existan restricciones con respecto al área de colección o circuitos de baja potencia,

como calculadoras de bolsillo. Las celdas de Silicio Monocristalino están formadas por

una estructura cristalina uniforme; en cambio, las celdas de Silicio Policristalino están

63

formadas por pequeñas estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que

la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor. En la Figura 39, se

observa los dos tipos de materiales utilizados en la fabricación de celdas de Silicio. [23]

Figura 39: Granos de Silicio Monocristalino y Policristalino

A simple vista, los dos tipos de material se pueden diferenciar fácilmente, ya que la

estructura Monocristalina tiene un brillo uniforme, en cambio la estructura Policristalina

muestra zonas de brillo diferente.

El Silicio, utilizado en la fabricación de estas celdas, se obtiene a partir de elementos

como arena o cuarzo, los cuales se presentan en la naturaleza con altos grados de

impurezas, por este motivo es necesario procesarlos para obtener un Silicio con

propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia. Es importante

destacar que el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre,

luego del oxígeno.

3.3 Aplicación de los transductores activos.

3.3.1 Medición de la velocidad angular desarrollada por un motor

Un ingeniero encargado del mantenimiento de una flota de vehículos, requiere estar

midiendo algunas variables que determinan el buen funcionamiento de los automóviles

para detectar posibles fallas y corregirlas de manera oportuna, otras deben ser

verificadas, a cada instante por el operario de las unidades y para ello requerimos de

algunos instrumentos de medición llamados transductores.

Si necesitamos medir la velocidad angular que esta desarrollando el cigüeñal de los

automóviles usaremos un transductor llamado tacómetro.

64

Figura 40: Medición de la velocidad angular desarrollada por un motor

3.3.2 Medición de la temperatura en un motor

Si se requiere que el conductor verifique constantemente la temperatura del vehiculo

para evitar exponer el motor a altas temperaturas, podemos usar un transductor

termopar.

Figura 41: Medición de la temperatura en un motor

3.3.3 Verificación si la inyección de combustible es la adecuada

Cuando se requiere saber si el combustible se esta inyectando adecuadamente usamos

un transductor piezoeléctrico que nos permite detectar el momento de inyección en un

motor. Situado alrededor de un tubo de inyección, detecta la dilatación provocada por

variaciones de presión interna debidas a las inyecciones. La señal eléctrica suministrada

65

por el sensor permite medir el régimen de un motor (una dilatación del tubo para dos

revoluciones del motor). [3]

Figura 42: Verificación si la inyección de combustible es la adecuada

66

Capitulo 4. Instalación y ubicación de los transductores.

4.1 generalidades y preparación.

Para la instalación de transductores, es importante tener en cuenta algunos puntos

trascendentales para poder obtener el máximo periodo de vida del transductor

trabajando en condiciones óptimas y disminuir de manera considerable el constante

cambio de equipo en lapsos cortos de tiempo.

Primero debemos conocer los datos técnicos de operación del transductor como son:

Las funciones que va a realizar o variables que va a medir, las cuales pueden ser

presión, temperatura, flujo, par, fuerza, deformación, velocidad angular, nivel de

fluido; también se debe observar cuales pueden ser las partes mas sensibles del

transductor para darles un manejo especial y evitar daños en el equipo.

Segundo conocer las dimensiones mecánicas del transductor:

Esto se puede definir como conocer las medidas y diámetros tanto de las piezas

de soporte como es el vástago donde esta montado en su conjunto el transductor

y sus terminales, cuando los transductores sean bandas deberá además conocer

los limites entre los que trabajara, ya sea de presión, temperatura, etc.

Tercero para una correcta instalación:

Es importante que pongamos especial atención en definir la herramienta

adecuada para fijar los componentes del transductor, esto es cuando se hagan

perforaciones cuidar no producir choque bruscos con las piezas de análisis que

pudiera provocar cambios en el material que nos de lecturas erradas del

fenómeno, cuando se trata de bandas se debe observar que el lugar donde se

fijara se debe limpiar perfectamente. [39]

4.2 Instalación de transductores.

4.2.1 Instalación de un transductor activo.

El Transductor Load Stand II es la única celda de carga de soporte directo que es usada

para pesar material almacenado en botes, silos y, estanques de almacenamiento similar.

El diseño incorpora un exclusivo montaje resistente que permite pequeños movimientos

67

en los soportes del estanque mientras conserva una fuerte y confiable conexión vía

pernos. Control de barras y tensores no son requeridos.

La parte estructural del Transductor Load Stand II consiste de un pedestal de acero

soldado, un cojinete resistente y pernos especiales de montaje. El pedestal es fabricado

de una sección de cañería y flanges soldados. Los agujeros en ambos flanges son

sobredimensionados. Esto permite al perno de arriba inclinarse ligeramente para

acomodar pequeños movimientos en soporte del estanque. Los agujeros de abajo

acomodan la tolerancia en la ubicación de los pernos de montaje. El cojinete resistente y

golillas permiten a los soportes del estanque y pernos moverse ligeramente mientras aún

mantienen las fuerzas de tensión y corte en los pernos.

Las celdas de carga Transductor Load Stand II son diseñadas y fabricadas de acuerdo

con los reglamentos aplicables de la U.B.C. Sin embargo, el tamaño del estanque y las

condiciones de carga son únicas para cada cliente. Es importante que cada cliente

determine las normas locales de construcción y condiciones de carga a la cual el

Transductor Load Stand II será sometido y verifique que la sobrecarga especificada es

adecuada. Kistler-Morse proporciona planos de fabricación, etc., a pedido para ayudar

en esta verificación. Nosotros recomendamos que un Ingeniero estructural sea

consultado para realizar estas verificaciones y diseñar las fundaciones y accesorios tanto

para construcciones nuevas y existentes.

