UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA (CUENCA - ECUADOR), SENSORES Y TRANSDUCTORES
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Elementos Eléctronicos de Vacío y Elementos Neumáticos. Paúl Esteban Barros Ayabaca, Felipe Santigo Coronel Maldonado, Julio César Cabrera Hidalgo. Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca
Abstract—En el siguientes artículo de investigación se abórdara sobre sobre cada cada una de las caracte característ rística icas, s, así como su respec respectiv tivo o principio de funcionamiento de dos transmisores de presión. De acuerdo a lo investigado existen diferentes elementos de presión dentro de los cuales nos enfocaremos en los elementos electrónicos de vacío y elementos neumáticos; además realizaremos un análisis de la clasificación de cada uno de estos elementos, así como el principio de funcionamiento de cada uno.
followin wing g resear research ch article article will will addres addresss on Abstract —In the follo each of the features and their respective operating principle two pressure pressure transmitters transmitters.. According According to the investigat investigation, ion, there are different elements of pressure within which we will focus on the electronics electronics vacuum and pneumatic pneumatic components; components; also we make an analys analysis is of the classifica classification tion of each of these these element elementss and the operating principle of each.
Figure Figure 1. Sistemas Sistemas de Presión.[ Presión.[1] 1]
—Elementos tos Electró Electrónico nicoss de Vacío, acío, Element Elementos os Index Terms—Elemen Neumáticos, Presión, manómetro, Fuelle y Diafragma.
II. E LEMENTOS E LECTRÓNICOS DE VACÍO .
I. I NTRODUCCIÓN
Son elementos capaces de identificar movimientos en vacío, debido debido al movim movimien iento to de electr electrone oness que genera generann campos campos eléctricos y campos magnéticos. Los elementos electrónicos de vacío nos sirve para medir variaciones en vacío, por lo que son muy sensibles. Se clasifican en: Mecánicos de Fuelle y Diafragma Medidor McLeod. Térmicos, entre los que están: Termopar. Pirani. Bimetal. Ionización, entre los que se encuentran: Filamento caliente. Cátodo Frío. Radiación. •
Mediante el control de presión dentro de una industria se puede garanatizar condiciones de operación segura dentro de está. Estos elementos tienen la resposabilidad se monitorear y regular cada uno de los procesos que se encuentren bajo presiones que demanden dispositivos de seguridad vérsatiles y de confianza; al poseer presiones excesivas se puede dar la destrucción del equipo y en consecuencias más radicales se puede producir la destrucción del equipo adyacente, además de poner al personal de la empresa en situaciones peligrosas. La ineficiencia en el monitoreo correcto y visualización de los niveles correctos de presión pueden influir directamente en el valor de variables del proceso. [1]. [1].
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A. Elementos Mecánicos de Fuelle y de Diafragma.
Paúl Barros, estudiante de la carrera de Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca, Ecuador, e-mail:
[email protected] [email protected] Felipe Felipe Coron Coronel, el, estud estudian iante te de la carrer carreraa de Ingeni Ingenierí eríaa Electr Electrón ónica ica,, Uni Universi ersida dadd Poli Polité técn cnic icaa Sale Salesi sian ana, a, Cuen Cuenca ca,, Ecua Ecuado dorr, e-ma e-mail il::
[email protected] Julio Cabrera, estudiante de la carrera de Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca, Ecuador, e-mail:
[email protected] [email protected]
Son elemen elementos tos que trabaj trabajan an con 2 presio presiones nes al mismo mismo tiempo, la presión atmosférica y la presión a medir, los gases a medir son separados por un fuelle o diafragma, lo cual de manera diferencial se obtiene una medida de la presión a medir. Se puede tener elementos capacitivos o de galga extensométrica [1]. [1 ]. El valor mínimo capaz de medir es de 1 mm Hg.
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1) Elemento térmico de termopar.: Es un elemento formado por dos metales, un metal sellado a vacío y uno al ambiente, los cuales producen un voltaje mientras se encuentren a diferentes temperaturas, su temperatura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas[1].
