Medidores Electromecánicos
Transmisores electrónicos de equilibrio de
fuerzas
En este instrumento el
elemento mecánico de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle) ejerce una
fuerza sobre una barra rigida del transmisor.
Para cada valor de la presión, la
barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de
desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador
diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado
con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza
generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa asi un
circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma
proporcional al intervalo de presiones del proceso.
En el transmisor de equilibrio de fuerzas
con detector fotoeléctrico, la
barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o
parcialmente un rayo de luz que incide en una cé1ula
fotoeléctrica de dos elementos. Esta cé1ula forma parte de un circuito de
puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de
presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y
desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos
elementos de la ce1ula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar,
atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que
a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerza con una fuerza tal que
compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una
nueva posición de equilibrio.
Este transmisor dispone de un contador
óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una
pantalla exterior.
Los transductores electrónicos de
equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la
barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto
en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del
cero y del alcance (span) complicado y un alta sensibilidad a vibraciones y su
estabilidad en el tiempo es de media a pobre.
Su intervalo de medida corresponde al
del elemento mecánico que utilizan (tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma
... ) y su precisión es del orden de 0,5 - 1 %
Transductores
resistivos
Constituyen, sin duda, uno de los
transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo
Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica de un potenciómetro
en función de la presión. El
potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar
arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen
varios tipos de potenciómetro segun sea el elemento de resistencia:
potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de pelicula metálica y de plastico moldeado. En la figura puede verse un
transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el
elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es
el corazón del transductor ya que su
desviación al comprimirse debe ser unicamente una función de la presión y
además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros
factores ambientes externos.
El movimiento del elemento de presión
se transmite a un brazo movil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de
precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.
Los transductores resistivos son
simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una
corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de
indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a
pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y
presentan una estabilidad pobre en el tiempo.
El intervalo de medida de estos
transmisores corresponde al elemento de,
presión que utilizan (tubo Bourdon,
fuelle ... ) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del
orden de 1-2 %
Transductores
magnéticos
Transductor
de inductancia variable.
Se clasifican en dos grupos según el
principio de funcionamiento.
a) Transductores
de inductancia variable: en los que el desplazamiento de un nucleo movil
dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional
a la porción metálica del nucleo contenida dentro de la bobina.
El devanado de la bobina se alimenta
con una corriente alterna y la f.e.m. de
autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al
ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el
circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.
El transformador diferencial estudiado
en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un
transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola
bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina
central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético
generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de
que si el núcleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y
si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.
Es decir, que el transformador
diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.
Los transductores de inductancia
variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición,
tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no
precisan ajustes criticos en el montaie. Su precisión del orden de ± 1 %.
b) Los transductores de inductancia
fija consisten en un imán
permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se
mueve una armadura de material magnético.
El circuito magnético se alimenta con
una fuerza magnetomotriz constante
con lo cual al cambiar la posición de
la armadura varía la reluctancia y por lo
tanto el flujo magnético. Esta
variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por
tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.
Transductor
de inductancia variable
El movimiento de la armadura es
pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin
contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos
eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos.Los transductores
de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una
estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión
es del orden de ± 0,5 %.
Ambos tipos de transductores
posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo
Bourdon, espiral, etc.) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de
puente de inductancias de corriente alterna.
Transductores capacitivos
Transductor
capacitivo
Se basan en la variación de
capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por
la aplicación de presión figura.
La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas
fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de
referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos
oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con
corriente alterna.
Los transductores capacitivos se
caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño
desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas.
Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la
medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones
transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los
puentes de c.a. a los que estan acoplados.
Su intervalo de medida es
relativamente amplio, entire 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden
de ± 0,2 a ± 0,5 %.
Galgas
extenso-métricas
Galga
cementada y Galga sin cementar
Se basan en la variación de
longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando
un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.
Existen dos tipos de galgas
extensométricas: galgas cementadas figura
formadas por varios bucles
de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en
las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil
bajo una ligera tensión inicial.
En ambos tipos de galgas, la
aplicación de presión estira o comprime los hilos segun sea la disposición que
el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.
La galga forma parte de un puente de
Wheatstone figura y cuando está sin tensión tiene una
resistencia e1éctrica deterrninada. Se aplica al circuito una tensión nominal
tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caida de
tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.
Cualquier variación de presión que
mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y
desequilibra el puente.
El intervalo de medida de estos
transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ±
0,5%
Puente
de Wheatstone para galga extensométrica.
Una innovación de la galga extensométrica
la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en
un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que
está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor
está fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde
boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga
extensométrica auto contenida. El espesor del sensor determina el intervalo de
medida del instrumento.
Transductor
de presión de silicio difundido
Cuando no hay presión, las tensiones
El y E2 son iguales y, al aplicar la presión del proceso Rb y Rc, disminuyen su
resistencia y Ra y Rd la aumentan dando lugar a caídas de tensión distintas y a
una diferencia entre El y E2.
Esta diferencia se aplica a un
amplificador diferencial de alta ganancia que controla un regulador de
corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 19 mA con 1 mA del
puente produce una señal de salida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a
través de la resistencia de realimentación Rfb y produce una caída de tensión
que equilibra el puente. Como esta caída es proporcional a Rfb esta resistencia
fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se
varía intercalando resistencias fijas en el brazo izquierdo
del puente (cero basto) y un potenciómetro en el brazo derecho (cero fino).
La adición de un microprocesador permite añadir <<inteligencia>> al instrumento al
hacer posible funciones adicionales, tales como la compensación de
Temperatura ambiente, proporcionando un aumento
de la precisión de la medida, en particular si la señal de salida del
instrumento es enteramente digital en lugar de la analógica de 4-20 mA c.c.
El intervalo de medida de los
transductores de silicio difundido varía de 0-2
a 0-600 bar, con una precisión del
orden de ± 0,2 %.
Las galgas extensométrica pueden
alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta de frecuencia excelente y
pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación
de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos
magnéticos. Con excepción de las galgas de silicio difundido poseen las
siguientes desventajas: señal de salida débil, pequeño movimiento de la galga,
alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de
funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de
estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición
de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite
parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la
presión del fluido y no la fuerza que éste hace sobre el diafragma.
Transductores piezoeléctricos
Transductor
piezoeléctrico
Los elementos
piezoeléctricos figura son materiales cristalinos que, al
deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal
eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el
cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de
150° C en servicio continuo y de 230° C en
servicio intermitente.
Son elementos ligeros, de pequeño
tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de
presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de
respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la
desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar
deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque.
Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de
amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la
medición.
En el tabla pueden verse las características de
los elementos electromecánicos descritos.
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