UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN MEDIANTE UN PLC FEC FC660, DEL DELTRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO TRABAJO PRÁCTICO TECNICO PRESENTA: NAARA GONZÁLEZ VIVEROS DIRECTOR: ANDRÉS LÓPEZ VELÁZQUEZ XALAPA, VER. MARZO 2013

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3 Dedicación A Dios Dedicado a ti Señor por haberles dado vida y salud a mis padres para ayudarme, por darme los medios a mí para realizar este trabajo y gracias por haber escuchado todas esas oraciones que hacia mientras estudiaba o me sentía en apuros, porque solo tú eres quien me da las fuerzas día a día para continuar con este viaje. A mi Familia Por su amor que es interminable, por orar cada vez que me voy, porque siempre están cuando no queda nadie, porque le dan a mi vida valor, por enseñarme a ser lo que soy, son mis ángeles de la guarda, para mí una bendición, la familia que la vida me regalo. En este trabajo se refleja aquellos esfuerzos que hicieron para ayudarme a ser una persona de bien y aquellas palabras que siempre estuvieron presentes en mis acciones y las cuales me guiaron hacia un buen sendero. A mis Profesores Gracias, porque sin sus conocimientos no me habría sido posible mi constitución como profesionista. Al Dr. Andrés por confiar en mí y darme la oportunidad de ser partícipe de este proyecto, a Oscar Ramírez Capitaine por su paciencia, conocimiento y apoyo y a todos aquellos que hicieron posible este logro, Dios los Bendiga. Y para concluir: Gracias Dios por darme una familia, la vida misma y a todas aquellas personas que has puesto en mi camino para darme un ejemplo o dejarme una enseñanza, es el regalo más sagrado de tu parte. Pues Qué es el hombre para que te acuerdes de él o el hijo del hombre para que lo visites?, le hiciste un poco menor que los ángeles le coronaste de gloria de honra y le pusiste sobre las obras de tus manos. Hebreos2:5 Pero tu se sobrio en todo, soporta las aflicciones, haz obra de evangelista, cumple tu ministerio. 2Timoteo4:5 He peleado la buena batalla, he acabado la carrera, he guardado la fe. 2Timoteo4:7

4 INDICE INTRODUCCION JUSTIFICACION OBJETIVOS General Específicos CAPITULO SENSORES: CLASIFICACION, CARACTERISTICAS Y APLICACIONES INTRODUCCION SENSORES DE FUERZA Y PRESIÓN Elementos Mecánicos Elementos Electromecánicos Elementos electrónicos SENSORES DE TEMPERATURA Termómetro de vidrio Termómetro de bulbo y capilar Termómetros de resistencia Termistores Termopares Pirómetros de radiación Pirómetros Ópticos Pirómetros de radiación total SENSORES DE NIVEL Instrumentos de medición directa Instrumentos basados en la presión hidrostática Instrumentos basados en el desplazamiento Instrumentos basados en características eléctricas del líquido SENSORES DE POSICION Potenciómetros Encoders (Codificadores angulares de posición) Resolvers Sincros Sensores lineales de posición (LVDT)... 52

5 1.6 SENSORES DE VELOCIDAD Tacómetros mecánicos Tacómetro centrífugo Tacómetros eléctricos Tacómetros de corrientes parasitas Tacómetro de corriente alterna Tacómetro de corriente continua o dinamo tacométrica Tacómetro de frecuencia o frecuencímetro Variadores de frecuencia CONCLUSIONES CAPITULO SELECCIÓN DE SENSORES PARA LA INSTRUMENTACION DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO INTRODUCCION CONTROL DE TEMPERATURA LM35 sensores de temperatura de precisión centígrados Sensor infrarrojo sin contacto Pyrocouple CONTROL DE FUERZA Celda de carga junior s-beam CONTROL DE POSICIÓN CONTROL DE VELOCIDAD FUENTE DE VOLTAJE Y LAS REGULACIONES DE VOLTAJE NECESARIAS PARA LOS MECANISMOS A CONTROLAR CONCLUSIONES CAPITULO AUTOMATIZACIÓN MEDIANTE EL PLC FEC FC INTRODUCCIÓN CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) FUNCIONES LÓGICAS AND (Y) o producto lógico OR (O) o suma lógica NOT (INVERSOR) o complemento lógico NOR (NO-O) FUNCIONES ADICIONALES AUTOMATIZACIÓN DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO

6 3.5 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN EN UN PLC ENTRADAS Y SALIDAS DEL PROGRAMA PRUEBA DE DESGASTE DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PRUEBA DE DESGASTE CONCLUSIONES Capítulo CALIBRACION Y PUESTA EN MARCHA DEL TRIBOMETRO PIN DOBRE DISCO LA IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA EN LA VIDA COTIDIANA Aplicaciones FRICCIÓN DESGASTE Desgaste Adhesivo Desgaste Abrasivo Desgaste por Fatiga Desgaste Corrosivo Consecuencias del desgaste TRIBOSISTEMAS TRIBOMETROS Tribómetro pin sobre disco PREPARACION DE LAS MUESTRAS Parámetros del ensayo PRUEBAS TRIBOLÓGICAS CONCLUSIONES GENERALES ANEXOS Anexo 1. Relación de velocidad Anexo 2.Parámetros variador de frecuencia cfw Anexo 3.Manual PLC Feto FC Anexo 4.Manual Sensor de no Contacto de tipo infrarrojo Pyrocouple Anexo 5.Software WIN FST Anexo 6: Datos generales del FEC Standard Anexo 7.Lista de instrucciones programa prueba de desgaste Anexo 8.Programa prueba de desgaste (diagrama escalera) Anexo 9.Modificación de los parámetros de Velocidad y Tiempo Bibliografía

7 INDICE DE FIGURAS Fig. 1.1 Columna de liquido tipo U.. 7 Fig. 1.2 Barómetros.. 8 Fig. 1.3 Tubo Bourdon 9 Fig. 1.4 Manómetro diafragma. 10 Fig. 1.5 Fuelle.. 12 Fig. 1.6 Sensor electromecánico Resistivo 13 Fig. 1.7 Sensor con Inductancia Variable. 14 Fig. 1.8 Sensor con Reluctancia Variable. 14 Fig. 1.9 Sensor Capacitivo.. 15 Fig Diagrama Straingage 16 Fig Diagrama Puente de Wheatstone 16 Fig Esquema de una galga extensométrica. 16 Fig Celdas de carga. 17 Fig Sensor electromecánico Piezoeléctricos. 18 Fig Sensor Hall. 19 Fig Sensor Piezorresistivo.. 19 Fig sensor de presión monolítico 20 Fig Termómetro de vidrio 23 Fig Termómetro de Bulbo. 23 Fig Termómetro Bimetálico. 23 Fig Termómetro de resistencia.. 25 Fig Termistor de Barra. 27 Fig Diagrama termopar 28 Fig Aplicaciones de Pirómetros de radiación. 39 Fig Medidor manométrico. 43 Fig Medidor de tipo burbujeo. 44 Fig Instrumentos basado en el desplazamiento.. 46 Fig Sensores de posición lineal 50 Fig Encoder incremental.. 51 Fig Resolver transductor rotacional electromagnético 51 Fig Diagrama de un transformador diferencial de variación lineal (LVDT).. 52 Fig Tacómetro centrifugo.. 54

8 Fig Tacómetro de corrientes parasitas 55 Fig Variador de Frecuencia 56 Fig. 2.1 Probetas Pin y Disco. 60 Fig. 2.2 Sensor de Temperatura LM35 62 Fig. 2.3 Acondicionamiento de señal sensor LM Fig. 2.4 Sensor infrarrojo sin contacto Pyrocouple 64 Fig. 2.5 Conexión del sensor pyrocouple con el PLC mediante Protoboard.. 65 Fig. 2.6 Dimensiones de la celda de carga Junior S-Beam.. 66 Fig. 2.7 Celda de carga Junior S-Beam con indicador inteligente Mecmesin 66 Fig. 2.8 Relevador Magnético. 67 Fig. 2.9 Imán para la activación del Relevador magnético 67 Fig Sistema de control de movimiento. 67 Fig Sensor Sistema Hidráulico 67 Fig Variadores de frecuencia WEG.. 69 Fig Variador de frecuencia CW10 con conexión a PLC a modo remoto 70 Fig Diagrama Fuente de Voltaje.. 71 Fig Fuente de Voltaje de 24 y 12 VCD. 72 Fig. 3.1 Función Lógica AND. 78 Fig. 3.2 Función Lógica OR. 78 Fig. 3.3 Función Lógica NOT.. 79 Fig. 3.4 Función Lógica NAND.. 79 Fig. 3.5 Función Lógica NOR. 80 Fig. 3.6 Representación de dos registros, uno de 8 bits y otro de 16 bits 81 Fig. 3.7 Representación de una flag y un flag Word.. 82 Fig. 3.8 PLC FESTO FEC-FC660-FST 84 Fig. 3.9 PLC FESTO FC660 y circuitos necesarios. 89 Fig.4.1 Desgaste abrasivo a) a dos cuerpos y b) a tres cuerpos. 99 Fig. 4.2 Desgaste por fatiga. Esquema de la formación de grietas superficiales y subsuperficiales.. Fig. 4.3 Desgaste corrosivo. Modelo representativo de la formación de la capa de oxido Fig. 4.4 Diagrama de un tribosistemas. 102 Fig. 4.5 Probetas Pin y Disco. 104 Fig. 4.6 Celda de carga 108 Fig. 4.7 Disco desgastado después de realizar el ensayo

9 INDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Instrumentos de medición de presión.. 12 Tabla 1.2 Composición química de termopares. 30 Tabla 1.3 Coeficientes de emisión monocromáticos de metales y cuerpos corrientes de 0.65 micras y para distintas temperaturas 33 Tabla 1.4 corrección a añadir a la temperatura de brillo S leída en un pirómetro monocromático, para obtener la temperatura verdadera 34 Tabla 1.5 Coeficientes de emisión total de sustancias diversas 37 Tabla 1.6 F.E.M de los pirómetros de radiación. 38 Tabla 2.1 Referencia rápida de parámetros variador de frecuencia WEG CFW Tabla 2.2 Consumos de corriente directa de los aparatos a utilizar. 71 Tabla 3.1 Funciones lógicas Tabla 3.2 Funciones lógicas 80 Tabla 4.1 Reporte de Funcionalidad del Tribómetro 107 Tabla 4.2 Resultados de las pruebas de desgaste. Acero inoxidable AISI Tabla 4.3 Resultados de las pruebas de desgaste Rugosidad nivel 4. Acero inoxidable AISI Tabla 4.4 Resultados de las pruebas de desgaste Rugosidad nivel 12 Acero inoxidable AISI

10 INTRODUCCION Todo proceso industrial se compone de secuencias de acciones que deben ser controladas, en los procesos sencillos, un operario es el que se encarga de este control y de vigilar la marcha correcta del sistema, sin embargo en la actualidad la automatización es sinónimo de éxito dentro el ámbito industrial y ejecutivo, es por ello que el proyecto que se desarrolla en el presente escrito va enfocado a la automatización del tribómetro pin sobre disco para mejorar aspectos tales como calidad de la prueba a realizar así como seguridad y eficiencia. Anteriormente se trabajó en un primer diseño de la Máquina Pin Disco, con su respectiva automatización, en el cual se encontraron muchos detalles con respecto a la poca flexibilidad que este brindaba al usuario al tomar lecturas de temperaturas de manera manual al igual que la velocidad. Este proyecto va dirigido a la automatización de un tribómetro pin sobre disco mediante la implementación de un PLC de la marca FESTO modelo FC660 así como la instrumentación necesaria para su buen funcionamiento, este tribómetro se encuentra ubicado en el laboratorio de Tribología e Ingeniera de Materiales ubicado en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Veracruzana campus Xalapa. Este proyecto tiene como objetivo innovar en la automatización tomando en cuenta consideraciones electrónicas, eléctricas, mecánicas y de control tales como: Control de motores de corriente directa Diseño de un circuito alimentador Acondicionamiento de señal de sensores Programación de PLC Control de velocidad de motor trifásico Control de aplicación de carga por medio de un principio hidráulico Lectura de temperaturas Otro objetivo que conlleva este proyecto es la innovación en el ámbito de la creación y mejora de máquinas tribológicas para el estudio de la Tribología en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Campus Xalapa, y con ello invitar a los estudiantes a que se adentren en la Investigación y al estudio de esta ciencia la cual es relativamente nueva en el país.

11 JUSTIFICACION La industria en general, padece de severas pérdidas por los fenómenos de fricción y desgaste, la productividad disminuye considerablemente, por los paros constantes de producción debido al cambio de las piezas desgastadas, aumentando con esto el costo de la producción, por eso es importante estudiar su comportamiento, para esto se han desarrollado maquinas para simular desgaste o tribómetros, de diferentes configuraciones geométricas y características. Sin embargo, el instrumental y equipo empleado para los propósitos antes mencionados son manufacturados por empresas de países industrializados, cuyo precio en el mercado hace difícil su adquisición sumándole a esto que la aplicación de algunos de sus parámetros para la realización de ensayos tribológicos se realiza de manera manual, con esto surge la necesidad de la automatización de un tribómetro de configuración pin sobre disco, generando con esto una mejora a los tribómetros ya existentes en el mercado. OBJETIVOS General El objetivo general de este proyecto va dirigido a la automatización de un tribómetro con configuración pin sobre disco. En el cual se apliquen conocimientos adquiridos en la estancia escolar. Desarrollando con esto un funcionamiento más práctico para el usuario y con alta calidad, en el cual la seguridad sea un aspecto indispensable para el desarrollo de éste. Ya que hoy en día para entrar a la competitividad industrial, es necesario facilitar al hombre el manejo de maquinas en donde su integridad sea un primer objetivo. Por ello se ha propuesto este proyecto en el que se automatizan las partes mecánicas mediante dispositivos eléctricos y electrónicos de control. Específicos Analizar las posibles soluciones para la instrumentación electrónica del tribómetro pin sobre disco mediante diferentes dispositivos y con esto tomar la mejor solución para desarrollarla. Utilizando las herramientas de ingeniería desarrollar el diseño de los diferentes elementos que intervienen en el control, diseñándolos con la mayor exactitud y seguridad para así obtener un proyecto rentable para la industria refiriéndonos con esto a tener un tribómetro totalmente automatizado apto para pruebas a nivel industrial y de investigación.

