Sensores de Fuerza y Presion

Sensores de fuerza y presión

Nombre:

Balanza electromagnética:

Descripción del transductor:

Utiliza un detector de posición nula fotoeléctrica, un amplificador y una bobina generadora de par de torsión en un servosistema para balancear la diferencia entre la fuerza desconocida y la fuerza de la gravedad que actúa en una masa patrón.

Fundamentos teóricos de operación:

Las balanzas restan el peso del recipiente del peso total para dar un peso neto cuando se coloca algún tipo de material en el recipiente.

Usa un sistema de elementos flexibles y palanca pivotada, pone grandes fuerzas de entrada dentro del intervalo de una bobina de fuerza magnética relativamente pequeña. La señal del sensor de desplazamiento óptico es la señal de error en el sistema servo, lo cual genera una corriente en la bobina para balancear la fuerza de entrada desconocida y restaura la deflexión a casi cero. Todos los movimientos son restringidos por cojinetes flexibles para producir un desempeño casi libre de fricción para una mayor resolución tan pequeñas como 2 μg.

Formas y materiales de fabricación:

Dimensiones: 58x18x17cm. Brazos de aluminio.

Ventajas:

-Son fáciles de utilizar.
-Tienen respuesta rápida.
-Son de tamaño pequeño.
-Facilidad de operación remota.

Desventajas:

-Interferencia por radiación electromagnética.
-Problemas al momento de pesar materiales ferromagnéticos.
-Efecto de flotación “Bouyancy”.

Función de transferencia:

La aplicación de la fuerza Fi provoca una deflexión x del diafragma la cual aumenta la presión Po puesto que la boquilla se encuentra cerrada. Este aumento de presión actúa en el área del diafragma A produciendo una fuerza Fp efectiva que hace regresar al diafragma a su posición anterior.

(Fi-PoA)KdKn=Po

Kd=Flexibilidad del diafragma, inlbf

Kn=Ganancia de la boquilla de aleta  lb,in2in

Si resolvemos para Po, obtenemos:

Po=Fi/(1KdKn+A)

La función de transferencia seria:

PoFi=1KdKn+A

Ejemplos de aplicación:

Se usan para medir fuerzas provocadas por objetos en sistemas insdustriales.

Nombre:

Sensores piezoeléctricos de fuerza

Descripción del transductor:

Es un medidor que funciona con el efecto piezoeléctrico, capaz de traducir una fuerza en una señal de frecuencia que depende también de la alimentación.

Formas y materiales de fabricación:

Se hace de placas conductivas que puedan deformarse y absorber el movimiento.

Se tiene un cristal o material piezoeléctrico.

Fundamentos teóricos:

Los efectos piezoeléctricos pueden utilizarse en sensores de fuerza pasivos y activos. Debe recordarse, sin embargo, que un sistema con efecto piezoeléctrico es, por así decirlo, un efecto AC. En otras palabras, puede convertir una fuerza cambiante en una señal eléctrica cambiante, mientras que una fuerza en estado estacionario no produce electricidad. Sin embargo, la fuerza puede cambiar algunas propiedades de un material que puede afectar la respuesta AC del piezoeléctrico cuando un sensor es suministrado por una señal de excitación activa.

Ventajas:

• Puede manejar altas frecuencias.
• Es compacto y puede adaptarse a muchos sistemas (neumáticos e hidráulico).

Desventajas:

• Requiere ser alimentado por una señal AC.

Función de transferencia:

Sin embargo, para mediciones, la fuerza aplicada debe estar relacionada con la resonancia mecánica del cristal piezoeléctrico. La idea básica detrás del funcionamiento del sensor es que ciertos cortes de cristal de cuarzo, cuando se utilizan como resonadores en osciladores electrónicos, desplazan la resonancia frecuencia al ser cargado mecánicamente. La ecuación que describe la frecuencia natural mecánica del espectro del oscilador piezoeléctrico está dada por

fn=n2lcρ

Donde n es el número armónico, l es la resonancia, dimensión determinante (por ejemplo, el espesor de una placa delgada relativamente grande o la longitud de una barra larga delgada), c es la constante de rigidez elástica efectiva (por ejemplo, la constante de rigidez de cizallamiento en el espesor en dirección de una placa o módulo de Young en el caso de una barra delgada), y ρ es la densidad del material cristalino.

