Metrol-U2-Procesos industriales_variables y fenómenos físicos
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METROLOGÍA
UNIDAD 2
PROCESOS INDUSTRIALES
M.C. NEREYDA CASTRO GUTIÉRREZ
1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE PROCESOS
INDUSTRIALES
TIPOS DE LAZOS DE CONTROL
Lazo abierto:
Diagrama a bloques de un lazo abierto de control
TIPOS DE LAZOS DE CONTROL
Lazo cerrado:
Diagrama a bloques de un lazo abierto de control
VALOR DE REFERENCIA
TRANSMISOR
INDICADOR
CONTROLADOR
ELEMENTO FINAL DE CONTROL
PROCESO
ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN
ERROR
AGENTE DE CONTROL
ENTRADA DEL PRODUCTOSALIDA DEL
PRODUCTO
2. VARIABLES INDUSTRIALES
VARIABLES INDUSTRIALES
Si bien existen las magnitudes fundamentales de acuerdo alos sistemas internacionales de unidades, de estas sederivan muchas otras que son comunes en distintos girosindustriales, tales como:
Derivados del petróleo, Industria papelera, Industria alimenticia,Industria textil, Generadoras de energía, Siderurgía, etc.
En donde las magnitudes o variables más comunes que serequiere medir o controlar son:
Presión
Caudal
Nivel
Temperatura
pH
Conductividad
Velocidad
Humedad
3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES
FENÓMENO PIEZOELÉCTRICO
FENÓMENO PIEZOELÉCTRICO
Descubierto en 1880 en el cuarzo y la sal de Rochelle por Pierre y JaquesCurie. Nombrado así por la palabra griega piezein: presionar.
Efecto Piezoeléctrico Directo. Es un fenómeno físico que presentan algunoscristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctricoentre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformaciónmecánica.
Efecto Piezoeléctrico Inverso. Cuando se aplica un campo eléctrico a ciertascaras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas.
Pueden distinguirse dos grupos de materiales:
Carácter piezoeléctrico de forma natural : cuarzo, turmalina.
Ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a unapolarización: tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materialesmonocristalinos, cerámicas o polímeros.
TIPOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
CRISTALES SOLUBLES
Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo.
Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporaciónse forman y crecen dentro de la misma, los cristales.
El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Paraacelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandesque actúan como gérmenes.
De los cristales solubles, el mas común es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette),tartrato doble de sodio y potasio.
La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del ordende 45ºC. A los 55ºC pierden de forma permanente sus propiedadespiezoeléctricas.
TIPOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
CERÁMICAS
El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedadespiezoeléctricas.
Los materiales piezoeléctricos de titanato de bario, se fabrican por procesoscerámicos, y se polarizan enfriándolos desde temperaturas superiores a las deCurie, en un campo eléctrico intenso.
Se usan como transductores, su sensibilidad piezoeléctrica es inferior a la salde Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica,resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango detemperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura, para temperaturassuperiores puede usarse el titanato de plomo).
Galgas extensométricas
Transductores piezoelectrónicos
Bocinas y micrófonos
Generadores de electricidad
USOS DE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
Los cristales piezoeléctricos encuentran un basto campo de aplicaciones en:
Transductores de presión
Agujas para los reproductores de discos de vinilo
Micrófonos.
Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta
frecuencia.
Generadores de chispas en encendedores
APLICACIONES DE LA PIEZOELECTRICIDAD
INNOVACIONES
Carreteras en Israel:
Ingenieros israelíes han colocado cristales piezoeléctricos enuna autopista que, al ser agitados por el paso de unvehículo sobre ellos, generan una corriente eléctrica.
Se calcula que en un kilómetro de longitud se puedengenerar hasta 400 kW de potencia, suficientes paraalimentar a ocho pequeños vehículos eléctricos.
INNOVACIONES
Ingenieros de la Universidad de Princeton han desarrollado un Chipde Piezo de Goma "piezo-rubber chip" capaz de generar energíaa partir de cualquier movimiento.
También puede ser implantando en el cuerpo humano ya que sonbiocompatibles, su función es aprovechar el movimiento natural delcuerpo.
Primera disco ecológica de Londres: Genera el 60% de la energía cuando
bailas...
INNOVACIONES
3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES
EFECTOS TERMOELÉCTRICOS
EFECTO SEEBECK
Consiste en la conversión de una diferencia de
temperatura en electricidad.
Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de
temperatura entre dos metales o semiconductores
diferentes.
Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas
entre los metales A y B induce una diferencia de potencial
V.
Thomas Johann Seebeck. (1770-1830)
Circuito Termopar.