La capacidad de medir carga del Transductor Load Stand II es proporcionada por los

sensores semiconductor medidor de esfuerzo Microcell II instaladas en el pedestal. La

dimensión del pedestal y la localización de los sensores están diseñadas para minimizar

los errores. Los sensores semiconductores miden la deflexión en el pedestal causada por

el peso del material en el estanque. Esta medición es convertida a un voltaje de salida el

cual es proporcional al peso del material. Cubiertas ambientales de plástico y caja de

unión protegen los sensores y terminales de alambre de la lluvia, polvo y otras

condiciones naturales del ambiente. En el caso improbable que uno de estos sensores

fallen, puede ser reemplazado en terreno sin sacar el pedestal de abajo del estanque.

A continuación describimos como instalar los Transductores Load Stand II bajo los

estanques (la llamaremos Load Stands desde este punto hacia delante). Las siguientes

figuras representan a un estanque montado en fundaciones de concreto, pero todos estos

conceptos se aplican a sistemas montados en viga, etc. [52]

68

4.2.1.1 Equipos necesarios para la correcta instalación

Los siguientes equipos son requeridos para instalar con éxito un Sistema de Peso Load

Stand II.

Equipo de levantamiento, es decir, grúa y/o gato hidráulico.

Pernos y tuercas ASTM A325 tanto para la conexión inferior y superior

(proporcionados por el cliente). Kistler- Morse proporciona golillas especiales

usadas para la conexión superior.

Láminas (cuando se requiera). Kistler-Morse proporciona dos láminas por Load

Stand pero láminas adicionales pueden ser requeridas.

Tester de mano Kistler-Morse.

Herramientas: Llaves para pernos, piezas de metal, nivel, regla, barras de

levante, destornilladores.

Figura 43: Tapa de la caja de unión de la celdas load stand. [52]

4.2.1.2 Instalación

Paso 1.

Antes de instalar las Load Stand, verifique que estas son de la capacidad correcta para

su aplicación y que no han sido dañadas durante el embarque.

a. Saque la tapa de la caja de unión. La capacidad de la Load Stand esta anotada en

la etiqueta fijada en la parte interior de la tapa tal como lo muestra la figura de

arriba. Verifique que la Load Stand esta correcta para su aplicación y estanque.

69

Figura 44: Verificación del voltaje del transductor sin carga [52]

Paso 1. (Continuación)

b. Usando un conductor de 3 cables, conecté una punta a los terminales RED, BLACK,

y WHITE de la caja de unión de la Load Stand II. Conecte la otra punta a los terminales

RED, BLACK, y WHITE del Tester Kistler-Morse, asegúrese de conectar RED con

RED, BLACK con BLACK y WHITE con WHITE.

Sin carga en la Load Stand, la indicación del Tester debería leer entre +50 y –50 mV.

Paso 2.

Inspeccione las fundaciones y superficies de montaje del estanque que acoplaran con los

flanges de la Load Stand.

a. Controle el montaje de la localización y tamaño de los agujeros tanto en la placa base

de la fundación y la del estanque.

b. Controle estas superficies que estén planas y el desalineamiento angular. Una placa

base con tuercas de nivel es recomendado.

70

Figura 45: control de los agujeros en las placas de la fundación y la del estanque

Figura 46: Montaje de los estanques en las fundaciones

71

Figura 47: Aseguramiento del contenedor a la fundación.

Paso 3.

Monte el transductor Load Stand II en la fundación.

a. Suavemente baje la Load Stand a la fundación. Alinee con cuidado los agujeros del

transductor con los agujeros de la fundación. Instale pernos y tuercas según

requerimiento. No apriete los pernos completamente en este paso. Deje un vació de ¼”

entre tuerca y golilla para permitir el posicionamiento del transductor.

b. Repita el paso 3.a. para todas las Load Stand II restantes. [52]

Figura 48: Medición del voltaje de salida de los transductores en condiciones de no

carga

72

Paso 4

Medir el voltaje de salida de los Transductores Load Stand II en condición de “no

carga”.

a. Conecte el Tester a la caja unión de la Load Stand como se muestra en la figura de

arriba y fije en Tester en modo TEST. La pantalla indicará la salida del transductor en

milivoltios.

Use el espacio proporcionado para registrar la salida de cada Load Stand II.

Cuadro 10: Ejemplo del registro de la medición en el transductor en condiciones de no

carga [52]

Paso 5

Monte el estanque sobre los Transductores Load Stand II.

a. Baje el estanque muy lentamente sobre los Transductores Load Stand II. Alineación

mediante pernos puede ser usado para ayudar a guiar y posicionar el estanque.

73

Figura 49: Fijación del contenedor en los cuatro transductores. [52]

Paso 5. (Continuación)

b. Centre los agujeros de la parte superior de la Load Stand con los agujeros del

estanque, use la tolerancia disponible en los agujeros de la parte inferior. Para Load

Stand con capacidad de 50 K libras (22.680 kg.) o mayor debe ser usada una cuña en la

base de la Load Stand para moverla suavemente hacia su posición.

74

c. Coloque los 4 pernos superiores a través de los agujeros del estanque y la Load Stand.