12 Capítulo 1 SENSORES: CLASIFICACION, CARACTERISTICAS Y APLICACIONES En este capítulo se dará la clasificación y explicación de algunos sensores tomando en cuenta las variables correspondientes al proyecto al cual se refieren en este trabajo, pues se requirió la selección de algunos para la instrumentación del tribómetro pin sobre disco. 1.1 INTRODUCCION 1.2 SENSORES DE FUERZA Y PRESIÓN 1.3 SENSORES DE TEMPERATURA 1.4 SENSORES DE NIVEL 1.5 SENSORES DE POSICION 1.6 SENSORES DE VELOCIDAD CONCLUSIONES 5

13 CAPITULO 1 SENSORES: CLASIFICACION, CARACTERISTICAS Y APLICACIONES 1.1 INTRODUCCION Para operar una planta o alguna maquinaria es necesario conocer el valor de las propiedades en proceso, utilizar esta información para diagnosticar la mejor forma de operar el proceso y disponer de medios de modificar el proceso en el grado deseado. Esta secuencia: Medir-Decidir-Actuar; es válida desde el manejo de una sola variable o propiedad hasta una planta completa donde la medición de una propiedad en el producto terminado puede implicar acciones sobre operaciones al inicio de la línea de proceso. Dado que la selección de las variables a medir y sobre las que actuar es un aspecto empírico, se deberá disponer de una batería de conocimientos desde donde realizar la selección de instrumentos. Se entiende por instrumento tanto los sistemas de medición (Sensores) como los de manipulación (Actuadores: motores, bombas, válvulas, agitadores, etc.). Por la misma razón de tener más conocimientos respecto a los sensores a continuación se muestra una clasificación para facilitar la selección de algunos de ellos. CASIFICACION EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO De acuerdo con la variable de proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de roció, viscosidad, posición, velocidad, ph, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. En este capítulo y especialmente en este proyecto solo se mencionaran los sensores de presión, temperatura, posición, fuerza y nivel. 6

14 1.2 SENSORES DE FUERZA Y PRESIÓN La presión puede definirse como: la fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmosfera, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libra por pulgada cuadrada).existen diversos elementos que nos permiten medir la presión, entre ellos podemos referir los siguientes: Elementos Mecánicos Elementos Neumáticos Elementos Electromecánicos Elementos Electrónicos Elementos Mecánicos Podemos clasificarlos en dos tipos: Elementos primarios que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida, tales como: Barómetro de Cubeta, Manómetro de tubo U, Manómetro de Tubo inclinado, Manómetro de toro pendular y Manómetro de Campana. Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen: Tubo Bourdon, Elemento en Espiral, Elemento Helicoidal y Diafragma Fuelle. A continuación se describirán algunos de ellos: Columna de Líquido. 7 Fig. 1.1Columna de líquido tipo U Fuente: 09/05/columna-de-liquido.html consultado 8 de Agosto de 2012 Es el instrumento de medición de presión más antiguo, y de los más exactos en los rango de alcance 500[Pa] a 200 [kpa]. La selección de la configuración de la columna y del fluido manométrico permite la medición de todos los tipos de presión. La ventajas de éste instrumento es su versatilidad. El manómetro en forma de "U" conforma, según se especificó, un

15 sistema de medición más bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración. Esta ventaja lo hace un artefacto muy común. Su desventaja principal es la longitud de los tubos necesarios para una medición de presiones altas y, desde el punto de vista de la instrumentación de procesos, no es trivial transformarlo en un sistema de transmisión remota de información sobre presión. Cisterna. Fluido manométrico normalmente de mercurio y agua con alcances de 150 a 3000 [mm] de altura utilizando reglas con división mínima de 1[mm] a 0,1[mm]. Se utiliza para la medición de presión relativa y negativa. Barómetro. Fig. 1.2 Barómetros Fuente: consultado 13 de Septiembre de 2012 El barómetro de mercurio consiste de un tubo largo de vidrio cerrado en un extremo, evacuado y lleno de mercurio. Existen básicamente dos tipos de barómetros de mercurio: el tipo Kew y el tipo Fortín. En el tipo Kew se requiere llenar el tubo con una cantidad exacta de mercurio dado que es posible observar solamente el menisco en la columna de medición, mientras que el menisco en la cisterna queda oculto, lo cual inhabilita el ajuste por diferencias de cantidad de Mercurio. En el barómetro tipo Fortín es posible ajustar el nivel en el menisco inferior a través de la cisterna que es transparente, el barómetro de mercurio tipo Fortín es el más exacto y difundido. 8

16 El barómetro es un altímetro, a medida que se va ascendiendo en altitud, la presión atmosférica va disminuyendo. Los barómetros de mercurio miden la presión atmosférica local, no la informada a nivel del mar (que oscila alrededor de los 1013,25 [Pa] ó 760 [mmhg]) y que es la utilizada en la calibración de altímetros y en las estaciones meteorológicas. Para conocer la corrección barométrica se requiere aplicar una corrección por altura. Inclinadas. Se utilizan con aceite (con densidad relativa menor al agua (<1) para aumentar la sensibilidad de la decisión en alcances de 25 a 100 [mm] y división mínima hasta de 1[mm]. En el ámbito industrial se les conoce como manómetros de tiro, dado que son utilizados para medir la presión de combustión a las calderas que arrastra gases quemados hacia el exterior a través de la chimenea. Cuentan con un nivel, con el propósito de ajustar el ángulo de inclinación α, para el cual fue diseñada la columna. Tubo de Bourdon. Fig. 1.3 Tubo Bourdon Fuente: Instrumentos para medición y control W.G Holzbock El método más usual para medir presiones es por medio del barómetro de Bourdon, que consiste en un tubo aplanado de bronce o acero curvado en arco. A medida que se aplica presión al interior del tubo, éste tiende a enderezarse, y éste movimiento se transmite a un cuadrante por intermedio de un mecanismo amplificador adecuado. Los tubos Bourdon para altas presiones se hace de acero. Puesto que la exactitud del aparato depende en gran parte del tubo, sólo deben emplearse tubos fabricados de acuerdo con las normas más rigurosas y envejecidas cuidadosamente por el fabricante. Es costumbre utilizar los manómetros para la mitad de la presión máxima de su escala, cuando se trata de presión fluctuante, y para los dos tercios de ella, cuando la presión es constante. Si un tubo Bourdon se somete a presión superior a la de su límite y a presiones mayores que las que actuó sobre él en el proceso de envejecimiento, puede producirse una deformación permanente que haga necesaria su calibración. 9

17 Los manómetros en uso continuo, y especialmente los sometidos a fluctuaciones rápidas y frecuentes de presión, deben verificarse repetidas veces. Un procedimiento cómodo para hacerlo consiste en tener un manómetro patrón exacto que pueda conectarse en cualquier punto de la tubería en la que está unido el manómetro regular y efectuar comparaciones. A intervalos regulares debe confrontarse el manómetro patrón con el manómetro de peso directo o contrapesos. El manómetro de Bourdon es completamente satisfactorio para presiones hasta de unas 2000 atm, siempre que sea suficiente una exactitud de 2 a 3 por ciento. Estos manómetros se encuentran en el comercio con lecturas máximas en sus escalas de unos 7000 Kg / cm². El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construcción. Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo. Al aplicar una presión al interior del tubo (se le infla, por ejemplo) la fuerza generada en la superficie (área) exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la superficie interior, de modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C" hacia una "C" más abierta. Esta deformación es una medición de la presión aplicada y puede trasladarse a una aguja indicadora tanto como a un sistema de variación de resistencia o campos eléctricos o magnéticos. El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo y el tubo se encuentra cerrado en un extremo. Al aumentar la presión dentro del tubo, este se deforma, y el movimiento se transmite a la aguja indicadora. Empíricamente se halla el tubo adecuado al rango de presión deseado. El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común. En el helicoidal se aplica el mismo concepto, pero sólo que en forma de hélice. Con estas características se obtiene una mayor longitud de desplazamiento de la aguja indicadora, favoreciendo su aplicación a sistemas registradores. 10

18 Diafragma. Fig. 1.4 Manómetro diafragma. Fuente: 8 de agosto 2012 pequeñas presiones. Fuelle. El manómetro diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar la presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El material del diafragma es normalmente aleación de níquel. Se utiliza en El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformaciones alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado es bronce ferroso, y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para bajas presiones. Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que pueden afectar las variaciones de presión atmosférica. 11

19 Fig. 1.5 Fuelle Fuente: Consultado 8 agosto 2012 Tabla 1.1 Instrumentos de medición de presión Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Elementos Electromecánicos Los elementos electromecánicos utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un elemento transductor eléctrico que genera la señal correspondiente, el elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mimos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico. Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: Por el principio de transducción se pueden agrupar en: Resistivos Magnéticos Capacitivos Extensométricos Piezoeléctricos A continuación se describe cada uno de ellos. 12

20 Resistivos. Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos y abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. Estos transductores son simples y permiten el manejo de potencias de señal suficientes para no usar amplificadores. Sin embargo no poseen una alta resolución y son sensibles a vibraciones y a las condiciones ambientales. El rango de trabajo está definido por el transductor mecánico. Fig. 1.6 Sensor Electromecánico Resistivo Fuente: consultado 8 de agosto 12 Magnéticos. Inductancia Variable. En los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina. El devanado de la bobina se alimenta de 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. 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 críticos en el montaje. Su precisión es del orden del +- 1%. 13

21 Una aplicación usual es la de un transformador diferencial variable linean o LVDT, en el cuál el núcleo está vinculado a un diafragma. Fig. 1.7 Sensor con Inductancia Variable Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Reluctancia Variable. Se componen de un electroimán o de un imán permanente y un núcleo ferromagnético móvil. Este núcleo puede ser desplazado por medio del tubo Bourdon o un diafragma, variando la reluctancia del circuito magnético y por ende la inductancia de una bobina presente en el circuito. Fig. 1.8 Sensor con Reluctancia Variable Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega 14

22 Capacitivos. Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y está entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores, uno de capacidad fija y otro variable. Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y construcción robusta. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir ruidos. Así también son sensibles a las variaciones de temperatura y oscilaciones mecánicas. Fig. 1.9Sensor Capacitivo Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Galgas Extensométricas. Dispositivo de medida universal que se utiliza para la medición electrónica de diversas magnitudes mecánicas dado que el parámetro strain puede ser positivo (tensión) o negativo (compresión). Si bien es a dimensional, en muchos casos se suele expresar en unidades de mm/mm pueden ser la presión, carga, torque, deformación, posición, etc. El straingage metálico consiste en un cable muy fino o papel aluminio dispuesto en forma de grilla. La grilla está pegada a un fino respaldo llamado carrier, el cual está sujeto directamente a la pieza bajo medida. Por lo tanto, el esfuerzo experimentado por la pieza es transferido directamente al straingage, el cual responde con cambios lineales de resistencia eléctrica. 15

23 Fig Diagrama Straingage Fuente: consultado 8 de agosto de 2012 Configuración física El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. Existen tres tipos de montajes básicos: con una, dos y cuatro galgas. La medida se suele realizar por deflexión, es decir midiendo la diferencia de tensión existente entre los terminales de salida del sensor. Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la sensibilidad y la capacidad de compensación del efecto de temperatura. Esta compensación consiste en suprimir los efectos de la temperatura en el valor de la resistencia de la galga; cuando en un puente de medida coinciden dos o cuatro galgas de iguales características, los efectos de la temperatura se anulan ya que ésta les afecta por igual. Puente de Wheatstone. Puente de medida con dos galgas (Medio Puente): Debido a la utilización de dos galgas se consigue duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que para una misma deformación tengamos una mayor señal de salida para una tensión de alimentación dada. Puente de medida con cuatro galgas (Puente Completo): Fig Diagrama Puente de Wheatstone para galga extensométrica Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega La utilización de cuatro galgas cuadruplica la sensibilidad del puente respecto al puente de una sola galga. De igual forma que en el caso anterior, 16

24 las galgas están compensadas en temperatura. Celda de Carga Convierten la fuerza actuante sobre ellas en señales eléctricas medibles. Las galgas están unidas a una viga o miembro estructural que se deforma cuando el peso se aplica. Fig Esquema de una galga extensométrica conectada con un Potenciómetro Fuente: Instrumentos para medición y control W.G holzbock cables) con los ajustes de compensación. En la mayoría de los casos, cuatro galgas se utilizan para obtener la máxima sensibilidad y la compensación de temperatura. Dos de las galgas suelen estar en tensión, y dos en compresión, y están conectados (mediante Cuando se aplica el peso, la tensión cambia la resistencia eléctrica de las galgas en proporción a la carga. Dentro de las celdas de carga basadas en las galgas extensométricas también existen distintos tipos, diferenciándose en forma, tamaño y en la forma en que se realiza la medida. Celdas de carga de tensión y compresión Estas celdas permiten medir tanto la tensión como la compresión de las cargas. Están hechas de acero inoxidable, son de tamaño pequeño y son capaces de ofrecer lecturas de alta precisión. Fig Celdas de carga Fuente: Laboratorio de tribología e Ingeniería de Materiales Universidad Veracruzana 17

25 Piezoeléctricos Fig Sensor electromecánico Piezoeléctricos Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega 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 fuertes choques. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores de la medición Elementos electrónicos. Por ejemplo, equipos con membranas de silicio, de acero fino o con materiales dilatables de otras formas. También existen elementos electrónicos de vacío. Clasificados como: Mecánicos, McLeod, Térmicos e Ionización. Sensor capacitivo. Basado en tecnología del silicio, se evalúa el cambio capacitivo de una membrana de cerámica, ocasionado por la flexión en relación con un contra electrodo paralelo. Ello significa que la membrana hace las veces de placa de condensador. El elemento de detección no debe estar cubierto por el fluido. 18

26 En los sensores de presión capacitivos con membrana cerámica y procesamiento de señales se utilizan las siguientes microtecnologías: Técnica de películas delgadas para los electrodos Técnica de películas gruesas para el híbrido de procesamiento de señales Técnica de micromontaje para la membrana de cerámica Aplicación especifica de circuitos integrados (ASIC) para el procesamiento de señales Sensor Hall. Fig Sensor Hall Fuente: consultado 8 de agosto de 2012 En los sensores de presión con elemento Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio de la tensión Hall. Sensor Piezorresistivo. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Fig Sensor Piezorresistivo Fuente: consultado 8 de agosto de 12 19

27 Sensor Monolítico. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio. En la figura 1.17 se muestra un ejemplo de este tipo de sensor (en este caso, un sensor de presión absoluta). Fig Sensor de presión monolítico Fuente: consultado 6 de febrero 2013 Térmicos. Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas está bajo presión absoluta. El transductor térmico de termopar contiene un filamento en V que lleva incorporado un pequeño termopar. La F.E.M., del termopar indica la temperatura del filamento y por lo tanto señala el vacío del ambiente. Bimetálico. Utiliza espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez está acoplada a un índice que señala en la escala el vacío. Transductores de Ionización: Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones (o bien partículas alfa en el tipo de radiación). La velocidad de formación de esto iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión. Filamento Caliente. Consiste en tubo electrónico con un filamento de tungsteno rodeado por una rejilla en forma de bobina, 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 través de ella y, en su camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunas colisionan con moléculas de gas. 20

28 Cátodo Frío. Se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moviendo a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que en el camino libre medido entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos. Radiación. En el transductor de radiación, una fuente de radio sellada, producen partículas alfa que ionizan las moléculas del gas en la cámara de vacío y que por lo tanto, es proporcionada la presión total del sistema. 21

29 1.3 SENSORES DE TEMPERATURA La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida queda definida en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancias entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección optima del sistema más adecuado. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases); Variaciones de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); Variación de resistencia de un semiconductor (termistores); F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación]); Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal) De este modo se emplean los instrumentos siguientes: Termómetros de vidrio, termómetros bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de radiación. Termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos. Termómetros de cristal de cuarzo. 22

30 1.3.1 Termómetro de vidrio Consta de un deposito de vidrio que contienen, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio Mercurio (tubo capilar lleno de gas) Pentano Alcohol Tolueno -35 hasta +280 C -35 hasta C -200 hasta +20 C -110 hasta +50 C -70 hasta +100 C Fig Termómetro de vidrio Fuente: consultado 8 de agosto de Termómetro de bulbo y capilar Fig Fig Fig Termómetro de Bulbo. Fig Termómetro Bimetálico Fuente: consultado 8 de agosto de

31 Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura de bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este tipo de termómetros: Clase I: termómetros actuados por líquidos. Clase II: termómetros actuados por vapor. Clase III termómetros actuados por gas. Clase IV: termómetros actuados por mercurio. Los termómetros actuados por líquidos tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Por lo tanto, para capilares cortos hasta 5m, solo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debido a variaciones de la temperatura ambiente (Clase IB). Para capilares más largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar (Clase IA). Los líquidos que se utilizan son: alcohol y éter. El campo de medición de estos instrumentos varía entre 150 hasta 500 C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee. Los termómetros actuados por vapor contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión del vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Por lo consiguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente. Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de liquido (Clase IIA), siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de medición. Si la temperatura del bulbo es más baja que el ambiente, el sistema se llena de vapor (Clase IIB) la clase IIC, opera con la temperatura del bulbo superior 24

32 e inferior a la temperatura ambiente, y la clase IID trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro liquido no volátil para transmitir la presión de vapor. Los termómetros actuados por gas están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. Los termómetros actuados por mercurio (Clase IV) son similares a los termómetros por liquido (Clase I). Pueden tener compensación en la caja y compensación total Termómetros de resistencia Fig Termómetro de resistencia Fuente: consultado 8 de agosto de 2012 La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado Coeficiente de temperatura de resistencia que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: 25

33 Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad). Relación lineal resistencia-temperatura. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta) Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 C. El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los valores fabricados. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistencia Termistores Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de vapor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños de temperatura. Los termistores se fabrican con oxido de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados. Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un 26