Figure 2. Fuelle y Diafragma.[1]
B. Medidor McLeod.
Figure 4. Termopar[2].
Es un elemento para la calibrar u obtener la presión que requiera el resto de elementos. Modifica la presión de ingreso al comprimir una muestra de gas de un volumen conocido a un volumen mucho menor pero a mayor presión, esto se logra mediante una columna de mercurio en un tubo capilar. La presión de salida del gas, se puede saber aplicando la Iey de Boyle-Mariotte. Su intervalo de medida es de 5-10 ^ -5 mm Hg [1].
2) Elemento térmico Pirani.: Se basa en el puente de Wheatstone, el cual contiene 2 filamentos de tungsteno que varían su resistencia de acuerdo a la temperatura, un filamento es sellado en alto vacío en un tubo y el otro en contacto con el gas[2], [3].
Figure 5. Pirani[3]. Figure 3. Medidor McLeod.[1]
Utiliza una espiral bimetálica que cambia su forma, ya sea una deflexión de la espiral, para poder cambiar el indicador de vacío[ 1], [2]. 3) Elemento térmico Bimetálico.:
C. Elementos térmicos.
Son elementos que dependen de la proporcionalidad existente entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y entre la presión de gas ambiente a bajas presiones[1], [2].
D. Elemento de ionización.
Se basa en la creación de iones mediante la colisión de electrones y moléculas. La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión[1].
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1) Elemento de ionización de filamento caliente.: Consiste en un tubo electrónico formado por una malla en forma cilíndrica, que en su interior tienen un filamento de tungsteno, la cual a su vez está envuelta por una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento caliente se aceleran hacia la rejilla positiva, pasan a su través y, en su camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunos colisionan con moléculas del gas. La corriente positiva formada es una función del número de iones y, por lo tanto, constituye una medida de la presión del gas. Estos instrumentos son muy delicados y deben manejarse con cuidado. El filamento puede quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a 1* 10-³ mm Hg absolutos[1].
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se forma con un tubo neumático aumentado a una presión constante P, con una reducción en su salida en forma de tobera, esta es obstruida por una lámina llamada obturador que va al final del elemento de medida[4].
Figure 7. Transmisores Neumáticos[4], [5].
Figure 6. Elemento de ionización de filamento caliente[1].
2) Elemento de ionización de cátodo frío.: Este elemento mide la corriente iónica, este elemento contiene el cátodo por donde salen los electrones que irán al ánodo, pero esto tienen un trayectoria en forma de remolino o espiral, debido al campo magnético que los atraviesa, el gas circula por el medio de esta espiral por lo que lo hace más propenso a recibir una descarga de alta tensión, lo cuál creará la corriente iónica. Es susceptible de contaminación por el mercurio Y puede provocar la descomposición química de vapores orgánicos a altas tensiones. Su campo de aplicación abarca de 10-2 a 10-7 mm Hg con una escala logarítmica[1]. 3) Elemento de ionización por radiación.: Este elemento basa su funcionamiento en la recolección de iones mediante un electrodo, el cual luego es introducido en una cámara de vacío por la cual atraviese el gas, la presión del sistema depende del número de moléculas existentes, por lo que generará una corriente que varía según la presión. A muy bajas presiones requiere un preamplificador ya que las corrientes producidas son muy pequeñas, del orden de 10-11 a 10-13 A. Su intervalo de medida es de 760-10-4 mm Hg[1].
III. E LEMENTOS N EUMÁTICOS .
El aire de alimentación de presión normalizada 1,4 bar (20 psi) pasa por la restricción R y llena el volumen cerrado V escapándose a la atmósfera por la tobera R,. Ésta tiene un diámetro muy pequeño, de unos 0,5 mm, mientras que la restricción R tiene un diámetro alrededor de 0,1 mm. El consumo de aire del conjunto tobera-obturador es pequeño, del orden de 3 NI/min. En la siguiente figura se representa una tobera ejerce una fuerza sobre el obturador que tiende a desplazarlo, es la curva de respuesta típica de un sistema tobera-obturador, pudiendo verse que la misma no es lineal. El aire que se escapa de la fuerza debe hacerse despreciable con relación a la fuerza del elemento de medida que posiciona el obturador, con este objeto, en el amplificador de dos etapas se utiliza sólo una parte reducida de la curva, y se disminuye además la sección de la tobera a diámetros muy pequeños de 0,1 a 0,2 mm, de manera que la parte reducida de la curva puede aproximarse a una línea recta con lo cual se consigue una relación prácticamente lineal entre el valor de la variable y la señal transmitida[4].