El perno debe ser capaz de pasar libremente a través de los agujeros sin interferencia.

d. Apriete las tuercas con los dedos muy fuertes. La golilla de goma no será apretada en

este paso.

e. Laminado preliminar: Asegúrese que no exista espacio entre el estanque y los flanges

de la Load Stand II, Si necesita láminas el load stand proporciona algunas.

f. Usando una llave, apriete las tuercas superiores una vuelta y media. Esto apretará Las

golillas de goma y el cojinete superior. Aplique seguro de hilo o doble tuerca para

prevenir que suelten.

g. Apriete los pernos y tuercas inferiores de acuerdo al código uniforme de

construcción.

Figura 50: Medición con el peso muerto del estanque aplicado [52]

Paso 6

Laminado Final

a. Con el peso muerto del estanque aplicado (estanque vacío, sin material), use el Tester

Kistler-Morse para medir la salida en voltaje de las Load Stand.

75

b. Registre el voltaje de salida de cada Load Stand en el espacio proporcionado en esta

página.

Para asegurar una igual distribución de carga usted debe verificar lo siguiente:

1. Compare la salida de los pesos muertos con salida sin carga. . Todas las salidas deben

ser positivas. Si usted observa una salida con cambio negativo, controle lo siguiente:

Polaridad está alambrada al revés en una ó más cajas de unión o en el Tester. Asegúrese

que el alambrado es RED a RED, BLACK a BLACK, y WHITE a WHITE. El estanque

esta balanceado hacia un lado cambiando la carga hacia las otras tres Load Stand y

poniendo una de las cuatro en condición de “no carga” o “carga de tensión”. Esta

situación es inusual pero puede suceder en casos de deformación térmica extrema o si

todas las patas del estanque no son del mismo largo.

Cuadro 11: Registro de la salida desde la condición de no carga a carga muerta [52]

2. La salida desde la condición de “no carga” a “carga muerta” se debe incrementar

dentro de un 50% del promedio de incremento en la salida y entonces el transductor esta

en condiciones optimas para iniciar su funcionamiento.

76

4.3 Ubicación de los transductores en los equipos.

La ubicación de los transductores dependerá del uso para el cual sea requerido.

TRANSDUCTOR UBICACIÓN DEL DISPOSITIVO

Potenciómetro Este dispositivo puede ir fijo a la carcaza del eje donde se medirá el desplazamiento ya sea lineal o rotacional ya que consta de una pista y un cursor que gira en torno a ella la cual estará en función del voltaje aplicado.

Bandas extesometricas

Este transductor se adhiere a la pieza en el lugar donde se desean evaluar los esfuerzos o pares que producen una deformación y podrían ser causantes de la falla en la pieza, son utilizados para el análisis de muchas propiedades mecánicas de los materiales.

Termo-resistencias Este dispositivo es útil cuando se desea medir la temperatura a la cual se encuentran los fluidos dentro de los recipientes en los procesos, porque debido a su forma encapsulada puede estar completamente sumergido, se utiliza principalmente el de platino debido a su alto punto de fusión.

Termistor Este dispositivo debido a su alta sensibilidad es utilizado para medir la temperatura de los fluidos en los automóviles, esta sumergido dentro del contenedor de agua para controlar el encendido del ventilador.

Termopar Este dispositivo se adhiere a un solidó cuando se desea medir su temperatura, para evitar fallas por cambios en la propiedades de los materiales debido a las altas temperaturas y poder tener la temperatura adecuada, con estos dispositivos se puede medir la equivalencia térmica a la eléctrica.

Sensor piezoeléctrico

Este dispositivo se adhiere en la superficie del cuerpo humano, ya que tiene múltiples aplicaciones en la bioinstrumentacion, ya que son capaces de medir eventos fisiológicos e imagenología ultrasónica.

Tacómetro Este dispositivo va instalado en el chasis o carcaza de los ejes en los cuales se desea medir la velocidad rotacional ya que la rotación es proporcional al voltaje inducido por el campo magnético en el cual se encuentra inmerso.

Celdas foto-voltaicas Estos dispositivos son instalados en áreas donde puedan captar la mayor cantidad de energía solar y poder transformarla en energía eléctrica aprovechable.

Tabla 12: Esta tabla define los usos más comunes de los transductores.

77

Capitulo 5. Mantenimiento, prevención de fallas y seguridad.

5.1 Mantenimiento

Es un servicio que agrupa una serie de actividades cuya ejecución permite alcanzar un

mayor grado de confiabilidad en los equipos, máquinas, construcciones civiles e

instalaciones. [24]

5.1.1 Objetivos del Mantenimiento

Evitar, reducir, y en su caso, reparar, las fallas sobre los bienes precitados.

Disminuir la gravedad de las fallas que no se lleguen a evitar.

Evitar detenciones inútiles o para de máquinas.

Evitar accidentes.

Evitar incidentes y aumentar la seguridad para las personas.

Conservar los bienes productivos en condiciones seguras y preestablecidas de

operación.

Balancear el costo de mantenimiento con el correspondiente al lucro cesante.

Alcanzar o prolongar la vida útil de los bienes.

El mantenimiento adecuado, tiende a prolongar la vida útil de los bienes, a obtener un

rendimiento aceptable de los mismos durante más tiempo y a reducir el número de

fallas. Decimos que algo falla cuando deja de brindarnos el servicio que debía darnos o

cuando aparecen efectos indeseables, según las especificaciones de diseño con las que

fue construido o instalado el bien en cuestión. [24]

5.1.2 Clasificación de las Fallas

a) Fallas Tempranas

Ocurren al principio de la vida útil y constituyen un porcentaje pequeño del total de

fallas. Pueden ser causadas por problemas de materiales, de diseño o de montaje.

b) Fallas adultas

Son las fallas que presentan mayor frecuencia durante la vida útil. Son derivadas de las

condiciones de operación y se presentan más lentamente que las anteriores (suciedad en

un filtro de aire, cambios de rodamientos de una máquina, etc.).