34 alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1 C (alcance). Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición. La compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial. Fig Termistor de Barra Fuente: consultado 8 de agosto de Termopares El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821 se basa en que la circulación de corriente por un circuito formado por 2 metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a 2 efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de 2 metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. 27

35 Fig diagrama termopar Fuente: consultado 8 de agosto de 2012 El Efecto Peltier. Este efecto puede considerarse como el inverso del efecto Seebeck y consiste en que al hacer pasar corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos en una determinada dirección produce enfriamiento, y al hacerla pasar en dirección contraria produce calentamiento en la unión. La potencia calorífica generada o absorbida es proporcional a la corriente eléctrica y también depende de la temperatura de la unión El Efecto Thompson. Implica la aparición de un flujo de calor al circular una corriente a través de un gradiente de temperatura en un material. Supongamos un conductor por el cual circula una corriente de calor, más no una corriente eléctrica. Esto induce la aparición de una distribución de temperaturas en el material, gobernada por los coeficientes cinéticos. Supongamos ahora que cada punto del material es conectado a un baño térmico de igual temperatura. La igualdad de temperaturas entre el material en cada punto y el baño correspondiente implica que no habrá intercambio de calor entre éstos y el material. La combinación de los dos efectos, Peltier y Thomson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. 28

36 Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si pusieran en contacto directo A y B. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de la medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo coste y de baja resistencia eléctrica que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de esta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura. 29

37 Tabla 1.2 composición química de termopares Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega 30

38 En la medición de las temperaturas elevadas que se encuentran en la fabricación de acero en fusión se emplean cartuchos con termopares R o S que se coloca en una lanza. El operario sumerge esta en acero y aunque el cartucho se funde en segundos, da tiempo a que un circuito especial fije la máxima temperatura alcanzada. El termopar tipo E, de cromel-constantan puede usarse en vacío o en atmosfera inerte o mediante oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre -200 a +900 C. El termopar tipo T, de cobre-constantan, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmosferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre -200 a +260 C. El termopar tipo J, de hierro-constantan, es adecuado en atmosferas con escaso oxigeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de los 550 C, siendo un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura limite de 750 C. El termopar tipo K, de cormel-alumen, se recomienda en atmosferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1250 C. No debe ser utilizado en atmosferas reductoras ni sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de protección. Los termopares tipo R, S y E de Pt-Pt/Rh se emplean en atmosferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500 C. Si la atmosfera es reductora, el termopar debe proteger con un tubo cerámico estanco. Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos límites de temperatura (0-200 C) y son más económicos. Se suelen utilizar los siguientes: Conductores tipo J para termopares tipo J. Conductores tipo K o tipo T para termopares tipo K. Conductores tipo T para termopares tipo T. Conductores tipo E para termopares tipo E. Conductores cobre-cobre níquel para termopares tipo R, S o B. Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por 31

39 fuentes de calor (aparece el efecto Thomson). Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones térmicas y corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibración del instrumento Pirómetros de radiación. Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumentando proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. Los pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total Pirómetros Ópticos. Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de corriente variable en la lámpara y b) de corriente constante en la lámpara con variaciones del brillo de la imagen de la fuente, Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación infrarrojos que se estudian más adelante y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicado. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulso de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. 32

40 Tabla 1.3 Coeficientes de emisión monocromáticos de metales y cuerpos corrientes de 0.65 micras y para distintas temperaturas Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega En algunos modelos, el acondicionamiento de la señal se realiza con un microprocesador, lo que permite alcanzar una precisión de % en la lectura, con la posibilidad adicional de trabajar en modo continuo o de integrar picos o valles de la radiación, en el caso del paso de objetos delante del pirómetro. Un juego de lentes parecido al de una cámara fotográfica permite efectuar la lectura de objetos tan pequeños como de 0.4mm de diámetro. El coeficiente de emisión de energía radiante (medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0.10 a 0.85 si el metal perfectamente pulido se recubre bruscamente por una capa de oxido, y lo mismo sucede con un baño metálico liquido. 33

41 Tabla 1.4 Corrección a añadir a la temperatura de brillo S leída en un pirómetro monocromático, para obtener la temperatura verdadera Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Pirómetros de radiación total El pirómetro de radiación total está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentrara la radiación del objeto caliente en una termopila formado por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación esta ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m. máxima. La f.e.m que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de este. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento. 34

42 La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambiente máximas de 120 C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, disminuye la temperatura de la caja unos 10 a 40 C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 C, valor que es poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil. El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios: Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la termopila. Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que puedan estar en contacto con el tubo de mira. Se recomienda que el caudal del aire de purga sea constante y que la presión no supere los 0.7 kg/cm 2. Se utiliza usualmente un pequeño rotámetro con regulador de caudal de una capacidad aproximada en aire de Nl/h (Litros de aire en condiciones normales de presión y temperatura). De este modo, la atmosfera en contacto con la lente se encuentra libre de fases o vapores que podrían dañar la lente o condensarse en la misma, dando lugar a una disminución de la temperatura leída. Una presión mayor en el aire de purga podría dar lugar a un escape de aire a través de las juntas de la lente, y enfría la termopila, lo que alteraría la medida. Dispositivo de refrigeración por agua empleado usualmente con el dispositivo de refrigeración por aire. Este accesorio impide que el cuerpo del pirómetro se caliente excesivamente por conducción a lo largo del tubo de mira, o por radiación de otras fuentes. Dispositivo automático de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente. Consiste esencialmente en una caja provista de un disparador automático manteniendo en posición con un hilo fusible; en el caso de una elevación brusca de la temperatura provocada por condiciones peligrosas de la llama, se funde el hilo y el resorte cierra el obturador. El dispositivo incluye adicionalmente un obturador manual intercalado entre el automático y el proceso, que permite cambiar el fusible sin peligro para el operario. La corriente nominal del fusible es de unos 5A, y puede conectarse a un circuito de alarma luminosa o acústica, o bien, a un circuito de control 35

43 para disminuir automáticamente el consumo de fuel-oíl o gas, al presentarse las condiciones de peligro. La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo la presencia de gases o vapores que absorben energía) siempre que la imagen de la superficie de cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho (factor de distancia 20:1) y de ángulo ancho (factor de distancia 7:1) Los lentes de pyrex se utilizan en el campo de temperatura de 850 a 1750 C, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 a 1250 C y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores. Señalemos algunos aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación en la medición de temperaturas de cuerpos negros, opacos y transparentes. Un cuerpo opaco emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. La medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante recibe el nombre de coeficiente de emisión o emisividad. El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional, procedente de cuerpos próximos, llamas, etc., de modo que si se tiene un bajo coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. El cuerpo negro posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conoce como cuerpos opacos. Si la emisividad del cuerpo es conocida, el instrumento receptor lleva acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente. Al captar la radiación de un cuerpo opaco, la f.e.m. observada en la termopila es mejor que la correspondiente a la temperatura verdadera, siendo su relación: f.e.m. equivalente= f.e.m. observada/emisividad Un pirómetro de radiación calibrado para condiciones de cuerpo negro indica una baja temperatura al enfocar a un cuerpo opaco instalado en el exterior de la forma que este no refleje prácticamente energía radiante de otras fuentes. 36

44 Tabla 1.5 Coeficientes de emisión total de sustancias diversas Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega La determinación de las temperaturas verdaderas con un pirómetro de radiación puede efectuarse aplicando uno de los dos métodos siguientes: 1. Corrección empleando las tablas de emisión y las curvas de las figuras 2. Corrección empleando las tablas de coeficientes de emisión, la formula f.e.m equivalente= f.e.m. observada/emisividad y la tabla. 37

45 Tabla 1.6 F.E.M de los pirómetros de radiación Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Dentro de la banda de ondas de operación, el pirómetro no puede distinguir entre la energía emitida por el cuerpo y la transmitida y reflejada por otras fuentes de radiación. 38

46 Aplicaciones de pirómetros en la industria. Fig Aplicaciones de Pirómetros de radiación. Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Los pirómetros de radiación, por su constitución, genera una señal débil que no permite ser amplificada con un amplificador de c.c. debido a su derivada de cero, por lo cual es necesario aplicar una técnica totalmente distinta: interrumpir cíclicamente la radiación que va del objeto al detector a fin de aplicar técnicas de c.a. con su característica alta estabilidad para amplificar la corriente continua pulsante. 39

47 1.4 SENSORES DE NIVEL En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los medidores de nivel de líquido trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio liquido contenido en el tanque de proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido. Los primeros instrumentos de medida directa se dividen en: sonda, cinta y plomada, nivel de cristal e instrumentos de flotador. Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en: Medidor manométrico Medidor de membrana Medidor de tipo burbujeo Medidor de presión diferencial de diafragma El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento a barra de torsión. Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en: Medidor resistivo Medidor conductivo Medidor capacitivo Medidor ultrasónico Medidor de radiación Medidor laser 40

48 1.4.1 Instrumentos de medición directa Medidor de sonda. Consiste en una varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de fuel-oíl o gasolina. Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompa la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel. Se emplea en tanques de agua a presión atmosférica. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada, que se emplea cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque. Nivel de cristal. Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una de purga. El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 bares. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica. La lectura del nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso el vidrio en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor de color claro. En la lectura por transparencia empleada para apreciar el color, características o interface del líquido, este está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, mejorándose la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. Por mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio. Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. 41

49 Entonces los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos. El nivel de vidrio permite solo una indicación local, si bien pueden emplearse espejos para lecturas a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel de líquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel. Instrumentos de flotador. Consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. El flotador conectado directamente está unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad tales como los de fuel-oíl y gas-oíl. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no pueda estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio. El flotador acoplado magnéticamente desliza exteriormente a lo largo de un tubo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede además ser transmisor neumático o eléctrico. Una variante de la conexión magnética consta de un tubo conteniendo un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo. A medida que el nivel sube o baja, las cintas giran, y como tienen colores distintos en su anverso y reverso, visualizan directamente en el nivel del tanque. El instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporado. En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control del nivel; una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción de vapor. 42

50 El flotador acoplado hidráulicamente actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varía la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75m y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalación y calibración y posee partes móviles en el interior del tanque. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de +-0.5%. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso específico del líquido. Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los solido o cristales que el líquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque Instrumentos basados en la presión hidrostática. Medidor manométrico. Membrana. Burbujeo. Presión diferencial. Medidor manométrico. Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle. Fig Medidor manométrico Fuente: Consultado 8 de agosto de 2012 El instrumento solo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad; por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida está limitada a tanques 43

51 abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido. Una variante emplea un transductor de presión suspendido de la parte superior del tanque e inmerso en el líquido, transmitiendo la señal de 4-20mA c.c. a través de un cable que acompaña la de suspensión. La transmisión o indicación del nivel a través de una comunicación RS-232 permite conectar con la interfaz de un ordenador. Medidor membrana. Utiliza una membrana conectada con un tubo al instrumento receptor. La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna del líquido. El volumen del aire interno es relativamente grande, por lo cual el sistema está limitado a distancias no mayores de unos 15m debido a la compresibilidad del aire. El medidor de membrana tiene una precisión de +-1%, puede trabajar a temperaturas hasta de 60ºC, es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento y no puede emplearse para servicio en líquidos corrosivos. En los líquidos que contienen sólidos en suspensión es necesario conectar una tubería de purga en la parte inferior del diafragma para permitir la limpieza periódica de la parte inferior del instrumento. Medidor de tipo burbujeo. Emplea un tubo sumergido en el líquido a través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido, es decir, al nivel. Fig Medidor de tipo burbujeo. Fuente: nderborger/docts%20docencia/seminario%20de%20aut/tr abajos/trabajos%202003/sem%20aut_nivel/trabajox.htm consultado 8 de agosto de 2012 El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido independientemente del nivel; si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el 44

52 inconveniente de un gasto de aire indebido. El método de burbujeo da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al líquido y para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Medidor de presión diferencial. Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma. En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser del montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con la paredes interiores del tanque tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo. La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de +-0.5% en los neumáticos, +-0.2% a +-0.3% en los electrónicos y de % en los inteligentes con señal de salida de 4-20mA c.c. y de +-0.1% en los que se emplean en los tanques abiertos y cerrados a presión y a vacío, no tienen partes móviles dentro del tanque, son de fácil limpieza, son precisos y confiables, admiten temperaturas del fluido hasta 120ºC y no son influidos por las fluctuaciones de presión. Sin embargo en tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión del instrumento; este inconveniente se elimina fácilmente con un resorte de supresión. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido. 45

53 1.4.3 Instrumentos basados en el desplazamiento. Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9º. El instrumento puede utilizarse también en la medida de interface entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad. En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y está totalmente sumergido. El instrumento sirve también para medir la densidad del líquido. En este caso, el flotador está totalmente sumergido. El campo de medida de densidades es bastante amplio, de 0.4 a 1.6. La precisión es del orden de +-0.5% a +-1% y el intervalo de medida puede variar de a mm c. de a. El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacio, tienen una buena sensibilidad pero presentan el inconveniente del riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto para la medida de pequeñas diferencias de nivel. Fig Instrumentos basados en el desplazamiento. Fuente: ario%20de%20aut/trabajos/trabajos%202005/nivel_liquido/pag4.htm consultado el 9 de agosto de

54 1.4.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido. El medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en uno o varios electrodos y un relé electrónico que es excitado cuando el líquido moja dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor. La impedancia mínima es del orden de los 20MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrolisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de 2mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. Una variante del aparato se utiliza en el control de nivel de vidrio en fusión: un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que esté entra en contacto con la superficie del vidrio fundido que a temperaturas de fusión es conductor. El circuito está proyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda parado y su posición marcada en un registrador; instantes después invierte su movimiento hasta romper el contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo. El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar la deterioración del producto. Por lo tanto, conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en caso necesario. El medidor de capacidad Mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las partes del tanque. La capacidad del conjunto depende en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. 47

55 En líquidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores con una conductividad mínima de 100μΩ/c.c. el electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona de líquido y del gas. El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que señalar que en los fluidos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta del líquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable. La precisión de los transductores de capacidad es de +-1%. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfaces. Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura en particular en el caso de los líquidos conductores. Sistema ultrasónico de medición de nivel Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20kHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del solido o del líquido. La precisión de estos instrumentos es de +-1 a 3%. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos 48

56 Sistema de medición por rayos gamma. Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida media varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 años y en el cesio 137 es de 33 años y en el Américo 241 es de 458. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega solo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a. el instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la perdida de actividad de la fuente de radiación, extremo a este último a tener en cuenta para conservar la misma precisión de la puesta en marcha. La precisión en la medida es de a +-2%, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema se emplea en caso de medidas de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y en donde los instrumentos de nivel convencional fallan, encuentran su aplicación los medidores laser (y también el de radiación). Tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno que es registrado en un fotodetector de alta resolución, y este tiempo es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido. Un microprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia superficie del metal en fusión, es decir, da la lectura del nivel. a la 49

57 1.5 SENSORES DE POSICION En este caso particular debemos decir que los sensores de posición suelen ser aquellos que nos indican en qué lugar estará un objeto antes de que el mismo se mueva. Los sensores de posición se basan simplemente en probabilidades y estadísticas de movimiento, las cuales generalmente suelen ser correctas la mayoría de las veces. Alguna de las clasificaciones de los sensores de posición son los siguientes: Analógicos: potenciómetros, resolver, sincro, LVDT, Inductosyn. Digitales: encoders (absolutos e incrementales) Potenciómetros Se usan para la determinación de desplazamientos lineales o angulares. Fig Sensores de posición lineal Fuente: consultado 27 de septiembre de

58 1.5.2 Encoders (Codificadores angulares de posición) Constan de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema de iluminación y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que el eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese las marcas, llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje. La resolución depende del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el disco se divide en un número de sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos con un código binario (código Gray), con zonas transparentes y opacas. Fig. 1.29Encoder incremental Fuente: consultado 27 de septiembre de Resolvers (Captadores angulares de posición) Constan de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, y dos bobinas fijas situadas a su alrededor. Fig Resolver transductor rotacional electromagnético Fuente: consultado 07/02/13 51