EFECTO PELTIER
En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier
descubrió un efecto inverso al de Seebeck.
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 cantidad de calor transferido es proporcional
a la corriente y la dirección de transferencia.Jean C. A. Peltier (1785-1845)
Qp= πI
π = α T
Qp : Potencia calorífica generada o absorbida por el efecto Peltier.
π : Coeficiente de Peltier
I: Intensidad de corriente
α: Coeficiente de Seebeck de dos conductores distintos
T: Temperatura absoluta de la unión.
DISPOSITIVOS PELTIER
Sistema de enfriamiento para microprocesadores de
pc utilizado una celula peltier.
EFECTO THOMSON
El científico escocés William Thomson descubre
en 1854 que la diferencia de temperatura que
existe entre dos puntos cualquiera de un
conductor que transporta corriente puede
absorber o generar calor dependiendo del
material y la dirección de la corriente en el
conductor.
William Thomson (1824-1907)
Primer barón Kelvin
q= El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen
r: resistividad en un conductor, ∆T : gradiente longitudinal de temperatura, pJ: densidad de corriente
σ:es el coeficiente Thomson
TIPOS DE TERMOPARES
Tipos de termopares
Existe gran cantidad de termopares en la actualidad de acuerdo al
material utilizado y al rango de temperaturas que manejan.
Tipo de Termopar Materiales Rango de aplicación en C
B Platino 30%, Rodio (+)
Platino 6%, Rodio (-)1370 a 1700
C W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+)
W26Re Tungsteno 26% Rhenium 1650 a 2315
E Cromo (+)
Constantano (-)95 a 900
J Acero (+)
Constantano (-)95 a 760
K Cromo (+)
Alumel (-)95 a 1260
N Nicrosil (+)
Nisil (-)650 a 1260
R Platino 13% Rodio (+)
Platino (-)870 a 1450
S Platino 10% Rodio (+)
Platino (-)980 a 1450
T Cobre (+)
Constantano (-)-200 a 350
Tabla 1.
Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es
necesario observar los siguientes puntos básicos:
Rango de temperatura a medir.
Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación
Posibilidad de que el termopar esté en contacto con un objeto sin afectarlo
Qué tipo de contacto físico se requiere para medir la variable.
3. FENÓMENOS FÍSICOS EN MATERIALES
EFECTO FOTOELÉCTRICO
TEORÍA CUÁNTICA
La energía electromagnética se absorbe o se emite en paquetes discretos llamados cuantos o fotones.
El contenido de estas partículas es proporcional a la frecuencia de la radiación.
Max Planck, físico alemán publicó su hipótesis cuántica en 1901 en donde planteó la siguiente ecuación:
E=hfE= Energía del fotón f= frecuencia del fotónh= factor de proporcionalidad. Constante de Planck
En 1905, Albert Einstein amplió la propuesta de Planck y postuló que la
energía de un haz de luz no se difunde en forma continua a través del espacio
sino que lo hace a través de ondas.
Se considera la luz como una energía radiante transportada por fotones y
transmitida por un campo ondulatorio.
EFECTO FOTOELÉCTRICO
En 1887, Hertz observó que una chispa eléctrica podía saltar más
fácilmente entre dos esferas cargadas cuando sus superficies estaban
iluminadas por la luz que provenía de otra chispa.
Este fenómeno se demostró mediante un aparato en donde la luz se hacía
incidir sobre una superficie metálica dentro de un tubo de vacío. Los
electrones emitidos por la luz viajan hacia otra placa metálica conectada a
una batería externa.
Se puede generar corriente eléctrica a partir de la incidencia de luz sobre
determinados materiales.
Video
DISPOSITIVOS FOTOELÉCTRICOS
FOTOCELDAS
Dispositivos que producen variación eléctrica en respuesta a
un cambio en la intensidad de luz.
Celdas Fotovoltaicas: Fuente de energía cuya voltaje de salida
varía en relación con la intensidad de luz en su superficie.
Celdas Fotoconductivas: Dispositivo pasivo, incapaz de producir
energía. Su resistencia varía en relación a la intensidad de luz
en su superficie.
Aplicaciones principales :
Detección de un objeto opaco
Todo o nada. Conteo de partes por presencia, Seguridad industrial.
Salida continua. Observación de la posición de un objeto.
Detección del grado de traslucidez o luminiscencia de un fluido o
de un sólido.
APLICACIONES
APLICACIONES
Ventajas de los dispositivos ópticos
No requieren contactos físicos para la transferencia de energía eléctrica
Funcionan como aislantes de circuitos eléctricos
Pueden manejar señales digitales para instrucciones lógicas de otros instrumentos.