78

c) Fallas tardías

Representan una pequeña fracción de las fallas totales, aparecen en forma lenta y

ocurren en la etapa final de la vida del bien (envejecimiento de la aislamiento de un

pequeño motor eléctrico, perdida de flujo luminoso de una lámpara, etc. [24]

5.2 Tipos de Mantenimiento

5.2.1 Mantenimiento correctivo

Es aquel que se ocupa de la reparación una vez se ha producido el fallo y el paro súbito

de la máquina o instalación. Dentro de este tipo de mantenimiento podríamos

contemplar dos tipos de enfoques:

a) Mantenimiento paliativo o de campo (de arreglo)

Este se encarga de la reposición del funcionamiento, aunque no quede eliminada la

fuente que provoco la falla.

b) Mantenimiento curativo (de reparación)

Este se encarga de la reparación propiamente pero eliminando las causas que han

producido la falla.

Suelen tener un almacén de recambio, sin control, de algunas cosas hay demasiado y de

otras quizás de más influencia no hay piezas, por lo tanto es caro y con un alto riesgo de

falla.

A finales del siglo XVIII y comienzo del siglo XIX durante la revolución industrial, con

las primeras máquinas se iniciaron los trabajos de reparación, el inicio de los conceptos

de competitividad de costos, planteo en las grandes empresas, las primeras

preocupaciones hacia las fallas o paro que se producían en la producción. Hacia los años

20 ya aparecen las primeras estadísticas sobre tasas de falla en motores y equipos de

aviación. [24]

Ventajas

Si el equipo esta preparado la intervención en el fallo es rápida y la reposición

en la mayoría de los casos será con el mínimo tiempo.

No se necesita una infraestructura excesiva, un grupo de operarios competentes

será suficiente, por lo tanto el costo de mano de obra será mínimo, será más

prioritaria la experiencia y la pericia de los operarios, que la capacidad de

análisis o de estudio del tipo de problema que se produzca.

79

Es rentable en equipos que no intervienen de manera instantánea en la

producción, donde la implantación de otro sistema resultaría poco económica.

Desventajas

Se producen paradas y daños imprevisibles en la producción que afectan a la

planificación de manera incontrolada.

Se suele producir una baja calidad en las reparaciones debido a la rapidez en la

intervención, y a la prioridad de reponer antes que reparar definitivamente, por

lo que produce un hábito a trabajar defectuosamente, sensación de insatisfacción

e impotencia, ya que este tipo de intervenciones a menudo generan otras al cabo

del tiempo por mala reparación por lo tanto será muy difícil romper con esta

inercia.

5.2.2 Mantenimiento Preventivo

Este tipo de mantenimiento surge de la necesidad de rebajar el correctivo y todo lo que

representa. Pretende reducir la reparación mediante una rutina de inspecciones

periódicas y la renovación de los elementos dañados, si la segunda y tercera no se

realizan, la tercera es inevitable.

Durante la segunda guerra mundial, el mantenimiento tiene un desarrollo importante

debido a las aplicaciones militares, en esta evolución el mantenimiento preventivo

consiste en la inspección de los aviones antes de cada vuelo y en el cambio de algunos

componentes en función del número de horas de funcionamiento.

Básicamente consiste en programar revisiones de los equipos, apoyándose en el

conocimiento de la máquina en base a la experiencia y los históricos obtenidos de las

mismas. Se confecciona un plan de mantenimiento para cada máquina, donde se

realizaran las acciones necesarias, engrasan, cambian correas, desmontaje, limpieza, etc.

Ventajas:

Si se hace correctamente, exige un conocimiento de las máquinas y un

tratamiento de los históricos que ayudará en gran medida a controlar la

maquinaria e instalaciones.

El cuidado periódico conlleva un estudio óptimo de conservación con la que es

indispensable una aplicación eficaz para contribuir a un correcto sistema de

calidad y a la mejora de los continuos.

Reducción del correctivo representará una reducción de costos de producción y

un aumento de la disponibilidad, esto posibilita una planificación de los trabajos

80

del departamento de mantenimiento, así como una previsión de los recambios o

medios necesarios.

Se concreta de mutuo acuerdo el mejor momento para realizar el paro de las

instalaciones con producción.

Desventajas:

Representa una inversión inicial en infraestructura y mano de obra. El desarrollo

de planes de mantenimiento se debe realizar por técnicos especializados.

Si no se hace un correcto análisis del nivel de mantenimiento preventivo, se

puede sobrecargar el costo de mantenimiento sin mejoras sustanciales en la

disponibilidad.

Los trabajos rutinarios cuando se prolongan en el tiempo produce falta de

motivación en el personal, por lo que se deberán crear sistemas imaginativos

para convertir un trabajo repetitivo en un trabajo que genere satisfacción y

compromiso, la implicación de los operarios de preventivo es indispensable para

el éxito del plan.

5.2.3 Mantenimiento Predictivo

Este tipo de mantenimiento se basa en predecir la falla antes de que esta se produzca. Se

trata de conseguir adelantarse a la falla o al momento en que el equipo o elemento deja

de trabajar en sus condiciones óptimas. Para conseguir esto se utilizan herramientas y

técnicas de monitores de parámetros físicos.