59 1.5.4 Sincros. La bobina que hace función de primario o rotor se encuentra solidaria al eje de giro. El secundario está formado por tres bobinas fijas colocadas alrededor del primario en forma de estrella y desfasadas entre sí 120º (estator). Al rotor se le aplica una señal senoidal y se genera en cada una de las bobinas fijas un voltaje inducido con un desfase entre ellos de 120º Sensores lineales de posición (LVDT). LVDT: transformador diferencial de variación lineal, que consta de un núcleo de material ferromagnético unido al eje, que se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios haciendo que varíe la inductancia entre ellos. Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir, el núcleo magnético es desplazado de manera que una de las bobinas secundarias no recubra totalmente el núcleo => la corriente inducida en un secundario será mayor que la inducida en el otro. De la diferencia de las tensiones medidas en los dos secundarios se obtiene el desplazamiento realizado por el núcleo. Fig Diagrama de un transformador diferencial de variación lineal (LVDT) Fuente: consultado 27 de septiembre de

60 OTRAS VARIABLES 1.6 SENSORES DE VELOCIDAD La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas: con tacómetros mecánicos y con tacómetros electrónicos. Los primeros detectan el número de vueltas del eje de la maquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo incorporar o no la medición conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto (rpm), mientras que los segundos captan la velocidad por sistemas electrónicos Tacómetros mecánicos El tacómetro mecánico más utilizados es el típico contador de revoluciones empleado para medir localmente la velocidad de rotaciones de toda clase de máquinas o dispositivos giratorios. Este contador consiste básicamente en un eje elástico terminado en punta que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elástico al girar mueve a través de un tren de engranajes dos diales calibrados concéntricos. Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que en el dial interior una división da una revolución del dial exterior; conocido el tiempo de trabajo del contador mediante un cronometro, es fácil calcular la velocidad media en r.p.m Tacómetro centrífugo Se basa en el volante centrífugo clásico empleado inicialmente en las calderas de vapor. Dos pesos rotativos articulados a un eje giratorio aumentando su radio de giro debido a la fuerza centrífuga y comprimen el resorte. 53

61 La medida de la compresión del resorte leída en una escala representa la velocidad de giro del eje. La velocidad limite que puede medir estos instrumentos es de más de r.p.m., con una precisión de +-1%. Estos aparatos pueden disponer de transmisión hidráulica o neumática. Fig Tacómetro centrifugo Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Tacómetros eléctricos Los tacómetros eléctricos emplean un transductor que produce una señal analógica o digital como conversión de la velocidad de giro del eje de la máquina. Existen varios tipos de tacómetros según los transductores Tacómetros de corrientes parasitas. En el que el eje de la maquina hace girar un imán dentro de una copa de aluminio. El giro del imán induce corrientes parasitas en el aluminio que crean un par resistente proporcional a la velocidad. Un resorte frena el cabezal de aluminio quedando este en una posición que se señala en un dial. De este modo funciona el tacómetro eléctrico empleado en el automóvil; en aviación la maquina hace girar el imán permanente a través de un gripo generador-motor síncronos, mientras que en las máquinas de ferrocarril se utiliza un rotor que produce un campo magnético giratorio. En otro sistema empleado en la industria el par resistente de cilindro de aluminio se aplica a un sistema neumático de equilibrio de fuerzas. El campo de medida es de rpm 54

62 Fig Tacómetro de corrientes parasitas Fuente: Instrumentación Industrial. Antonio Creus 5ed. alfaomega Tacómetro de corriente alterna Consiste en un estator bobinado multipolar en el que el rotor dotado de un imán permanente induce una corriente alterna. Un voltímetro señala la corriente inducida y por lo tanto el giro en rpm del eje de la máquina Tacómetro de corriente continua o dinamo tacométrica Consiste en un estator de imán permanente y un rotor con un entrehierro uniforme. La tensión continua recogida en las escobillas del rotor es proporcional a la velocidad en r.p.m. de la máquina. Esta tensión puede leerse en un voltímetro indicador o bien alimentar un instrumento potenciómetro a través de una resistencia divisora de tensión. La precisión en la medida alcanza % para velocidades que llegan hasta las 6000 r.p.m Tacómetro de frecuencia o frecuencímetro Mide la frecuencia de la señal de c.a. captada por transductores del tipo electromagnético, capacitivo y óptico que dan impulso cuyo número es proporcional a la velocidad de giro de la máquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a un contador electrónico basado en la medida de las revoluciones por unidad de tiempo. 55

63 Otro modelo de tacómetro de frecuencia mide ópticamente la velocidad. Dispone de un disco opaco perforado periféricamente y acoplado al eje cuya velocidad desea medirse. De una fuente de luz y de una fotocélula, esta genera una frecuencia dependiente de los impulsos luminosos que pasan a través del disco, es decir, en función de la velocidad Variadores de frecuencia Los variadores de frecuencia son convertidores de energía encargados de modular la energía que recibe el motor. Estos dispositivos que permiten variar la velocidad y la acopla de los motores eléctricos, sobre todo su frenado y para ahorrar energía, lo que repercute positivamente en Fig Variador de Frecuencia una mayor duración del motor, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables. El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho más eficientes y tienen precios cada vez más competitivos. El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. El modo de trabajo puede se manual o automático, según las necesidades del proceso, dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad, permitiendo hallar soluciones para obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos, pudiendo ser manejados por ordenador, PLC, señales digitales o de forma manual. La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor protecciones para el motor, tales como protecciones contra sobre intensidad, sobre temperatura, fallo contra desequilibrios, defectos a tierra, etc., además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones. 56

64 Como debe saberse, el uso de convertidores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. Además aportan los siguientes beneficios: Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto. Se puede programar un arranque suave, parada y freno (funciones de arrancador progresivo). Amplio rango de velocidad, par y potencia. (Velocidades continuas y discretas). Bucles de velocidad. Puede controlar varios motores. Factor de potencia unitario. Respuesta dinámica comparable con los drivers de DC. Capacidad de by-pass ante fallos del variador. Protección integrada del motor. Marcha paso a paso (comando JOG). Con respecto a la velocidad los convertidores suelen permitir dos tipos de control: Control manual de velocidad. La velocidad puede ser establecida o modificada manualmente (display de operador). Posibilidad de variación en el sentido de giro. Control automático de velocidad. Utilizando realimentación se puede ajustar la velocidad automáticamente. Esta solución es la ideal para su instalación en aplicaciones en las que la velocidad demandada varía de forma continua. Control V/f. Con este método la tensión de alimentación evoluciona proporcionalmente a la frecuencia. Cuando V/f es constante el motor funciona de forma aproximada con flujo constante en los regímenes permanentes. Este tipo de control es más fácil de llevar a la práctica en un convertidor y se suele emplear cuando los requisitos de regulación son de baja velocidad. La proporcionalidad V/f desaparece en las bajas frecuencias, además la característica de la curva de par depende también de la frecuencia del rotor y de su temperatura, por lo que el dispositivo de control del convertidor ha de incluir las correspondientes correcciones. En los convertidores con este tipo de control, una de las parametrizaciones más importante es la selección o ajuste de la curva V/f. Algunos convertidores traen varias curvas ya ajustadas en su programación. Para seleccionar la curva adecuada se debe tener en cuenta las 57

65 características de tensión y frecuencia del motor y la velocidad máxima a la que puede girar el rotor. Principio de funcionamiento Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación: RPM = (120 x f) / p Donde RPM = Revoluciones por minuto f = frecuencia de suministro AC (Hertz) p = Número de polos (adimensional) Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada resultarían en 3000RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente. Dependiendo de la ubicación funciona en 50Hz o 60Hz. CONCLUSIONES En este capítulo se abordó la clasificación de los sensores en función de la variable de proceso, haciendo énfasis en los sensores de fuerza, temperatura, nivel, posición y velocidad, esto con la finalidad de tener un conocimiento más amplio de los tipos de sensores aplicables a la instrumentación del tribómetro pin sobre disco, pudiendo así elegir el más idóneo para lo que nos compete. 58

66 Capítulo 2 SELECCIÓN DE SENSORES PARA LA INSTRUMENTACION DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO En el siguiente capítulo se muestra la selección de sensores para el tribómetro pin sobre disco, así como el acondicionamiento de señales necesarias para la comunicación con el PLC y el software, a través del diseño de una fuente de alimentación específica para los componentes electrónicos a trabajar INTRODUCCION 2.2 CONTROL DE TEMPERATURA LM35 SENSORES DE TEMPERATURA DE PRECISIÓN CENTÍGRADOS SENSOR INFRARROJO SIN CONTACTO PYROCOUPLE. 3 CONTROL DE FUERZA 3.1 CELDA DE CARGA JUNIOR S-BEAM 2.4 CONTROL DE POSICIÓN 2.5 CONTROL DE VELOCIDAD 2.6 FUENTE DE VOLTAJE Y LAS REGULACIONES DE VOLTAJE NECESARIAS PARA LOS MECANISMOS A CONTROLAR CONCLUCIONES

67 CAPITULO 2 SELECCIÓN DE SENSORES PARA LA INSTRUMENTACION DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO 2.1 INTRODUCCION El tribómetro pin sobre disco es uno entre los varios que existen para el estudio y la determinación de la fricción y el desgaste de los materiales. La norma ASTM G99-95 describe los parámetros de prueba, así como la selección de los mismos para desarrollar ésta, en una forma adecuada. Ciertos parámetros pueden variar, como es el tamaño de perno, carga, velocidad de giro, deslizamiento, temperatura del medio ambiente, tiempo o algún tipo de lubricación y las condiciones atmosféricas. Para la prueba de desgaste con este método se necesitan dos probetas. El primero es un pin cuyo tamaño es muy reducido, el cual es posicionado perpendicularmente a la otra pieza, la cual usualmente es un disco circular. Ver Figura 2.1. La máquina de pruebas causa que el pin o el disco giren entre sí; como consecuencia de ello, se forma un camino de desgaste en el disco. Fig. 2.1 Probetas Pin y Disco La probeta en forma de pin se presiona sobre el disco con una carga específica, y dicha probeta, se encuentra sujeta a un dispositivo posicionador con contrapesos. Los reportes de desgaste se realizan en términos de pérdida de volumen en milímetros cúbicos. La pérdida de masa por desgaste se puede convertir en pérdida de volumen mediante la utilización de adecuados valores de densidad. 60

68 En términos generales el equipo consiste en un posicionador de un pin cilíndrico sobre un disco, el cual gira por la acción de un motor a unas determinadas revoluciones por minuto (RPM). El pin se encuentra localizado a un radio R del centro del disco. Un motor con velocidad variable, capaz de mantener la velocidad seleccionada constante es requerido, además, debe estar montado de tal manera que las vibraciones no afecten las pruebas. Las velocidades de rotación pueden ser de 60 a 600 rpm, por lo cual, la máquina debe estar equipada con un contador de revoluciones. El desgaste es obtenido pesando el espécimen antes y después para obtener la pérdida de masa, ya sea del perno ó del disco, según sean los elementos que se estén caracterizando. Posteriormente, ésta se divide entre la densidad del material con el propósito de obtener el volumen perdido en mm 3. La balanza utilizada para medir la pérdida de masa en las probetas deberá tener una sensibilidad de por lo menos 0.1 mg. Dentro de la selección de un sensor, se deben considerar diferentes factores, tales como: la forma de la carcasa, distancia operativa, datos eléctricos y conexiones, entre otros, tomando en cuenta estos factores y los respectivos requerimientos mencionados en los párrafos anteriores a continuación se mostrara la selección de sensores para la instrumentación electrónica del tribómetro pin sobre disco. 61

69 2.2 CONTROL DE TEMPERATURA LM35 sensores de temperatura de precisión centígrados Fig. 2.2 Sensor de Temperatura LM35 La serielm35de circuitos integrados, es un sensor de precisión de temperatura, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a la temperatura (centígrados). El LM35 no requiere ninguna calibración externa o recorte para proporcionar una precisión típica de± 1/4 C a temperatura ambiente y ±3/4 C durante untotal-55 a 150 C Rango de temperatura. El LM35 de baja impedancia de salida, salida lineal y precisa calibración inherente hace la interfaz para la lectura o los circuitos de control especialmente fácil. Con lo que se puede utilizar con fuentes de alimentación individuales, o con más y suministros de menos. El LM35 es probado para funcionar en un rango de temperatura de -55 a +150 C. Características Calibrada directamente en grados Celsius (centígrados) Lineal +10,0mV / C el factor de escala 0,5 C exactitud (a +25 C) completa para la Calificación de -55 a +150 C Rango Apto para aplicaciones remotas de bajo costo. Opera de 4 a30voltios, menos de 60mAde corriente de drenaje. Bajo nivel de calefacción, 0,08 C en aire No linealidad sólo± 1/4 C típico de salida de baja impedancia, 0,1 W de carga de 1 ma Acondicionamiento de señal LM35 de 0 10mV a 0-20mA 62

70 V0 = 1 + R2 R1 1 + R2 R1 = 5 R = V I = 5V 20mA R = 250Ω Vi R = R1 100 Fig. 2.3 Acondicionamiento de señal sensor LM35 El sensor antes mencionado solo se utilizó para probar la conexión y funcionalidad de las entradas analógicas del PLC FC660 y el acondicionamiento de señal, probando a si la programación que se realizara con los otros sensores tales como el sensor de no contacto infrarrojo y variador de frecuencia, pero no será parte de la instrumentación electrónica del tribómetro Pin sobre Disco mediante el PLC FESTO FC

71 2.2.2 Sensor infrarrojo sin contacto Pyrocouple. Fig. 2.4 Sensor infrarrojo sin contacto Pyrocouple Los sensores infrarrojos sin contacto Pyrocouple miden temperaturas desde - 20 a 500 c y dispone de una salida de 4-20mA. Este rango de señales es compatible con la mayoría de indicadores, controladores, registradores, etc., sin necesidad de una interconexión especial o acondicionamiento de señal. Los sensores PyroCouple de dos hilos transmiten la temperatura objetivo como una salida de 4-20mA y suponen una solución simple para la mayoría de las aplicaciones de medición de temperatura sin contacto. Los sensores PyroCouple de cuatro hilos transmiten la temperatura objetivo como una salida de 0-50mV o como salida de termopar (tipo J, K o T) más la temperatura interna del sensor como una salida de 4-20mA. Esta segunda salida se puede utilizar para garantizar que el sensor se está utilizando dentro de los límites adecuados de temperatura ambiental y se evitan posibles daños por recalentamiento o subenfriamiento. También se pueden utilizar para proporcionar una indicación aproximada de la temperatura del aire que rodea al sensor. Temperatura ambiente El señor está diseñado para funcionar en temperaturas ambientes desde 0 C hasta 70 C. Calidad atmosférica Los humos o el polvo pueden contaminar la lente y causar errores en la medición de la temperatura. Interferencias eléctricas Para reducir al mínimo la interferencia electromagnética o el ruido, el sensor debe ser instalado alejado de motores, generadores o similares. Suministro eléctrico Suministro eléctrico de 24Vcc, (25mA) 64

72 Este sensor se encargara de la medición de la temperatura crítica de contacto entre la probeta pin y la probeta disco, la cual se registrara al final de la prueba. Alimentación Señal GND Fig. 2.5 Conexión del sensor pyrocouple con el PLC mediante protoboard 2.3 CONTROL DE FUERZA Celda de carga junior s-beam Tomando de referencia la ubicación en la cual se necesita medir la fuerza en el tribómetro pin sobre disco se localizó la celda de carga junior S-Beam que es adecuada para la medición de tensión y compresión. Ideal para aplicaciones donde se limita el espacio disponible, como es nuestro caso. El control de la fuerza será de manera manual mediante un indicador inteligente del cual a continuación se muestran sus características. 65

73 AFTI Indicador "Inteligente" Reconoce cualquier transductor de la marca Mecmesin, ya sea de torque o fuerza. Características: Medición de tensión, compresión, torque Salida de datos RS232, analógica Conversión de unidades en los valores observados Alarma de sobrecarga con barra de tendencia Memoria on-board para 100 lecturas Tasa interna de muestreo 5000Hz Captura de 1º y último pico Alarma Pass/Fail Accionamiento externo 500N L= 17mm W=7mm H=19mm Fig. 2.6 Dimensiones de la celda de carga Junior S-Beam Fig. 2.7 Celda de carga Junior S-Beam con indicador inteligente Mecmesin 66