A la placa se le dan electrodos superficiales para utilizar un efecto piezoeléctrico, que están conectados en una retroalimentación positiva de un oscilador (Figura B). Un cristal de cuarzo oscila a una frecuencia fundamental f0 (descargada) que se desplaza al cargar por:

Δf=FKf02nl

El sensor de fuerza se muestra en la Figura C.

Ejemplos de aplicación:

Pueden usarse en para cualquier sistema en el cual se requiera medir fuerza. Incluso presión si se adapta adecuadamente.

--Presión--

Nombre:

Medidor electromecánico de presión por inductancia.

Definición del transductor:

El transductor básico consiste en un diafragma u otro tipo similar de propulsor magnéticamente acoplado a un sistema balanceado de captación eléctrica que emita una salida de rango completo en milivolts por volt en un circuito de puente en ca.

El medidor consiste en un manómetro de mercurio, con un flotador en la cabina de presión baja que mueve una varilla de metal a través de una bobina dividida calibrada para emitir una señal eléctrica proporcional al movimiento del flotador producido por los cambios de presión. Luego, la señal emitida por esta bobina entra a una segunda bobina de la cual se toma la lectura.

Formas y materiales de fabricación:

El manómetro esta normalmente hecho de aluminio y el flui con el que trabaja es mercurio.

Fundamentos teóricos:

En el manómetro, la presión de la cámara de presión baja es similar a la del vacío, y se conecta a la entrada de presión alta por un tubo lleno de mercurio. Cuando la presión que entra por la cámara de presión alta supere a la de presión baja entonces el mercurio se recorrerá hacia la cámara de presión baja, por lo que habrá una un movimiento ascendente del nivel del mercurio.

Este es el principio básico del manómetro de tubo U.

Dentro de la cámara de presión baja, existe un flotador que sigue el nivel del mercurio siendo movido por la presión alta. Al flotador se le empotra una varilla de material ferromagnético que funcione como imán, que se moverá a través de una bobina. El movimiento será de forma ascendente o descendente, según como cambie la presión de la cámara de presión alta. Este movimiento del imán provocara una corriente en la bobina que a su vez se transmitirá a una bobina externa a la cual se conectara el indicador.

Ventajas:

Sensor pequeño.
Muy preciso (1%) a escala completa.
Trabaja en rangos de temperatura suficientes.

Desventajas:

Tiene un límite debido al espacio que tiene el flotador para subir.
Tiene que ser alimentado.

Función de transferencia:

Ejemplos de aplicación:

En cualquier sistema de tuberías en los que se requiera tener una señal eléctrica debido a que se quiera implementar un sistema de control.

Nombre:

Medidor de Pirani.

Definición del transductor:

Es un medidor de vacío de alambre caliente. En este se utiliza un puente de Wheatstone para equilibrar la resistencia de un filamento de tungsteno, que puede perder calor por conducción, al gas cuya presión se está midiendo.

Formas y materiales de fabricación:

Esta hecho con un puente de Wheatstone.

Un filamento de tungsteno sellado al alto vacío.

Hecho de aluminio.

Fundamentos teóricos:

En este circuito los corrimientos del cero producidos por leves desviaciones del voltaje de alimentación se compensan con la resistencia confinando en el alto vacío. Cualquier cambio de presión hace que varía la temperatura del filamento, lo que origina un cambio en la resistencia en el mismo y desequilibra el puente. Entonces el desequilibrio del puente se lee en R3, como presión de aire seco, utilizando  un micro amperímetro calibrado en unidades de presión. El rango útil del medidor de Pirani es de 1 um a 100 mmHg.

Ventajas:

• Compacto.
• Facil de operar.
• Se puede abrir a la atmosfera sin quemarse.

Desventaja:

• La calibración depende del tipo de gas del cual se mide la presión.