Durante los años 60 se inician técnicas de verificación mecánica a través del análisis de

vibraciones y ruidos si los primeros equipos analizadores de espectro de vibraciones

mediante la FFT (Transformada rápida de Fouries), fueron creados por Bruel Kjaer. [24]

Ventajas

La intervención en el equipo o cambio de un elemento.

Nos obliga a dominar el proceso y a tener unos datos técnicos, que nos

comprometerá con un método científico de trabajo riguroso y objetivo.

Desventajas

La implantación de un sistema de este tipo requiere una inversión inicial

importante, los equipos y los analizadores de vibraciones tienen un costo

elevado. De la misma manera se debe destinar un personal a realizar la lectura

periódica de datos.

81

Se debe tener un personal que sea capaz de interpretar los datos que generan los

equipos y tomar conclusiones en base a ellos, trabajo que requiere un

conocimiento técnico elevado de la aplicación.

Por todo ello la implantación de este sistema se justifica en máquina o

instalaciones donde los paros intempestivos ocasionan grandes pérdidas, donde

las paradas innecesarias ocasionen grandes costos.[24]

5.3 Importancia del Mantenimiento.

Vivimos la era de la calidad productiva que desafía la creatividad del profesional de

producción (operación y mantenimiento) en la búsqueda de alternativas que permitan la

supervivencia de la empresa en ambientes muy competitivos y exigentes donde se ve la

necesidad de producir o prestar servicios con calidad y a costos alcanzables.

El nuevo orden internacional obliga a los países, y especialmente a los menos

desarrollados, a llevar a cabo importantes cambios en su tecnología y en sus sistemas

educativos, para poder competir.

La viabilidad de las empresas en los años venideros depende de su integración a nivel

mundial, a través de una política de transformación productiva que permita un aumento

de eficiencia, la incorporación de nueva tecnología y una reducción progresiva del costo

promedio de los procesos de producción. Si no se inicia esta transformación productiva,

el país se verá imposibilitado de competir en los mercados internacionales.

Un camino lógico y racional para las empresas es el reconocimiento de la importancia

el mantenimiento en el proceso productivo y la preservación de maquinaria con

sofisticados controles y supervisión automática. Las empresas que se encuentran

involucradas en el mantenimiento son más activas por medio de la introducción de

sistemas automatizados, modernización de las estructuras; adquisición de nuevas

herramientas, instrumentos de medición, tercerización etc.

También están siendo transferidos para esta función algunas actividades importantes

como seguridad operacional y seguridad del medio ambiente.

Los jefes de mantenimiento se encuentran sujetos a restricciones de tipo económico

atribuidas a la falta de conocimiento acerca de la importancia del mantenimiento en

esferas superiores teniendo un efecto negativo en la ejecución de programas requeridos

por personas involucradas en mejorar el desarrollo del mantenimiento.

82

La apertura del mercado por la integración de los países, la búsqueda incesante de

exportación tanto de productos, cuanto de servicios, la capitalización y la privatización

de las empresas estatales, también exigen planteamientos de corto plazo que requieren

permanentes actualizaciones de metas y alteraciones de planes, objetivos y directrices

con la participación directa de los jefes de mantenimiento. Este es el momento adecuado

para agrupar y transmitir los conocimientos acumulados por profesionales de

renombrada experiencia práctica y teórica para la FORMACIÓN DEL INGENIERO,

brindándole toda nuestra capacitación para alcanzar todos sus objetivos.

5.4 Medidas de prevención de fallas.

Durante su operación, los transductores están sujetos a esfuerzos térmicos, eléctricos y

mecánicos, los cuales degradan el material del dispositivo.

Las causas principales de la degradación del sistema son temperatura excesiva, la

presencia de oxígeno y humedad combinados con los esfuerzos eléctricos, los cuales

actúan como aceleradores del proceso de degradación. Las causas secundarias que

aceleran el envejecimiento del sistema son los esfuerzos mecánicos (originados por la

excitación a la que esta expuestos los equipos) y los productos de descomposición del

aceite (ácidos y lodos).

El proceso de degradación del sistema evoluciona gradualmente hasta presentarse la

falla en el transductor, que en ocasiones puede ser catastrófica. La degradación de los

transductores presenta ciertos síntomas que indican la presencia de problemas. La

detección oportuna de una degradación incipiente puede ser la diferencia entre someter

el sistema a una reparación mayor o sustituir una pieza dañada.

La detección de degradación incipiente se efectúa mediante el monitoreo de ciertos

parámetros clave que sirven para diagnosticar la condición del sistema. El monitoreo de

equipo puede realizarse en línea o fuera de línea.

La tendencia mundial en el ámbito de detección de degradación incipiente en equipo de

potencia es la aplicación de técnicas de monitoreo y diagnóstico en línea.

Las fallas en los transductores se puede reducir a un valor mínimo si se hace una

correcta instalación y se transporta de manera adecuada a continuación se escriben

algunas recomendaciones importantes para obtener un alto rendimiento de estos

dispositivos.

83

1. Lea las instrucciones. Antes de utilizar este equipo, debe leer todas las instrucciones

de seguridad y funcionamiento.

2. Guarde las instrucciones. Las instrucciones de seguridad y funcionamiento deberán

conservarse para futuras consultas.

3. Advertencias y consejos. Respete todas las advertencias que se encuentran tanto en el

equipo como en las instrucciones de funcionamiento.