74 2.4 CONTROL DE POSICIÓN El control de la posición será por medio de dos reveladores magnéticos, estos funcionaran mediante un imán que se encontrara sujeto en la parte móvil inferior de la base que sostiene al cilindro principal, estos relevadores magnéticos estarán ubicados al inicio y final de carrera respectivamente, siendo el final de carrera el punto en el cual se encontrara la probeta disco a la cual se le realizara la prueba de desgaste y el inicio de carrera el punto en el cual se tendrá el espacio suficiente para cambiar la probeta pin y la probeta Disco. Teniendo en cuenta la ubicación de estos sensores se puede tener la posibilidad de la realización de multipruebas en una sola probeta. Fig. 2.8 Relevador Magnético Fig. 2.9 Imán para la activación del Relevador magnético Fig sistema de control de movimiento Así mismo se contara con dos relevadores los cuales serán los encargados de indicar el inicio y fin de carrera en el sistema hidráulico, uno de ellos solo será un sensor auxiliar de emergencia para mantenerlo en condiciones idóneas y no presente fallas es sistema hidráulico. Fig Sensor Sistema Hidráulico 67

75 2.5 CONTROL DE VELOCIDAD Convertidores de frecuencia CFW-10 WEG La línea de Convertidores de Frecuencia CFW-10 está diseñada para el control y para la variación de velocidad de motores eléctricos de inducción trifásicos. Los CFW-10 incorporan alta tecnología y se destacan por su pequeño tamaño y gran facilidad de programación. Asimismo, los CFW-10 son compactos, simples de instalar y de operar a través de su interfaz hombre máquina (HMI) local incorporada como estándar. Beneficios Control V/F Grado de Protección IP20 Monofásico tensión de entrada Vca hasta 0.75kw / 1 HP Monofásico tensión de entrada Vca hasta 2.2kw / 3 HP Trifásico - tensión de entrada Vca hasta 4kW / 5 HP 150% de capacidad de sobrecarga de corriente Control DSP salida PWM Frecuencia de conmutación ajustable Hz 4 entradas digitales programables aisladas Salida a relé programable Una entrada analógica programable aislada Protecciones del Motor y del VSD: Sobrecorriente, sobrecarga del motor, sobretemperatura del convertidor, cortocircuito en la salida, sobretensión y subtensión del conductor CC y fallo externo. Características de control: aceleración y desaceleración de rampa lineal y S, control local/remoto, frenado CC, aceleración de par, compensación de deslizamiento del motor, velocidades pre ajustables, límites de frecuencia ajustables máximos y mínimos, límite de corriente de salida ajustable, JOG. Lecturas en el display: velocidad del motor, frecuencia, tensión, corriente, último fallo, temperatura del disipador y estado del convertidor. Condiciones Ambientales: 50oC (122oF), 1000m (3300ft) y 90% de humedad sin condensación. 68

76 Fig Variadores de frecuencia WEG Tabla 2.1 Referencia rápida de parámetros variador de frecuencia WEG CFW10 Fuente: Manual variador de frecuencia CW10 La conexión entre PLC y variador de frecuencia se puede hacer directa sin necesidad de acondicionar la señal puesto que tiene opción para modo remoto, de esta manera se podrá controlar la velocidad del experimento con solo ingresar en el programa el valor al cual se quiere trabajar. Descripción dos terminales de conexión de la potencia: L/L1, N/L2, L3: Red de alimentación CA. U, V y W: Conexión para el motor. 69

77 PE: Conexión para tierra. Conector DI4 (4) Relevador. Conectores GND (5 y 7)- tierra. Conector AI1 (6)- PLC Fig Variador de frecuencia CW10 con conexión a PLC por modo remoto 70

78 2.6 FUENTE DE VOLTAJE Y LAS REGULACIONES DE VOLTAJE NECESARIAS PARA LOS MECANISMOS A CONTROLAR Tabla 2.2 Consumos de corriente directa de los aparatos a utilizar Sensor de temperatura infrarrojo Motores Variador de Frecuencia PLC Voltajes 24v 12v 110V 24v Dados los requerimientos de voltaje de los instrumentos a utilizar, se tuvo la necesidad de buscar una fuente con estas características, dado que no fue posible localizarla, se creó una fuente de alimentación, que contiene los voltajes de 12 vcd y 24 vcd indispensables para el funcionamiento de los dispositivos a utilizar en el tribómetro pin sobre disco a continuación se muestra el circuito así como el listado de componentes de dicha fuente. El siguiente circuito de alimentación básico, es muy popular, y se encuentra presente en muchos equipos electrónicos. Con este circuito, modificando solo algunos componentes podremos armar fuentes de alimentación de 5v, 6v, 8v, 9v, 12v, 15v y 1A. El circuito en cuestión es el siguiente: Fig Diagrama Fuente de Voltaje Fuente: consultado 2 de octubre de

79 Ahora bien, para lograr las diferentes tensiones de salida que debemos utilizar los componentes se indican en la siguiente lista: Tensión de salida U1 C3 C4 5v LM uF - 16v 1000uF - 16v 8v LM uF - 16v 1000uF - 25v 9v LM uF - 16v 2200uF - 25v 12v LM uF - 25v 2200uF - 35v 15v LM uF - 25v 2200uF - 35v 24v LM uF - 35v 2200uF - 40v U1 es un regulador de tensión monolítico integrado LM78xx en un encapsulado TO-220, donde los dos últimos dígitos indican la tensión de salida, por ejemplo, LM7805 es de 5v. Es necesario el uso de un disipador en el integrado U1 si se pretende consumir 1A. Debido a estos requerimientos fue que se decide diseñar y construir una fuente de alimentación específica para este proyecto. A continuación se refieren los componentes utilizados para su fabricación. LISTA DE COMPONENENTES Transformador 24vca Capacitores de 1000μf - 10μf Circuito integrado Para etapa de potencia de la fuente de 12v Resistencia de.49ω a 5w Transistor 2n3055 Fig Fuente de Voltaje de 24 y 12 VCD 72

80 CONCLUSIONES Se seleccionaron los sensores a utilizar en la instrumentación del tribómetro pin sobre disco, probando su funcionalidad y se diseño y construyo una de fuente de voltaje para la alimentación de los instrumentos de control puesto que no fue localizada comercialmente. 73

81 Capítulo 3 AUTOMATIZACIÓN MEDIANTE EL PLC FEC FC 660 En este capítulo se hace referencia a la automatización industrial, con una breve semblanza de la historia de los PLC así como sus funciones básicas, dando una explicación del funcionamiento del tribómetro y el programa con el cual se realizara la comunicación entre el PLC y el tribómetro. 3.1 INTRODUCCIÓN 3.2 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) 3.3 FUNCIONES LÓGICAS AND (Y) o producto lógico OR (O) o suma lógica NOT (INVERSOR) o complemento lógico NOR (NO-O) FUNCIONES ADICIONALES 3.4 AUTOMATIZACIÓN DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO. 3.5 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN EN UN PLC 3.6 ENTRADAS Y SALIDAS DEL PROGRAMA PRUEBA DE DESGASTE 3.7 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PRUEBA DE DESGASTE CONCLUSIÓN 74

82 CAPITULO 3 AUTOMATIZACIÓN MEDIANTE EL PLC FEC FC INTRODUCCIÓN Hace unos 10,000 años, el hombre experimento un cambio revolucionario: la paulatina transición del recolector pescador y cazador nómada, al primitivo agricultor y ganadero sedentario. Entonces comenzó la evolución de la artesanía y el comercio, así como los principios del arte de la construcción y de la técnica de las primeras culturas de Mesopotamia. Esto propicio el desarrollo de operaciones como medir y calcular. La invención de las herramientas contribuyo a aliviar el trabajo humano. Esto llevo a la producción de mercancías y de servicios, que a su vez condujo al desarrollo de máquinas operadoras y motrices, así como desarrollar las capacidades de medir, controlar, regular y calcular fenómenos naturales y artificiales, a todo lo cual se denominó mecanización. En la antigüedad se crearon muchos artefactos basados en movimientos mecánicos, que abarcaban desde relojes de agua y puertas de templos que se abrían por si solas hasta pájaros que cantaban, utilizando elementos funcionales y sencillos ruedas, palancas, mandos por cable, engranes, flotadores y válvulas accionadas por fuentes naturales (corriente de agua, la fuerza del viento, la fuerza de animales). Pero en su mayoría fueron de carácter lúdico, destinados únicamente a transmitir el encanto de lo mágico y lo asombroso a una técnica llena de trucos. En la edad media el fin cambio: ahora se trataba de aprovechar al máximo la mecanización en actividades productivas y de transformación que permitieran el crecimiento económico; esta mecanización comenzó con grandes fusiones, lo que ocasiono un giro en su actuar. 75

83 Con el transcurso del tiempo y la acumulación de la experiencia, se desencadeno el movimiento de la industrialización, que junto con las necesidades económicas de una población en crecimiento produjo los primeros avances técnicos. Esto se dio sobre todo en la industrial textil con la invención de la máquina de vapor. Continuamente se fueron aplicando nuevas máquinas motrices y empleando nuevas materias primas, como el hierro y carbón. La experiencia continúo acumulándose en todos los campos (fabricación, medición, control, regulación, cálculo, administración), beneficiando los intereses de las naciones. Gracias a su creciente organización la producción industrial se convirtió en el medio para la acumulación del capital y por lo tanto en el sustento principal de crecimiento. Con la división del trabajo industrial y la aparición de la cadena de montaje en la fabricación de piezas en serie, la producción industrial comenzó una nueva etapa de transición, de la mecanización a la automatización. Esta fue llamada así por primera vez en 1960 por FORD motor, para describir la manipulación de materiales y partes entre las operaciones del proceso en forma independiente o automática. automático, que significa en griego por sí solo. En el ámbito industrial la automatización se define como: el diseño de todo sistema capaz de llevar a cabo tareas repetitivas realizadas por el hombre, y que mediante acciones sincronizadas, verifique y controle diferentes operaciones en su actuar, asistido todo por un sistema programable Es liberar al hombre de manipulaciones repetidas que requieren poco o ningún esfuerzo mental y de responsabilidades. Para la utilización correcta de elementos ya sean electrónicos, neumáticos o hidráulicos en la automatización industrial, es necesario, conocer la estructura y el funcionamiento de los equipos. Al mismo tiempo aprender normas, definiciones de conceptos y ser capaz de proyectar y montar sencillos automatismos y los mandos básicos. (Coriat, 1982) 76

84 3.2 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) Un PLC (programable Logic Control) es una computadora diseñada específicamente para trabajar en un ambiente industrial, e involucra tanto hardware como software para desempeñar diversas tareas de control. Hoy en día, los PLC no solo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, si no también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, etc. Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control de distribución. 3.3 FUNCIONES LÓGICAS Una función lógica expresa una relación entre una o más entradas de variables lógicas. Dichas funciones se representan convenientemente mediante tablas de verdad, aunque también se utilizan expresiones algebraicas. Las funciones lógicas más comunes tienen un nombre propio. Cada función tiene un símbolo distintivo, con una o más entradas, designadas en este caso por A y B, y una salida. Tanto las entradas como las salidas son variables lógicas, por lo que su valor o estado lógico será 0 ó AND (Y) o producto lógico. La función AND (Y) es 1 si la entrada A es 1 y la entrada B es 1.El símbolo de operación algebraica para la función AND es el mismo que el símbolo de multiplicación de la aritmética tradicional (podemos usar un punto entre las variables o no colocar ningún símbolo entre ellas). La función AND puede tener más de dos entradas, y la salida es 1 si y solo si todas las entradas son 1. 77

85 Fig. 3.1 Función Lógica AND Fuente: consultado en 5 de noviembre de OR (O) o suma lógica. La función OR (O) (también llamada OR inclusive) es 1 si la entrada A es 1 o la entrada B es 1 o ambas son 1.El símbolo de operación algebraica para la función OR es el mismo que el símbolo de suma de la aritmética tradicional (+). La función OR puede tener más de dos entradas, y la salida es 1 si al menos una entrada es 1. Fig. 3.2 Función Lógica OR Fuente: consultado en 5 de noviembre de

86 3.3.3 NOT (INVERSOR) o complemento lógico. La función NOT (NO) invierte la variable de entrada, es decir, cambia ceros por unos y unos por ceros. Esta operación también se conoce como negación o complemento lógico. El símbolo algebraico que se utiliza para la operación NOT es una barra sobre la variable. Debe mencionarse que en general, un círculo indica inversión, esté o no acompañado de un triángulo en el símbolo gráfico. Fig. 3.3 Función Lógica NOT Fuente: consultado en 5 de noviembre de 2012 Estas tres operaciones lógicas cons tituyen las operaciones lógicas básicas mediante las cuales pueden realizarse las demás. Las restantes son una combinación de las operaciones AND, OR y NOT. NAND (NO-Y) La función NAND (NO-Y) es 0 si la entrada A es 1 y la entrada B es 1. La función NAND es el complemento de la función AND. El símbolo gráfico de la función NAND consiste en el símbolo de la función AND, seguido de un círculo, que denota inversión o complemento lógico. 79 Fig. 3.4 Función Lógica NAND Fuente: consultado en 5 de noviembre de 2012

87 3.3.4 NOR (NO-O). La función NOR (NO-O) es 0 si la entrada A es 1 o la entrada B es 1 o ambas son 1. La función NOR es el complemento de la función OR. El símbolo gráfico de la función NOR consiste en el símbolo de la función OR, seguido de un círculo. Fig. 3.5 Función Lógica NOR Fuente: consultado en 5 de noviembre de 2012 Tabla 3.1 Funciones lógicas Tabla 3.2 Funciones lógicas Fuente: tesina proyecto de actualización del PLC y la HMI de una maquina llenadora de botellas con productos cosméticos IPN escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad Culhuacán 80

88 3.3.5 FUNCIONES ADICIONALES Operandos monobit y multibit Un operando monobit es aquel que solo puede tomar dos estados diferentes, por lo que para representar su estado basta con utilizar una sola celda binaria, en donde pueda almacenarse el número cero o el número uno. Por lo general cuando a un operando monobit se le asigna un cero significa que el operando está apagado o desactivado; en cambio cuando se le asigna un uno significa que el operando está encendido o activado. Una salida digital de un PLC es un operando monobit por que únicamente puede tomar el estado de apagado o el estado de encendido. Una entrada digital de un PLC es un operando monobit por que la entrada únicamente puede tomar el estado de activado ó el estado de desactivado. Un operando multibit es aquel que para representar su estado se necesita más de una celda binaria, debido a que el tipo de información que contiene requiere de más de un bit para ser representada. Los registros y los Flagwords son ejemplos de operandos multibit. Registros Un registro consiste en un grupo de celdas binarias destinado a almacenar información, pueden ser de uso específico ó de uso general, los tamaños comunes son 8, 16 y 32 bits. Los registros generalmente se manipulan como un grupo de bits y no como bits individuales. Fig. 3.6 Representación de dos registros, uno de 8 bits y otro de 16 bits Fuente: tesina proyecto de actualización del PLC y la HMI de una maquina llenadora de botellas con productos cosméticos IPN escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad Culhuacán 81

89 Flags (Banderas ó marcas) Una bandera es una celda binaria utilizada generalmente para memorizar que ha sucedido un evento, o para indicar el estado de cierta condición. Las banderas se organizan en grupos llamados Flagwords, cuyos tamaños más frecuentes son 8, 16 y 32 bits. Las celdas binarias (banderas) de un flag Word se manipulan generalmente en forma individual, pero también se pueden manipular como grupo. Fig. 3.7 Representación de una flag y un flag Word Fuente: tesina proyecto de actualización del PLC y la HMI de una maquina llenadora de botellas con productos cosméticos IPN escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica unidad Culhuacán Temporizadores. Un temporizador (Timer) es un dispositivo electrónico utilizado para proveer señales de base de tiempo o para generar señales de acción retardada variable. Un temporizador digital consiste generalmente de un contador decreciente en donde cada decremento en uno del preset del contador, será realizado a una frecuencia continua conocida (veces por segundo) y llegar a cero se activa un relevador interno o una salida Contadores. Los contadores usados en un PLC tienen la misma función de un contador mecánico. Los contadores comparan un valor acumulado y un valor preestablecido para la función de circuito de control. Los contadores pueden ser utilizados para iniciar una operación cuando se alcanza la cuenta. 82