Función de transferencia:

*Función de transferencia del filamento.

Ejemplos de aplicación:

El sensor de vacío Pirani es ideal para aplicaciones en bruto a la gama de vacío medio, incluyendo la medición de las presiones de base de bombas de vacío mecánicas o puesta en marcha de procesos del sistema. Se puede utilizar en muchas aplicaciones industriales, como la fabricación de semiconductores, bloqueos de carga, detección de fugas, revestimiento de vacío, y secador de congelación.

Nombre:

Medidor de termopar para vacío.

Definición del transductor:

Se utiliza un termopar que va conectado a un filamento, y mediante el flujo de calor se puede determinar la presión de un gas.

Formas y materiales de construcción:

Se utiliza un termopar que va conectado a un filamento, una batería, una resistencia R1 para ajustar la corriente de filamento, un filamento y un medidor de lectura para medir la FEM de salida del termopar.

Fundamentos teóricos:

El filamento se calienta mediante una corriente constante y su temperatura depende de la cantidad de calor que se desprende al gas circundante por convección y conducción. Esta pérdida de calor determina la presión de sistema y la temperatura del filamento es función de la presión, a presiones inferiores a 100um. La salida del termopar se calibra para leerse directamente en micras en el medidor indicador.

Ventajas:

Miden presiones muy bajas.

Desventajas:

Tienen escalas de lectura características no lineales y funcionen a bajas corrientes de calefacción. Corren peligro de quemarse, si se exponen a presiones atmosféricas cuando están calientes y energizados.

Función de transferencia:

Presión uBar	Vout mV
0	0
5	40
10	80
20	130
40	230
60	330
100	480
200	800
400	1.114
600	1.430
1000	1.730
2000	2.090
4000	2.330
6000	2.410
10.000	2.500
20.000	2.560
Atm	2.640

Ejemplos de aplicaciones:

Las aplicaciones típicas son la supervisión de presión en bombas de vacío o en ventosas de vacío.

Nombre

Sensor de presión de mercurio.

Descripción del transductor:

Elemento resistivo y solución de mercurio que se utilizan para medir la presión en un tubo de tipo U.

Fundamentos teóricos

Un sensor sencillo pero eficaz se basa en el principio de los vasos comunicantes. Su uso principal es para la medición de la presión del gas. Un hilo en forma de U es sumergido en mercurio, que corta su resistencia en proporción con la altura de mercurio en cada columna. Las resistencias se conectan en un puente de Wheatstone, que permanece en equilibrio mientras la presión diferencial en el tubo sea cero. Se aplica presión a uno de los brazos del tubo y desbalancea el puente da como resultado la señal de salida.

Formas y materiales de fabricación

Esta hecho con un filamento resistivo.

En su interior contiene mercurio ara la transmisión de las medidas.

Ventajas:

• Sencillo

Desventajas:

• Necesidad de nivelación de precisión. Susceptibilidad
• A golpes y vibraciones.
• Gran tamaño.
• Contaminación del gas por los vapores de mercurio.

Función de transferencia:

El voltaje de salida es proporcional a una diferencia en las resistencias ΔR de los brazos de alambre que no son desviados por el mercurio:

Vo=V∆RR=Vβ∆P

Ejemplos de aplicación:

Se utiliza en industrias que requieren medir la presión de contenedores cerrados y no pueden obtener una visión de indicadores, por lo que su adaptación electrónica le permite juntarse a un sistema de control.

Fuentes:

• http://www.cientificosaficionados.com/tbo/medidores%20vacio/medidor%20de%20vacio.htm
• Ernest E. Doebelin. (2005). Sistemas de medición e instrumentación (Diseño y aplicación). Estados Unidos de América: McGraw Hill Interamericana.
• Harold E. Soisson. (1983). Instrumentación Industrial. México, DF.: EDITORIAL LIMUSA S. A. de C. V..
• Jacob Fraden. (1996). HANDBOOK OF MODERN SENSORS. Printed in the United States of America: Springer-Verlag New York, Inc..