4. Siga las instrucciones. Debe seguir todas las instrucciones de funcionamiento y

utilización.

5. Limpieza. Desconecte la unidad de la toma. No utilice productos de limpieza líquidos

ni aerosoles. Aplique un paño ligeramente humedecido.

6. Muebles y soportes. Utilice exclusivamente el elemento de sustentación recomendado

por el fabricante o vendido conjuntamente con el producto. Para el montaje del

producto, deberán seguirse las instrucciones del fabricante y utilizar únicamente los

accesorios recomendados por él.

7. Fuentes de alimentación. Este equipo únicamente se deberá conectar a una fuente de

alimentación del tipo descrito en la placa de características. Si no está seguro del tipo de

suministro, consulte al distribuidor del producto o a su compañía eléctrica.

8. Protección de los cables de alimentación. Los cables de alimentación eléctrica se

deberán tender prestando especial atención a los puntos de conexión a las tomas y de

salida del equipo.

9. Servicio. No intente realizar ninguna tarea de servicio por su cuenta, ya que si abre o

retira las cubiertas podría quedar expuesto a un voltaje peligroso y otros riesgos.

10. Comprobación de seguridad. Una vez finalizada la revisión o reparación de este

producto, solicite al técnico que efectúe las pruebas de seguridad oportunas que

determinen que la unidad se encuentra en perfecto estado operativo.

11. Calor. El producto deberá situarse en lugares donde la temperatura no exceda los

límites de diseño del mismo.

5.5 Medidas de seguridad.

Para evitar lesiones personales o daños materiales ocasionados por una liberación

repentina de presión, aire, gas natural, fluidos a altas temperaturas, rebabas de piezas

mecánicas que fallan durante una prueba es importante:

84

Usar siempre guantes protectores, ropa adecuada y protección para los ojos

cuando se realicen operaciones de mantenimiento.

Desconectar todas las líneas de operación que suministren presión neumática,

potencia eléctrica o señales de control. Asegurarse de que el actuador no pueda

abrir ni cerrar válvulas repentinamente.

Usar válvulas de derivación o cerrar el proceso completamente para aislar las

válvulas de la presión del proceso. Liberar la presión del proceso en ambos lados

de la válvula.

Usar procedimientos de bloqueo para asegurarse de que las medidas anteriores

permanecen activas mientras se trabaja en el equipo.

Consultar con el ingeniero de seguridad o de proceso si existen medidas

adicionales que se deban adoptar para protegerse del fluido del proceso.

Se podrían ocasionar lesiones personales o daños materiales debido a un incendio o una

explosión cuando se quita el conjunto del módulo final durante algún procedimiento de

Mantenimiento cuando se usa gas natural como el fluido de suministro.

Asegurarse de que el suministro esté cerrado y de que se tomen medidas preventivas,

tales como una ventilación adecuada y la eliminación de cualquier fuente de ignición,

antes de realizar cualquiera de los siguientes procedimientos de Mantenimiento.

Es posible que se requiera la presencia del personal de la compañía que produce el

transductor y del personal de la agencia de aprobaciones si se da servicio (diferente al

mantenimiento normal de rutina, tal como calibración).

Usar sólo los procedimientos y las técnicas de reemplazo de componentes que se

mencionan específicamente en el instructivo del transductor. Los procedimientos no

autorizados y las técnicas no adecuadas pueden ocasionar reparaciones de poca calidad,

perjudicar las características de seguridad del dispositivo y afectar al funcionamiento

del producto y la señal de salida usada para controlar un proceso. [43]

85

Capitulo 6. Aplicaciones y adquisición de datos.

6.1 Aplicaciones típicas en maquinaria

La economía Mexicana esta basada en la extracción de hidrocarburos y generación de

energía eléctrica, que desarrolla la compañía para estatal petróleos mexicanos, y

específicamente en el estado de tabasco, tenemos el importante puerto de “Dos Bocas”

en el municipio de paraíso donde se encuentran instaladas plantas de proceso, que para

generar potencia hacen uso de turbinas de gas en las cuales podemos apreciar el uso de

transductores para medir variables que hacen posible el control automático de la

operación de las mismas.

Una de las turbinas de gas utilizadas en las platas de petróleos mexicanos es la “Allison

modelo 501-KA.

Figura 51: Turbina de gas, para generación de potencia.

La maquina esta compuesta por un compresor de flujo axial de 14 pasos que se acopla

directamente a una turbina de 4 etapas, tiene seis cámaras de combustión del tipo de

flujo de paso dentro de una cámara anular sencilla, la flecha de potencia gira hacia la

derecha si se observa por la parte posterior y la velocidad nominal de la flecha es de 13,

820 rpm. [51]

CARCAZA COMPRESOR

CAJA DE ACCESORIOS

BOMBA DE BARRIDO EXTERNO DE ACE LUB

DIFUSOR

CARCAZA EXTERNA CAMARA

COMBUSTION

CARCAZA INTERNA TURBINA

TURBINA

TURBINA PARTE TRASERA

86

6.1.1 La aplicación de los transductores en este equipo.

a) Medición de la temperatura.