Figure 8. Curva de respuesta de un sistema tobera-obturador[5].
A. Transmisores neumáticos.
Los transmisores neumáticos se basan en el sistema toberaobturador el cual transforma el movimiento del elemento de medición en una señal neumática. El sistema tobera-obturador
La válvula piloto o conocido como amplificador neumático cumple las siguientes funciones:
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1) Aumento del caudal de aire suministrado, o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo. 2) Amplificación de presión (ganancia) que suele ser de 4 a 5, en general, para obtener así la señal neumática estándar 3-15 psi (0,2-1 bar)[4].
Figure 9. Bloque Amplificador de dos etapas[5].
B. Transmisor de equilibrio de movimientos.
El transmisor de equilibrio de movimientos de la figura compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con la realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida[4].
Figure 10. Transmisor de Equilibrio de Movimientos[4].
Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo son capaces de generar un movimiento, con la suficiente fuerza para eliminar el error de histéresis que pudiera producirse. Si la fuerza disponible es pequeña, aparte de la histéresis, el tiempo necesario para el movimiento es grande y el transmisor es lento en responder a los cambios de la variable. En este caso, se acude a los transmisores de equilibrio de fuerzas en los que básicamente el elemento primario de medida genera una fuerza que se equilibra con otra igual y opuesta producida por el transmisor[ 4]. C. Transmisor de equilibrio de fuerzas.
En la figura puede verse que el elemento de medición ejerce una fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medición, la palanca AC se desequilibra, tapa la tobera, la presión aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzándose un nuevo equilibrio[4].
Figure 11. Transmisor de Equilibrio de Fuerzas[4].
Como elementos neumáticos se considera los instrumentos transmisores neumáticos cuyo elemento de medida es la presión adecuado al campo de medida correspondiente. El tipo de transmisor queda establecido por el campo de medida del elemento. Por ejemplo, un transmisor de 0-20 kg/cm2 utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle[ 4]. IV. C ONCLUSIONES . Se logró conocer de mejor manera los diferentes tipos de elementos nemáticos y de vacío, así como su funcionamiento y en que podemos aplicarlos cada uno de ellos. Los elementos de vacío y neumáticos son elementos de presión que nos sirven para regular el flujo de cada una de las variantes dentro del funcionamiento de un planta, estos elementos son los encargados del control del correcto funcionamiento de cada uno de sus procesos. Cada uno de estos elementos poseen caracteristicas propias y permiten medir de una manera diferente la presión que existe dentro de un sistema industrial. Dentro de los elementos neumáticos se puede destacar que su función de medida queda establecida a partir del campo de medida del instrumento, es decir a partir del conjunto de valores de la variable medida. Los procesos industriales deben de ser controlados para poder garantizar la calidad y competitividad del producto que se desarrollé dentro de la misma. R EFERENCIAS [1] "Elementos Electronicos de Vacío",Agosto 2014, https://prezi.com/ckpoekf3bosi/elementos-electronicos-de-vacio/ [2] "Instrumentación Industrial", Elementos Eléctronicos de Vacío, pag. 100119, 8va. Edición. [3] "Los medidores de Vacío", Biblioteca Digital, Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa, Organismo Internacional, México D.F. 1956 [4] "Presión", Elementos Neumaticos y Elementos Electrónicos de vacío, Monografías páginaweb:http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml [5] "Instrumentos para medición de presión", Instrumentación y control, http://planespecifico.blogspot.com/2011/07/instrumentos-para-medicionde-presion.html