90 3.4 AUTOMATIZACIÓN DEL TRIBÓMETRO PIN SOBRE DISCO. Dados los avances tecnológicos y los requerimientos de la vida misma así como la practicidad se decidió automatizar el tribómetro pin sobre Disco con la finalidad de que las pruebas de desgaste sean más profesionales y confiables, teniendo un dispositivo que sea competitivo a nivel laboral. El tribómetro pin sobre disco cuenta con dos motores de corriente directa los cuales son los encargados del movimiento tanto horizontal como vertical de este tribómetro, el movimiento horizontal se realiza mediante unas correderas con un tornillo sin fin y con estas se puede determinar la posición de la punta de desgaste, y el movimiento vertical para la aplicación de carga que es mediante un sistema hidráulico. Para el movimiento del tribómetro pin sobre disco se utilizaron 4 relevadores de 24v/12v, estos recibirán por medio del PLC una señal igual a un 1 lógico de 24v generando una salida con un voltaje de 12 v, voltaje requerido para el funcionamiento de los motores encargados de posicionar y aplicar la carga en el tribómetro pin sobre disco 83

91 Para la automatización de este tribómetro se eligió el PLC de la marca FESTO modelo FC660 Fig. 3.8 PLC FESTO FEC-FC660-FST Fuente: Catalogo de controladores FESTO estándar. 3.5 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN EN UN PLC Un lenguaje de programación es un idioma artificial diseñado para expresar procesos que pueden ser llevadas a cabo por máquinas como las computadoras. Pueden usarse para crear programas que controlen el comportamiento físico y lógico de una máquina, para expresar algoritmos con precisión, o como modo de comunicación humana. (Mark, 2010) 84

92 Los controladores lógicos programables pueden ser programador por: Diagrama Escalera ( LadderDiagram o Kontaktplan) LDR ó KOP Lista de instrucciones (Statement List ó Anwesungsliste) STL ó AWL Diagrama de funciones (Function Chart ó Funktionplan) FCH ó FUP El lenguaje de programación a utilizar en este proyecto es el diagrama escalera el cual se describe un poco más a fondo a continuación. DIAGRAMA ESCALERA El diagrama de escalera fue uno de los primeros lenguajes utilizados para programar PLC s debido a su similitud con los diagramas de relés que los técnicos ya conocían. Este lenguaje permite representar gráficamente el circuito de control de un proceso, con ayuda de símbolos de contactos normalmente cerrados (N.C.) y normalmente abiertos (N.A.), relés, temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, etc. Cada uno de estos símbolos representa una variable lógica cuyo estado puede ser verdadero o falso. En el diagrama de escalera, la fuente de energía se representa por dos "rieles" verticales, y las conexiones horizontales que unen a los dos rieles, representan los circuitos de control. El programa se ejecuta de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha. Simbología básica Contacto normalmente abierto Contacto normalmente cerrado Bobina (generalmente aunque puede ser cualquier otra salida en nuestro sistema) 85

93 Bobina Set (activada) Bobina Reset (apagada) 3.6 ENTRADAS Y SALIDAS DEL PROGRAMA PRUEBA DE DESGASTE Entradas digitales conectadas al PLC Para la programación y conexión se utilizaron los conectores I3.XX e I2.XX pues son las más cercanas a las conexiones de consiguiendo así un ahorro en el consumo de cable. El PLC tiene conectados 6 botones y 4 sensores de posición. La función de cada uno de estos se describe a continuación: Botón de arranque: inicia el ciclo automático siempre y cuando no esté accionado el botón de paro de emergencia. El botón es tipo pulsador normalmente abierto. Botón de paro de ciclo: Al presionarlo cuando la maquina está en modo automático, detiene la prueba, haciendo regresar todos los componentes a condiciones iníciales. El botón es tipo normalmente cerrado y con enclavamiento mecánico. Botón de paro de emergencia: Al presionarlo genera que los componentes se detengan en una posición estática. El botón es tipo normalmente cerrado y con enclavamiento mecánico. Botón aplicación de carga: Este botón es el encargado de mover el motor del sistema hidráulico con la finalidad de aplicar la carga que deseamos. Botón eliminación de carga: Al presionarlo genera que el motor del sistema hidráulico regrese para eliminar el exceso de carga que se haya podido aplicar. Botón carga aplicada: Al presionarlo genera una aceptación de la carga aplicada, continuando así con el programa. 86

94 SA0: Sensor de inicio de carrera horizontal del tribómetro, se encuentra localizado en una zona alejada de la prueba con la finalidad de poder realizar los cambios necesarios para colocación de probetas. SA1: Sensor de final de carrera horizontal del tribómetro, está localizado en la zona donde está localizada la probeta a desgastar. SB0: Sensor de inicio de carrera vertical, en la cual indicara que no se está ejerciendo fuerza alguna. SB1: Sensor de seguridad de final de carrera vertical, pues al detectarse la presión si por algún motivo no se detiene el sistema hidráulico este sensor hará que no sufra daño alguno el tribómetro deteniendo el motor encargado de generar este movimiento, evitando con ello que se sufra algún daño el tribómetro. Salidas digitales conectadas al PLC. El PLC controla 8 salidas digitales, las cuales se mencionaran a continuación. RELE1: Relevador activador de un motor de 12vcd encargado de generar un movimiento horizontal el cual llevara la punta de desgaste hasta la zona de la prueba. RELE2: Relevador activador de un segundo motor de 12vcd encargado de generar un movimiento vertical con el cual se ejercerá la fuerza deseada para la prueba. RELE3: Relevador activador de un segundo motor de 12vcd encargado de generar un movimiento vertical, con el cual se puede regresar el pistón si por alguna razón la fuerza aplicada es más de la planeada RELE4: Relevador activador del primero motor encargado de generar un movimiento horizontal el cual llevara la punta de desgaste de la zona de prueba a la posición inicial. REL3: Relevador activador del segundo motor para generar un movimiento vertical regresando el pistón del sistema hidráulico a su posición inicial. Led Fuerza: foco indicador, el cual se encenderá para poder tener conocimiento de que la entrada analógica de Presión está siendo utilizada. Led Temperatura: foco indicador, el cual se encenderá como indicador para poder tener conocimiento de que la entrada analógica de temperatura está siendo utilizada. 87

95 Led RPM: foco indicador, el cual se encenderá como indicador para poder tener conocimiento de que la entrada analógica de velocidad está siendo utilizada. Entradas Analógicas conectadas al PLC El PLC controla 1 entrada analógica. Sensor de temperatura infrarrojo: Tomara una lectura de temperatura al finalizar la prueba. Salidas Analógicas conectadas al PLC El PLC controla 1 salida analógica. Variador de frecuencia: utilizado para la programación de las revoluciones por minuto que se tendrán en cada una de las pruebas experimentales con una relación que podemos observar en el Anexo DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PRUEBA DE DESGASTE Cuando se presione el botón de INICIO, activara una bandera la cual generara una señal que funcionará si se han detectado las condiciones iníciales de nuestra prueba,, solo así se generara la señal del RELE1 que generara la activación del MOTOR1 (motor que moverá la punta de desgaste hasta la probeta de manera horizontal), cuando la punta de desgaste se haya trasladado hasta el punto indicado donde se encontrara la probeta, detectara SA1 (switch de final de carrera) esto generara que nuestro RELE1 se apague deteniendo el MOTOR1. A continuación se procederá a presionar el BOTON1 encargado de mover el MOTOR2 (motor del sistema Hidráulico) haciendo que la punta de desgaste incida en la probeta disco este botón se presionara hasta que en el indicador inteligente marque la presión que deseamos en ese momento presionaremos el BOTON3 con este botón aceptaremos la presión que acabamos de ingresar, si por alguna razón se llegara a aplicar más carga de la deseada se cuenta con el BOTON2 encargado de elevar la punta de desgaste. Cuando se confirme la presión se activara el variador de frecuencia el cual es el encargado de controlar las revoluciones del experimento, antes de iniciar nuestro programa colocaremos el valor al cual queremos que el motor gire, así mismo el tiempo en el cual se llevara a cabo la prueba. 88

96 Cuando el temporizador finalice su función se activara el sensor infrarrojo de temperatura que guardara en un registro la temperatura crítica de la prueba y se activara el REL3 encargado de mover el MOTOR2 que subirá la punta de desgaste generando así una presión de 0N detectando a SBO. Cuando se detecte SA1 y SB0, activaran a el RELE4 activando el MOTOR1 generando con esto que se regrese a las condiciones iníciales. El tribómetro contara con botón de STOP y PARO DE EMERGENCIA, el primero activara a un programa secundario el cual regresara todo a condiciones iníciales, mientras que el PARO DE EMERGENCIA detendrá la prueba hasta que se vuelva a detectar el botón de inicio. Véase anexo 7y 8 para el programa prueba de desgaste y su respectiva lista de instrucciones Conexión Física PLC Fig. 3.9 PLC FESTO FC660 y circuitos necesaria 89

97 CONCLUSIONES Se diseñaron circuitos en placas de cobre encargados de la comunicación entre tribómetro y PLC para generar una programación más estructurada concluyendo con esto la automatización e instrumentación electrónica del tribómetro pin sobre disco por medio del PLC FC660 FESTO. 90

98 Capítulo 4 CALIBRACION Y PUESTA EN MARCHA DEL TRIBOMETRO PIN DOBRE DISCO En el siguiente capítulo se procederá a realizar la puesta en marcha de tribómetro pin sobre disco, explicando a grandes rasgos la importancia de la tribología así como ensayos Tribológicos a realizar en este equipo de laboratorio. 4.1 LA IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA EN LA VIDA COTIDIANA 4.2 FRICCIÓN 4.3 DESGASTE 4.4 TRIBOSISTEMAS 4.5 TRIBOMETROS 4.6 PREPARACION DE LAS MUESTRAS. 4.7 PRUEBAS TRIBOLÓGICAS CONCLUSIONES GENERALES 91

99 Capítulo 4 CALIBRACION Y PUESTA EN MARCHA DEL TRIBOMETRO PIN DOBRE DISCO 4.1 LA IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA EN LA VIDA COTIDIANA En sí, la Tribología podría parecer algo nuevo, pero solamente el término como tal lo es, ya que el interés en temas relacionados con la disciplina existe desde antes de que la historia se escribiera. Como un ejemplo, se sabe que las brocas realizadas durante el periodo Paleolítico para perforar agujeros o para producir fuego, eran fijados con rodamientos hechos de cornamentas o huesos. Los documentos históricos muestran el uso de la rueda desde el 3500 a.c., lo cual ilustra el interés de nuestros antepasados por reducir la fricción en movimientos de traslación. Los egipcios tenían el conocimiento de la fricción y los lubricantes, esto se ve en el transporte de grandes bloques de piedra para la construcción de monumentos. Para realizar esta tarea utilizaban agua o grasa animal como lubricante. El artista-científico renacentista Leonardo Da Vinci fue el primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da Vinci dedujo la leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana, también, fue el primero en introducir el concepto del coeficiente de fricción. Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados hasta cientos de años después de sus descubrimientos. Fue en 1699 que el físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas. Muchos otros descubrimientos ocurrieron a lo largo de la historia referente al tema, científicos como Charles Agustín de Coulomb, Robert Hooke, Isaac Newton, entre otros, aportaron conocimientos importantes para el desarrollo de esta ciencia. Al surgir la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico de la maquinaria para producción avanzó rápidamente. El uso de la potencia del vapor permitió nuevas técnicas de manufactura. En los inicios del siglo veinte, 92

100 desde el enorme crecimiento industrial hasta la demanda de una mejor tribología, el conocimiento de todas las áreas de la tribología se expandió rápidamente. El concepto de tribología fue usado por primera vez en un informe elaborado por la Comisión del Ministerio de Educación y Ciencia de la Gran Bretaña el 9 de marzo de 1966, esta fecha se reconoce como la del nacimiento de la tribología como una nueva disciplina científica. Ya en este informe se señalaba con gran justeza el carácter multidisciplinario de esta ciencia, en la que entre otras, participaban la física, la química, la metalurgia, la economía, la ciencia de materiales, la matemática y la computación. Después de este acto, la tribología comenzó a reconocerse como fuente de un gran potencial para economizar recursos financieros, materias primas y materiales energéticos. De aquí su enorme importancia y el que se recomendara, haciéndose efectiva por muchos países la estimulación de la investigaciones en la fricción, la lubricación y el desgaste. La vida diaria se encuentra íntimamente vinculada con aspectos del desarrollo científico y tecnológico. Cada invento y desarrollo practico hecho por el hombre, se traduce siempre en bienes que proporcionan mejor calidad de vida en casi todos los ámbitos. Todo lo que el hombre fabrica, inexorablemente está sujeto a los fenómenos de fricción y desgaste. Las maquinas y los mecanismos que las constituyen, suelen presentar fallas debidas al desgaste, mediante manifestaciones diferentes, dependiendo de las condiciones que prevalecen en su funcionamiento. Con el uso de los lubricantes se puede disminuir, pero no es suficiente para evitar daños. Cualquier tipo de máquina, que la ingeniería desarrolla, involucra sofisticadas partes que al funcionar, estas no se encuentran exentas de sufrir daños. Todos los equipos de uso diario, maquinaria y mecanismos de procesos presentan fallas de aspecto tribológico, asociados con partes que interactúan y se encuentran en movimiento como son: engranes, rodamientos, sellos, frenos, entre otros elementos, teniendo como consecuencia directa una disminución en la productividad, por los tiempos muertos en horas hombre y horas maquina y en general esto se traduce en pérdidas económicas por remplazo de refacciones así como por tiempo perdido. (Dowson, 1998) 93

101 4.1.1 Aplicaciones. La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son: Rodamientos, frenos y embragues, sellos, anillos de pistones, engranes y Levas. Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos, aunque en la práctica no se nombren como tales, son: motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento), turbinas, extrusión, rolado, fundición, forja, procesos de corte (herramientas y fluidos), elementos de almacenamiento magnético, prótesis articulares (cuerpo humano). La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en: ahorro de materias primas, aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría Ahorro de recursos naturales Ahorro de energía Protección al medio ambiente Ahorro económico La tribología es crucial para la maquinaría moderna que utiliza superficies rodantes y/o deslizantes. De acuerdo a algunos estimados, las pérdidas resultantes de la ignorancia en tribología en los Estados Unidos representan aproximadamente el 6% del total del producto bruto ($200 billones de dólares por año en 1966), y aproximadamente un tercio de los recursos energéticos existentes se pierden en forma de fricción. Por esto, la importancia de la reducción de la fricción y el desgaste para un ahorro de dinero y una confiabilidad a largo plazo de la maquinaria. La Tribología como ciencia estudia el desgaste por fricción y sus efectos asociados, toma en cuenta entre otros aspectos de la maquinaria industrial: el diseño, los materiales de las superficies en contacto, el sistema de aplicación de la lubricación, lubricante, el medio circundante y en general las condiciones operativas. Dos temáticas importantes en esta ciencia es la Fricción y el Desgaste estos se describirán a continuación: 94