El equipo incorpora dos sistemas detectores de la temperatura de entrada de la turbina

con 18 termopares montados en la caja de entrada de la turbina. El extremo del

transductor se extiende a la salida de los forros de la cámara de combustión. Aunque

comparten la misma caja de transductores y arneses, son independientes; los termopares

de cualquiera de los sistemas están cableados en paralelo por el arnés de los termopares

para obtener una señal promedio de la temperatura de entrada de la turbina (TIT). Una

serie de señales se amplifica en el control de la temperatura de la turbina que da

indicaciones de la TIT, así como funciones de advertencia y paro por emergencia del

motor. El otro conjunto de señales de la temperatura se puede usar para otro sistema

indicador y, si se desea de control. [52]

Figura 52: Termopares usados para medir la temperatura de la turbina de gas

Figura 53: Lugar donde se instalan los 18 termopares en la turbina de gas

87

b) Medición de la velocidad.

El transductor utilizado para medir la velocidad de la turbina, es un tacómetro de

frecuencia, que contiene dos captadores magnéticos idénticos: uno delantero, localizado

sobre los dientes del excitador de la flecha de la toma de potencia; y el otro trasero que

utiliza en la instalación de accesorios.

Cuando los dientes del excitador pasan abajo del captador magnético se producen

impulsos eléctricos que se utilizan en el interruptor electrónico para detectar y controlar

la velocidad. [51]

Figura 54: Lugar donde se instala el transductor que mide la velocidad de la turbina de

gas.

c) Medición de la vibración del compresor.

El sistema de generación de potencia tiene seis toberas de combustible. Cada tobera esta

afianzada al difusor y se extiende al extremo delantero de un forro de combustión. La

tobera de combustible gaseoso consiste de dos partes: ensamble del cuerpo y la porta

cuerpo. El primero consta de 10 agujeros en la salida a través de los cuales se desvía el

gas al forro de combustión.

CONEXION del TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD

88

Pero uno de los principales problemas que pueden ocurrir es que las toberas estén

defectuosas y no se suministre el suficiente combustible para mantener la aceleración

principalmente en el arranque del equipo lo que produciría una vibración excesiva del

sistema lo que podría producir erosión o agrietamiento del cuerpo de las toberas de

combustible y daños en el eje de acoplamiento.

Para mantener las vibraciones del equipo dentro de un rango aceptable y poder actuar en

tiempo y forma en caso de una vibración excesiva se instala un transductor de vibración

en el lado derecho del compresor visto desde el frente del equipo. [51]

Figura 55: Lugar donde se instala el transductor de vibración.

6.2 Procesamiento de datos

6.2.1 Sistemas de instrumentación

La instrumentación trata los sistemas integrados cuya finalidad es medir magnitudes

físicas de un sistema externo, elaborar la información asociada a ellas y presentarla a un

operador.

Las características por las que la tecnología electrónica es la más utilizada por los

sistemas de instrumentación, son:

Las señales eléctricas permiten manejar señales en un rango dinámico de

tiempos muy amplio (1015), desde los picosegundos (10-12 s) hasta horas (103 s).

TRANSDUCTOR DE VIBRACION

89

Las señales eléctricas pueden ser transmitidas muy fácilmente a través de cables

metálicos, sistemas radiados, o fibra óptica.

Las señales eléctricas pueden ser amplificadas por circuitos electrónicos de

forma muy eficientes, y pueden manejarse rangos de señal muy amplios (1012),

desde los nanovoltios (10-9 V) hasta los kilovoltios (103 V).

El sistema electrónico permite complejas transformaciones funcionales de las

señales eléctricas.

Las señales eléctricas son las más apropiada para ser introducidas en los

computadores, los cuales representan el medio más potente de registro,

transformación y presentación de la información.

La tecnología electrónica actual es la que presenta mejor relación prestaciones

/costo.

La instrumentación electrónica presenta actualmente ciertas desventajas:

Presenta un rango de temperaturas limitado desde -50 ºC hasta 175 ºC.

Son equipos sensibles a la radiación de alta energía.

Requiere una fuente de potencia para su operación.

Los componentes electrónicos activos suelen presentar deriva por

envejecimiento. [17]

Figura 56: En la figura se muestra el esquema básico de cualquier sistema de

instrumentación. [17]

90

a) Acondicionamiento de la señal.

Este bloque incluye todas aquellas transformaciones que deben realizarse sobre

señales eléctricas que resultan en la salida del transductor, y que son previas al

procesado para extraer la información que se mide o evalúa.

Existen dos razones por las que las señales de salida del transductor deban ser

acondicionadas:

1) Cuando el tipo de señal eléctrica que se proporciona el transductor no es una

tensión, se utiliza un convertidor desde el tipo de señal de que se trate, a tensión.

Así en transductores resistivos, es normal que se utilice un circuito puente para

convertir el valor de resistencia a tensión. Cuando el transductor es de tipo capacitivo o

inductivo, se suele montar como parte de un oscilador, y la magnitud de salida es una

frecuencia, y debe utilizar un convertidor frecuencia/tensión.

2) La señal debe ser acondicionada para incrementar la relación señal ruido hasta

niveles adecuados. Este tipo de acondicionamiento implica:

Amplificar las señales hasta niveles que sean suficientemente superiores al

nivel de ruido eléctrico aleatorio.

Filtrar las señales para eliminar ruidos introducidos por interferencia eléctrica.

Cuando el procesamiento de la señal es digital, el acondicionamiento

corresponde a la conversión Analógica/Digital. [17]

b) Procesamiento de la señal.

Incluye el conjunto de transformaciones a que debe ser sometida la señal

eléctrica a fin de extraer de ella, la información que se busca.