102 4.2 FRICCIÓN Cuando dos cuerpos entran en contacto y movimiento relativo, lo cuerpos se tocan solo en partes aisladas, es decir, solo en algunos puntos de contacto denominados área real de contacto. Si sobre estos puntos se aplica una fuerza normal, esta es la responsable de la generación de la fricción. La fricción, se explica como la pérdida gradual de energía cinética en diversas situaciones, en donde los cuerpos o sustancias se desplazan relativamente el uno con respecto al otro. En consecuencia, la fricción se puede definir como la resistencia al movimiento de un cuerpo, que se desliza tangencialmente, sobre otro con el que se encuentra en contacto. Se describe en términos de un coeficiente específico para cada par de material. En la vida cotidiana, existen innumerables ejemplos en los que se puede ver la aplicación de la fricción y su importancia. Por ejemplo se sabe, que el buen desempeño mecánico entre una tuerca y un tornillo depende en gran medida de una adecuada fricción entre ambos, otro ejemplo es que si ésta fuera muy pequeña, entre la suela y el pavimento, sería imposible caminar simplemente se resbalarían las personas. Por otra parte aproximadamente, entre el 15 y 20% de la potencia producida por una maquina de combustión interna se pierde en forma de fricción en varios de sus componentes internos. En las turbinas de gas ocurre lo mismo pero en menor medida. Todo ello, se traduce en mayor consumo de combustible. A medida que aumenta la fuerza de fricción, se incrementa también los rangos de temperatura, y por lo tanto, el desgaste de todos los componentes en contacto se vuelve más severo. 95

103 4.3 DESGASTE En términos generales se puede decir que son tres los procesos que restringen la vida útil de los productos metálicos que proporcionan un uso específico y son: el desgaste, corrosión y fatiga. Los ejemplos son diversos, pero algunos representan al desgaste como el peor enemigo. Como sucede cuando este se presenta entre la pared del cilindro y los anillos del pistón en una maquina de combustión interna diesel, o bien, en una herramienta metálica que se consume durante el proceso de corte. El desgaste se manifiesta en diferentes grados, algunas veces puede ser tolerado hasta cierto límite, otras es benéfico inclusive. A pesar de que existen diversos métodos para reducirlo, su presencia representa considerables pérdidas energéticas y económicas. Una interesante alternativa para disminuir el desgaste en los materiales, es mediante el uso de recubrimientos y tratamientos superficiales. Los primeros, se depositan sobre la superficie de los materiales, donde se genera el desgaste por diversos procesos, mientras que los tratamientos superficiales se logran siguiendo técnicas especificas. La tasa de desgaste que se produce en los materiales se define como la perdida de volumen de la superficie de desgaste por unidad de distancia deslizada. Las condiciones que producen el desgaste pueden estar influenciadas por diversos factores, por ejemplo, el desgaste en seco, depende de la carga normal, la velocidad relativa de deslizamiento, temperatura inicial y de las propiedades mecánicas, térmicas y químicas de los materiales en contacto. Cuando existe entre la interface un tercer cuerpo, entonces la situación se torna más compleja. Existe gran variedad de recubrimientos y tratamientos superficiales resistentes al desgaste; seleccionar cualquiera de ellos, requiere necesariamente de realizar pruebas en el laboratorio. Inicialmente, se debe conocer el tipo de desgaste que se presenta en el componente, a través de las condiciones de operación a las que se encuentra sometido, así como de elaborar una lista de los posibles recubrimientos a utilizar, y sobre todo, consultar los que ya hayan sido aplicados con cierto éxito. Generalmente las superficies sufren desgaste simultáneamente por dos o más procesos. Debido a que algunos de ellos son más dominantes, algunas veces se deben de generar las condiciones para balancearlos, controlando la perdida de partículas generadas durante el deslizamiento por efecto del ciclo de trabajo, tipo de vibración y otros factores. 96

104 Una clasificación de los mecanismos que generan el desgaste, apareció en 1957, en la revista Wear, cuyo autor Burwell clasifico a cuatro de ellos como los responsables de dicho fenómeno, los cuales son: Desgaste por adhesión Desgaste por abrasión Desgaste por fatiga Desgaste por corrosión Desgaste Adhesivo La adhesión está asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La adhesión conlleva además al soldado en frío de las superficies. Con respecto al desgaste adhesivo, el papel principal lo juega la interacción entre las superficies y su grado de limpieza, es decir, cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o suciedades, se permite que el área de contacto sea aumentada, pudiéndose formar uniones adhesivas más resistentes. El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en contacto. Estas asperezas son deformadas plásticamente, permitiendo la formación de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. Así, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie. Piezas de maquinaria donde está normalmente involucrado el desgaste adhesivo, son. Sistemas, biela-seguidor, dados de extrusión-alambre, cola de milano-apoyo, engranajes, rodamiento-apoyo y herramientas de corte, son elementos que pueden sufrir desgaste debido a adhesión. La unión entre las superficies en contacto son destruidas, en caso que la resistencia al corte de la interface sea menor que la resistencia de los dos materiales considerados. Puede suceder que la región adherida tenga mayor resistencia al corte que alguno de los dos materiales o incluso que los dos, por tanto se puede presentar desgarre en uno, o en los dos materiales, 97

105 permitiendo que uno de ellos sea adherido a la otra superficie del otro o que los dos materiales pierdan la interface. La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas y químicas de los materiales en contacto, al igual que de los valores de carga aplicados y las propiedades de los materiales que están sobre las superficies, y finalmente de la rugosidad. Generalmente el contacto entre metales es no metálico debido a la presencia de capas absorbidas como óxidos. La adhesión en este caso se da por medio de enlaces débiles o fuerzas de Van der Waals. Sin embargo, la deformación elástica o plástica de las asperezas puede provocar rompimiento de estas capas, por lo que la unión de la interface se da por medio de enlaces covalentes y metálicos, siendo los enlaces iónicos insignificantes en los metales Desgaste Abrasivo La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica. Como se muestra en la figura 4.1, existen básicamente de dos tipos de desgaste abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a de dos cuerpos o a tres cuerpos. En abrasión de dos cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento-relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los superficies en contacto deslizante. 98

106 Fig. 4.1 Desgaste abrasivo a) a dos cuerpos y b) a tres cuerpos Fuente: tesis, desarrollo de un prototipo tribológico funcional de configuración esfera sobre disco para medir desgaste por deslizamiento en condiciones secas y lubricadas Desgaste por Fatiga Es el único tipo de desgaste que no se puede evitar y el cual finalmente hace que el componente lubricado se tenga que cambiar. Se presenta como resultado de los esfuerzos cíclicos que genera la carga al actuar en el punto donde se forma la película lubricante que en el caso de la lubricación fluida hace que las crestas de las rugosidades traten de aplastarse sin tocarse dando lugar a un ciclo de compresión y de tensión que termina deformando plásticamente las rugosidades causando su rotura, iniciándose de esta manera el ojo de fatiga ó grieta incipiente que da lugar a un incremento localizado del esfuerzo, que cada vez se hace más crítico por la falta de área hasta que finalmente la velocidad de propagación es tan alta que ocasiona la fractura del componente. En el caso de la lubricación EHL (Elasto-Hidrodinámica), la fatiga de las rugosidades es más crítica, debido a que la deformación de las rugosidades que inicialmente es del tipo elástica termina por ser plástica causando la rotura de dichas rugosidades y por lo tanto el descascarillado de la superficie metálica y la propagación de grietas internas que finalmente ocasionan la falla del componente por rotura. Entre mayor sea la temperatura de operación del elemento lubricado, el desgaste por fatiga superficial es más acelerado debido a la modificación que sufre la curva esfuerzo-deformación del material que hace que el punto de fluencia se corra hacia la izquierda y que por lo tanto para la misma condición de carga, el mecanismo quede trabajando en la zona plástica y no en la elástica. La falla por fatiga superficial se presenta de manera típica después de millones de ciclos de deformación elástica y se acelera cuando se tienen temperaturas de operación por encima de los 50 C, por la aplicación de esfuerzos de tensión y compresión, que superan los del material del mecanismo, ó por la presencia de partículas sólidas ó metálicas de un tamaño igual al espesor de la película lubricante y que no se adhieren a ninguna de las superficies en movimiento; en este caso la partícula es atrapada instantáneamente entre las superficies y origina hendiduras en ella debido a que las superficies se deflectan al lado de la partícula como 99

107 consecuencia de la carga que soportan, iniciándose las grietas, las cuales se esparcen después de n ciclos de esfuerzos. El desgaste por fatiga superficial aparece más rápidamente en los elementos que están sometidos a movimiento de rodadura que por deslizamiento debido a los mayores esfuerzos que soportan, este es el caso de los rodamientos, flancos de los dientes de los engranajes a la altura del diámetro de paso, y las superficies de las levas, entre otros. (Figura4.2) Fig.4.2 Desgaste por fatiga. Esquema de la formación de grietas superficiales y sub-superficiales. Fuente: tesis, desarrollo de un prototipo tribológico funcional de configuración esfera sobre disco para medir desgaste por deslizamiento en condiciones secas y lubricadas Desgaste Corrosivo Es caracterizado como la degradación de materiales en donde la corrosión y los mecanismos de desgaste se encuentran involucrados. La combinación de efectos de desgaste y corrosión puede resaltar en una pérdida total de material mucho más grande que si se presentara por adición o individualmente, la deformación plástica por altos esfuerzos de contacto causa endurecimiento por deformación y susceptibilidad al ataque químico. De igual forma la deformación plástica ocurrida en el mecanismo de desgaste por impacto puede hacer que las superficies sean más susceptibles a la corrosión. El modelo de desgaste corrosivo (figura 4.3), es explicado en dos etapas. 1. formación de una película de oxido en la superficie. Esta película de oxido puede operar como lubricante, en la mayoría de los materiales no es posible ya que dicha película es muy frágil. 100

108 2. Al ser esta capa de oxido frágil queda expuesta a los fenómenos de deslizamiento del sistema, siendo esta removida. Fig.4.3 Desgaste corrosivo. Modelo representativo de la formación de la capa de oxido Fuente: tesis, desarrollo de un prototipo tribológico funcional de configuración esfera sobre disco para medir desgaste por deslizamiento en condiciones secas y lubricadas Consecuencias del desgaste Los más importantes son: - Movimiento errático de los mecanismos lubricados. - Altos valores de vibración e incremento en los niveles de ruido. - Elevadas temperaturas de operación. - Mayor consumo de repuestos por incremento del mantenimiento correctivo. - Reducción significativa de la producción por paros de maquinaria. - Mayor consumo de energía para realizar la misma cantidad de trabajo útil. - Posibilidades de accidentes ante el peligro de roturas de componentes de máquinas En conclusión el fenómeno de fricción, es el resultado de la interacción entre superficies, esto produce desgaste. El fenómeno del desgaste se presenta de diferentes maneras, cada una de ellas con características particulares. En cada caso, sufre la influencia de la morfología y composición de las superficies, así como la velocidad, temperatura, carga, y las condiciones ambientales que prevalecen durante el proceso. 101

109 Reducir el desgaste es un gran reto, el cual se logra mediante la búsqueda y selección de los materiales adecuados para cada aplicación. Su estudio, es de gran importancia y requiere reproducir de manera fiel o al menos aproximada, la forma en que este se presenta, para evaluar con seguridad el comportamiento de los materiales. Para poder alcanzar los beneficios que ofrece la tribología, se realizan ensayos de laboratorio en dónde se simulan condiciones de operación de contactos entre superficies con movimiento relativo que permiten evaluar la fricción y el desgaste y para poder realizar estas pruebas y así tener un mejor conocimiento de los materiales, su lubricación y funcionamiento se utiliza un aparato llamado tribómetro el cual describiremos a continuación. (Kragelskii, 1965) 4.4 TRIBOSISTEMAS Las características físicas así como las condiciones ambientales en que se llevan a cabo las interacciones de las superficies de los pares mecánicos que se encuentran en contacto y movimiento relativo, se conocen con el nombre de tribosistemas. Este, está integrado por los siguientes elementos; la base, que es un cuerpo primario de fricción, en condiciones de desgaste. El contra cuerpo, cuerpo secundario de fricción en condiciones de desgaste. La sustancia intermedia, que existe en la interface de los mismos como puede ser el aceite lubricante, polvo, óxidos de vapor, agua, gases, etc., y el medio ambiente que es el entorno donde se encuentra el sistema y puede estar constituido por gases y/o líquidos en diferentes condiciones de presión; ya sean muy elevadas o al vacío; a temperaturas externas, etc. En la figura 4.4 se presenta un diagrama del tribosistema: Fig.4.4 Diagrama de un tribosistemas Fuente: tesis, desarrollo de un prototipo tribológico funcional de configuración esfera sobre disco para medir desgaste por deslizamiento en condiciones secas y lubricadas. 102

110 4.5 TRIBOMETROS Un tribómetro es un mecanismo mediante el cual se puede determinar la resistencia al desgaste de un material cuando se pone en contacto con otro y existe movimiento relativo entre ellos, en un determinado medio. Las investigaciones tribológicas y los avances tecnológicos de métodos que permitan simular los diferentes mecanismos de la fricción y el desgaste, han hecho posible la construcción de los tribómetros, de acuerdo a cada sistema de desgaste y dentro de los que se destacan: Tribómetro pin sobre disco Existen diferentes tipos de configuraciones de maquinas tribológicas. Estas son para llevar a cabo pruebas en áreas donde se presentan deficiencias y fallas, que son frecuentemente encontradas en las pruebas de desgaste. El uso particular de las mismas, es para desarrollar un diseño deseado y resolver algunos problemas que deben ser tratados. Las pruebas de desgaste, son llevadas a cabo de una manera general para ciertos tipos de desgaste, como el ocasionado por los mecanismos de deslizamiento, abrasivo, fatiga y erosivo. Los parámetros operacionales para realizar dichas pruebas, permiten crear las condiciones de simulación de los elementos mecánicos que se desgastan cuando se encuentran en contacto y movimiento relativo. En consecuencia, para la preparación de las mismas se debe tomar en cuenta la aplicación, el tipo de carga, geometría y medio ambiente, seguido de los mecanismos de desgaste. El método Pin en disco (PIN-ON-DISK) es uno entre los varios que existen para la determinación de este parámetro de desgaste. La norma ASTM G99-95 describe los parámetros de prueba, así como la selección de los mismos para desarrollar ésta, en una forma adecuada. Ciertos parámetros pueden variar, como es el tamaño de perno, carga, velocidad de giro, deslizamiento, temperatura del medio, algún tipo de lubricación y las condiciones atmosféricas. Para la prueba de desgaste con este método se necesitan dos probetas. El primero es un pin cilíndrico cuyo tamaño es muy reducido, el cual es posicionado perpendicularmente a la otra pieza, la cual usualmente es un disco circular. (Figura 4.5).La máquina de pruebas causa que el pin o el disco 103

111 giren entre sí; como consecuencia de ello, se forma un camino de desgaste en el disco. El plano del disco puede ser orientado tanto vertical como horizontal y de acuerdo a la orientación del plano, los resultados pueden variar. Fig.4.5 Probetas Pin y Disco La probeta en forma de pin se presiona sobre el disco con una carga específica, y dicha probeta, se encuentra sujeta a un dispositivo posicionador con contrapesos. Los reportes de desgaste se realizan en términos de pérdida de volumen en milímetros cúbicos. La pérdida de masa por desgaste se puede convertir en pérdida de volumen mediante la utilización de adecuados valores de densidad. Un motor con velocidad variable, capaz de mantener la velocidad seleccionada constante es requerido, además, debe estar montado de tal manera que las vibraciones no afecten las pruebas. Las velocidades de rotación pueden ser de 60 a 600 rpm, por lo cual, la máquina debe estar equipada con un contador de revoluciones. La balanza utilizada para medir la pérdida de masa en las probetas deberá tener una sensibilidad de por lo menos 0.1 mg. El desgaste es obtenido pesando el espécimen antes y después para obtener la masa perdida, ya sea del perno ó del disco, según sean los elementos que se estén caracterizando. Posteriormente, ésta se divide entre la densidad del material con el propósito de obtener el volumen perdido en mm3. En el caso que el desgaste sea insignificante sobre uno u otro miembro, la anchura de la huella de desgaste debe emplearse para obtenerlo. 104