El procesamiento de la señal suele contener diversas operaciones, ya sean

lineales, no lineales, de composición de múltiples señales, o de procesado digital

de las señales. [17]

91

c) Registro de la señal

Consiste en el almacenamiento permanente o temporal de las señales para su

posterior análisis o supervisión. Esta operación es necesaria si el flujo de

información que se adquieren supera la capacidad de procesamiento de que se

dispone.

El método tradicional de registro ha sido el basado en cinta magnética, ya sea a

través de grabación analógica o utilizando codificación digital. Actualmente los

métodos de registro que se utilizan, están basados en un computador, y el

soporte en que se almacena la información es cualquiera de los sistemas de

memoria masiva de que disponen estos equipos (memoria, discos, diskettes,

cinta magnética, etc.) [17]

d) Telemetría

A veces, las señales son adquiridas en puntos remotos, de difícil acceso o con

condiciones ambientales hostiles, y es necesario aislar los componentes de

captación, de los equipos de procesamiento y presentación. En estos casos, es

necesario transmitir las señales entre la captación y el procesamiento mediante

un 5to canal de comunicación. Para adaptar las señales a las características de

canal de comunicación es necesario introducir procesos de modulación,

desmodulación o codificación apropiados.

e) Presentación de la información

La información resultante del proceso de medida debe ser presentada de forma

comprensible al operador, o elaborada e integrada para que pueda ser

interpretada por un sistema supervisor automático.

Los sistemas de presentación de información eléctrica analógica tradicionales,

han sido: los indicadores de aguja, los registradores gráficos de papel y los tubos

de rayos catódicos.

Actualmente, los terminales alfanuméricos y gráficos basados en computadores

suelen ser el método más utilizado para presentar todo tipo de información.

f) Generador de estímulo

En muchos casos los sistemas no son activos sino reactivos, y para medir

cualquier magnitud, se tiene que estimular el sistema físico mediante señales

generadas por la propia instrumentación de medida.

92

Habitualmente el estímulo y el proceso de medida deben estar sincronizados, de

forma que solo las señales que sean respuesta del estimulo sean analizadas. [17]

6.2.2 Instrumentación computarizada.

Actualmente muchos de los equipos de instrumentación están basados en un

computador.

El computador resuelve todos los aspectos relativos al procesado de la señal, al registro,

a la transferencia y a la presentación de la información. A estos equipos basados en

computador, se suelen llamar instrumentación inteligente.

La principal diferencia entre un equipo de instrumentación convencional, y un equipo

inteligente es que mientras que en el convencional los datos de medida son generados

uno a uno y deben ser interpretado e interpretados por el operador, en la

instrumentación inteligente se puede registrar grandes cantidades de información de

forma automática y luego presentarla de forma integrada y amigable al operador. [17]

Figura 57: En la figura se muestra el esquema de cualquier sistema de instrumentación

computarizada.

La instrumentación computarizada requiere el uso de transductores y circuitos

analógicos que acondicionen la señal a los niveles adecuados para ser codificada en las

mejores condiciones por el convertido A/D, sin embargo el procesado, elaboración y

presentación del resultado en la medida se realizan utilizando software.

93

Con la incorporación del computador, las señales que se adquieren pueden ser

procesadas sin límite de complejidad y sofisticación utilizando técnicas numéricas, a fin

de acondicionarla y extraer de ella la información. Así mismo, la información puede ser

procesada utilizando métodos estadísticos.

El computador proporciona una amplia gama de recursos para almacenar la información

que se adquiere, así como para presentarla utilizando técnicas numéricas y gráficas.

La incorporación del computador presenta grandes ventajas:

La mayor capacidad para procesar, almacenar y presentar la información que se

obtiene al poder utilizar métodos numéricos.

Menor costo que resulta de la estandarización del hardware que se requiere para

construir los equipos.

El incremento en la facilidad para diseñar y mantener los equipos que requieren

mas de expertos de programación y procesado numérico de señales y menos de

expertos en electrónica analógica.

Figura 58: Dispositivos necesarios para la instrumentación computarizada. [17]

El uso del computador requiere la representación numérica de la información analógica

continúa en el tiempo que es propia de los sistemas físicos. Ello conlleva resolver el

proceso de discretización sin que las pérdidas de resolución y de rango dinámico sean

significativas.

94

Conclusiones

Los transductores son los dispositivos más importantes en la industria automatizada,

puesto que es debido a ellos que podemos medir y controlar variables físicas que se dan

dentro de los procesos industriales. Conocer las características de estos dispositivos

como que variable mide, el rango de medida, el tamaño del dispositivo, su composición,

el material del cual esta hecho, su precisión, nos permitirá decidir cual es el más

adecuado para el proceso.

Algunos de los transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de

tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los

tacómetros (velocidad).

Con los transductores podemos controlar los procesos industriales de manera eficiente,

pero es debido a estos dispositivos que se puede mantener la maquinaria en óptimas

condiciones de funcionamiento, porque gracias a ellos se puede determinar en forma

temprana muchas de las fallas que pueden presentarse en los equipos cuando esta en

operación algunos de los cuales puede deberse a vibraciones excesivas o a las malas

condiciones climáticas.

Y basados en este análisis poder establecer los periodos de mantenimiento que requiera

la maquinaria y evitar perdidas económicas por fallas repentinas que provocarían largos

periodos de inactividad en las plantas de procesos y costos extras de refacciones y mano

de obra.

Los transductores también nos permiten realizar el análisis de las propiedades de los

materiales, que servirá para crear compuestos con los cuales se puedan diseñar piezas

mecánicas más resistentes al desgaste debido a la fricción que en periodos prolongados

producen las fallas por fatiga.

95

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