112 4.6 PREPARACION DE LAS MUESTRAS. Este método puede aplicarse a una gran variedad de materiales. El único requisito es que las probetas tengan dimensiones específicas para que puedan resistir las cargas aplicadas durante el ensayo. Los materiales a ser probados deberán tener una detallada descripción en cuanto a dimensiones, acabado superficial, tipo de material, forma, composición, microestructura, tratamientos térmicos y dureza Parámetros del ensayo. Carga o Fuerza a aplicar: Valores de la fuerza de contacto en Newtons. Velocidad: La velocidad relativa entre las superficies de deslizamiento en m/s. Temperatura: La temperatura en las dos probetas en cercanía a la superficie de contacto. Tiempo: el tiempo en el cual se correrá la prueba de desgaste. Para empezar a realizar pruebas se necesita seguir una serie de pasos los cuales requieren llevar un orden de ejecución aunque este dispositivo de pruebas es totalmente seguro, se debe garantizar la protección del operador y de los elementos constituyentes de la máquina. Procedimiento de Operación: 1. Energice el PLC 2. Encienda la computadora y abra el programa FST. 3. Ingrese los datos correspondientes a la prueba por medio de la computadora, parámetros tales como velocidad y tiempo de prueba. 4. Prepare adecuadamente las probetas (perno y disco). 5. Registre el peso inicial de las probetas. 6. Coloque y ajuste las probetas en sus respectivos portaprobetas. 7. Dé inicio a la prueba con el BOTON DE INICIO. 8. Aplique la fuerza deseado por medio de los BOTONES de Aplicación de Carga, si por alguna razón excede la fuerza deseada pulse el botón eliminación de Carga para elevar el piston. 9. Aplicada la fuerza requerida para el experimento oprima el botón ACEPTAR 10. Una vez finalice el experimento limpie las probetas nuevamente. 11. Registre el peso final de ambas probetas. 105

113 12. En caso de que se vaya a realizar más pruebas, seguir los pasos del 4 al PRUEBAS TRIBOLÓGICAS Una vez que se completo la calibración y ajuste de los diferentes sistemas y sensores con los que cuenta el equipo, se procedió a realizar unas pruebas de funcionalidad. Para ello se establecieron los siguientes experimentos: A) Se establecieron valores constantes de carga y velocidad, equivalentes a 20 N y 200 RPM, respectivamente y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condiciones mínimas de operación. B) Se establecieron valores de carga mínima (20 N) y velocidad moderada (400 RPM) y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condición de carga mínima y velocidad moderada. C) Se establecieron valores de carga mínima (20 N) y velocidad máxima (600 RPM) y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condición de carga mínima y velocidad máxima. D) Se establecieron valores constantes de carga y velocidad, equivalentes a 50 N y 200 RPM, respectivamente y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condiciones de máxima carga y mínima velocidad. E) Se establecieron valores de carga máxima (50 N) y velocidad moderada (400 RPM) y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condición de carga máxima y velocidad moderada. 106

114 F) Se establecieron valores de carga máxima (50 N) y velocidad máxima (600 RPM) y se operó el equipo, considerando intervalos de tiempo de 1, 5 y 15 minutos. Con el fin de verificar el comportamiento del equipo bajo condición máximas de operación. Tabla 4.1 Reporte de Funcionalidad del Tribómetro Carga (N) Velocidad (RPM) Tiempo (min) Temp. Contacto ( C) Observaciones 1 18 Funcionamiento estable 5 18 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 1 21 Funcionamiento estable 5 19 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 1 21 Funcionamiento estable 5 21 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 1 22 Funcionamiento estable 5 22 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 1 22 Funcionamiento estable 5 23 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 1 26 Funcionamiento estable 5 33 Funcionamiento estable Funcionamiento estable 107

115 Después de haber realizado estos experimentos se verifica la funcionabilidad del el tribómetro. Y se procede a correr una prueba de desgaste, de acuerdo al procedimiento descrito anteriormente, para ello se ajustan las siguientes condiciones de operación en el tribómetro: Velocidad 400 RPM, Carga 50 N y un tiempo de prueba de 15 minutos. Se utilizan discos y pines cilíndricos ambos de acero inoxidable AISI 316 y AISI 304. Fig. 4.6 Celda de carga Fuente: laboratorio de Tribología A continuación se reportan los resultados obtenidos: Tabla 4.2 Resultados de las pruebas de desgaste. Acero inoxidable AISI 316 Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Disco Pin Disco Pin Disco Pin Masa Inicial (gr) Masa Final (gr) Desgaste Gravimétrico (gr) Desgaste Volumétrico (mm3) Media Desviación estándar Coeficiente 3.9% de Variabilidad 108

116 Tabla 4.3 Resultados de las pruebas de desgaste Rugosidad nivel 4. Acero inoxidable AISI 304 Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Disco Pin Disco Pin Disco Pin Masa Inicial (gr) Masa Final (gr) Desgaste Gravimétrico (gr) Desgaste Volumétrico (mm3) Media Desviación estándar Coeficiente de Variabilidad 2.77% Tabla 4.4 Resultados de las pruebas de desgaste Rugosidad nivel 12 Acero inoxidable AISI 304 Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Disco Pin Disco Pin Disco Pin Masa Inicial (gr) Masa Final (gr) Desgaste Gravimétrico (gr) Desgaste Volumétrico (mm3) Media Desviación estándar Coeficiente de Variabilidad 1.88% 109

117 De acuerdo con el diseño del experimento: Tamaño de muestra 3 y considerando una confiabilidad del 95% con un error relativo del 5%, el coeficiente de variabilidad permisible (tabulado) corresponde a un 4% máximo. Y dado que el coeficiente de variabilidad calculado en el experimento es inferior al tabulado, los resultados obtenidos son validados. Con lo cual se garantiza la repetibilidad y reproducibilidad que ofrece el tribómetro. Fig.4.7 Disco desgastado después de realizar el ensayo Fuente: laboratorio de Tribología CONCLUSIONES GENERALES En este proyecto se realizó el hardware necesario para su automatización mediante el PLC FESTO FC660 del tribómetro pin sobre disco. Este equipo permite el desarrollo de ensayos tribológicos de materiales, aceites lubricantes y aditivos. Con base en los resultados alcanzados en la realización de este proyecto, se cuanta con el desarrollo de un prototipo tecnológico innovador Hecho en México. 110

118 111 ANEXOS

119 Anexo 1. Relación de velocidad RPM R Anexo 2.Parámetros variador de frecuencia cfw10 112

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124 Anexo 3.Manual PLC Feto FC

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132 Anexo 4.Manual Sensor de no Contacto de tipo infrarrojo Pyrocouple. 125

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134 Anexo 5.Software WIN FST 4.10 A continuación se presentara paso a paso como crear un programa con este software, así como el programa que se utilizara para el tribómetro pin sobre disco. Al iniciar el software Win FST observará la siguiente pantalla: Creación de un nuevo proyecto De un Click en [File],[New Project]. La ventana de diálogo aparecerá con el signo? en el campo para la introducción del nombre. Introduzca el nombre de su proyecto. De un Click en [OK] Una nueva ventana de diálogo aparecerá para que introduzca los ajustes del proyecto. 127

135 Escoja el tipo de controlador en base al que esté utilizando. Tal vez desee añadir un comentario para el proyecto. Sin embargo, no es necesario. De un Click en [OK] Será llevado a la ventana principal con una nueva ventana ( Project Tree ) en la parte superior izquierda. Es allí donde se lleva a cabo la navegación por todo el proyecto. Creación de un programa Hay varias formas de crear un programa. De un Click en [Insert], [New Program] o [Program], [New]. O puede dar un click en el botón derecho del ratón en Program y dar un click en InsertProgram Una ventana de diálogo aparecerá. 128

136 El nuevo programa que ha creado aparecerá bajo la carpeta Program en el árbol del proyecto. Configuración de Entradas/Salidas Antes de declarar las variables, necesita configurar las E/S. De un doble click en IO Configuration en la lista del árbol del proyecto. Aparecerá una ventana de diálogo. 129

137 La pantalla estará en blanco. Mueva al ratón a la pantalla y de un click derecho. De un Click en Insert IO Module Una nueva ventana de diálogo aparecerá. Escoja el PLC que esté empleando. Escoja 0 tanto para OW como para IW. Éste es el número de palabra tanto para las entradas como para las salidas de la cual comenzaremos a direccionar. De un Click en OK Cierre la ventana. Si utilizara entradas o salidas analógicas selecciónelas y escoja 10 para OW como para IW, esto es para evitar colisiones y el PLC no nos permite ingresar el numero 0 130

138 Declaración de las variables Necesita declarar las variables que utilizará en su programa. Esto se hace en Lista de Asignaciones ( AllocationList ). De un doble click en la opción AllocationList del árbol del proyecto. Aparecerá una nueva pantalla con tres encabezados: o Operando o Símbolo o Comentario Operand es la dirección absoluta que reconoce el PLC de las entradas y las salidas. Symbol es el operando simbólico el cual le es familiar al programador. Comment son los comentarios acerca del operando en cuestión. Los operandos simbólicos y los comentarios son opcionales; sin embargo se aconseja definirlos con el fin de documentar al proyecto. Para insertar una variable de un click derecho, y de un click en [Insert Operand] Otra manera es presionando la tecla [Insert]. 131

139 Escritura del Programa De un doble click en el programa que creó. Se abrirá una ventana de programación. Si tiene abierta más de una ventana, ésta se sobre posicionará. Junto con la ventana de programación, la ventana Shortcuts aparecerá para auxiliarle. Escriba su programa en diagrama escalera. Puede introducir los operandos por el teclado 132

140 Verificación del Programa Después de escribir el programa, puede verificarlo con el fin de detectar y corregir los posibles errores de sintaxis y de direccionamiento. Con esta función, es posible eliminar dichos errores antes de cargar el programa. De un Click en su programa en el navegador del proyecto. Su programa debe estar abierto y con la ventana del editor activa. De un Click en el ícono Compile Active Module o pulse [Ctrl] + [F7] Entonces el programa es verificado. Los resultados de la verificación aparecerán en una nueva ventana de diálogo. Si el programa está libre de errores, entonces puede proceder con la siguiente tarea; de otra manera necesita corregir el error. La lista de errores le permite saber dónde se encuentra el error, al indicarle en qué línea se encuentra dicho error. Para dirigirse al error en la línea del programa correspondiente, de un doble clic en la línea donde se listó el error. Si ocurriesen varios errores, siempre corrija el primero y vuelva a compilar debido a que los demás errores pueden ser consecuencia del primero. Sin embargo, tome en cuenta que solo se verifica la sintaxis, lo cual no significa que el programa funcionará. Es similar a la verificación que hacen 133

141 los procesadores de texto, pueden no haber errores de escritura pero el párrafo podría no tener sentido. Compilación y construcción de un programa Antes de cargar su programa al PLC, tiene que compilar y construir su programa. Recuerde que esto es diferente que compilar el programa, ya que esta segunda opción le construye todo el proyecto con todos los drivers, etc. De un Clic en la ícono Make Project o pulse la tecla [F7] Este ícono se utiliza para compilar cualquier cambio efectuado. Cuando de un clic en el ícono Build Project, se reconstruirá todo el proyecto. Se recomienda construir su proyecto al menos una vez antes de realizar la carga. 134

142 Transferencia del programa al PLC Conecte su PC al PLC con el cable de interfaz Conecte su PLC a la PC introduciendo un conector al puerto COM del PLC y el otro extremo del cable al Puerto serial de la PC (RS 232C). Después de construir su proyecto y de configurar su controlador entonces podrá descargar su programa. De un Clic en el ícono Download Project o presione la tecla [F5] Aparecerá una ventana de diálogo una vez que la carga se haya completado y si no existe algún error. Ejecute el programa moviendo el interruptor de Stop a Run. 135

143 Monitoreo en línea Puede ir a la opción Online para monitorear al programa que se esté ejecutando o para monitorear los operandos. De un clic derecho en la opción Program en el árbol del proyecto y de un clic en la opción Online, la ventana de su programa se abrirá y estará en condiciones de ver cómo se ejecuta su programa. Puede conmutar entre el modo Editor y el modo Online en cualquier momento. Para ir a modo en línea y ver los operandos, de un clic en el ícono Online Display. Note que puede forzar las salidas dando un clic a los bits respectivos. Sin embargo, sea cuidadoso cuando force dichas variables, asegúrese de no ocasionar que su equipo afecte a otro equipo. También recuerde desactivar todas las salidas una vez que haya Terminado. 136

144 137 Festo Online

145 Anexo 6: Datos generales del FEC Standard. 138

146 }} 139

147 Anexo 7.Lista de instrucciones programa prueba de desgaste FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA LABORATORIO DE TRIBOLOGIA E INGENIERIA DE MATERIALES DIRECCIONAMIENTO DE ENTRADAS Y SALIDAS TRIBOMETRO PIN SOBRE DISCO DIRECCION SEÑAL No. DE DESCRIPCION TIPO BIT I3.0 BOTON DE INICIO E. DIGITAL I3.1 SA0 SENSOR INICIO CARRERA HORIZONTAL E. DIGITAL I3.2 SA1 SENSOR FINAL CARRERA HORIZONTAL E. DIGITAL I3.3 SB0 SENSOR INICIO CARRERA VERTICAL E. DIGITAL I3.4 SB1 SENSOR FINAL DE CARRERA V. AUXILIAR E. DIGITAL I3.5 PARO DE EMERGENCIA E. DIGITAL I3.6 PARO TOTAL E. DIGITAL I3.7 CARGA APLICADA E. DIGITAL I2.0 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.1 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.2 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.3 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.4 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.5 DISPONIBLE E. DIGITAL I2.6 APLICACION DE CARGA E. DIGITAL I2.7 ELIMINACION DE CARGA E. DIGITAL O0.0 RELE1 MOV HORIZONTAL<- S. DIGITAL O0.1 RELE2 MOV VERTICAL DESCENDENTE S. DIGITAL O0.2 RELE3 MOV VERTICAL ASCENDENTE S. DIGITAL O0.3 RELE4 MOV HORIZONTAL-> S. DIGITAL O0.4 FUERZA FOCO INDICADOR S. DIGITAL O0.5 TEMPERATURA FOCO INDICADOR S. DIGITAL O0.6 VELOCIDAD FOCO INDICADOR S. DIGITAL 140

148 O0.7 REGRESO HIDRAULICO S. DIGITAL 1W10 0W10 TEMPERATURA RPM E. ANALOGICA S. ANALOGICA F0.0 CONDICION DE INICIO BANDERA F0.1 CONDICION 1 BANDERA F0.2 CONDICION 2 BANDERA F0.3 CONDICION 3 BANDERA F0.4 CONDICION 4 BANDERA F0.5 CONDICION 5 BANDERA F0.6 CONDICION 6 BANDERA F0.7 CONDICION 7 BANDERA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA LABORATORIO DE TRIBOLOGIA E INGENIERIA DE MATERIALES DIRECCIONAMIENTO DE ENTRADAS Y SALIDAS TRIBOMETRO PIN SOBRE DISCO DIRECCION SEÑAL No. DE DESCRIPCION TIPO BIT F0.8 CONDICION 8 BANDERA F0.9 CONDICION 9 BANDERA F1.0 CONDICION 10 BANDERA F1.1 CONDICION 11 BANDERA F1.2 CONDICION 12 BANDERA R1 REGISTRO DE TEMPERATURA REGISTRO R2 RTEMPERATURA REAL REGISTRO R3 REVOLUCIONES REGISTRO T0 DESENERGIZAR TEMPORIZADOR T1 TIEMPO DE PRUEBA TEMPORIZADOR T2 DESENERGIZAR TEMPORIZADOR T4 DESENERGIZAR TEMPORIZADOR C0 CONTADOR DE TIEMPO CONTADOR 141

149 Anexo 8.Programa prueba de desgaste (diagrama escalera) 142

150 143

151 144

152 145

153 PROGRAMA DE PARO TOTAL (DIAGRAMA ESCALERA) 146

154 147

155 Anexo 9.Modificación de los parámetros de Velocidad y Tiempo Se tiene que tener en cuenta que este será el número de veces que se repetirá el tiempo que coloquemos en el temporizador tiempo de prueba Se colocara el valor de velocidad a la cual se requiera la prueba poniéndolo en número de cuentas de 0 a 4095, de ambos lados tanto en R3 como en OW10 generando con esto una igualdad, tomando de referencia la tabla del Anexo 1. Se escribe el tiempo de prueba que se requiere, teniendo en cuenta de que el limite son 10 minutos, por eso la necesidad de un contador para incrementar el tiempo. 148