Presin

Presin

1) Concepto de Presin

Presin media absolutaSe define presin media absoluta (pm) sobre una superficie como el cociente entre la fuerza normal neta Fn que acta sobre ella dividida el rea S de la misma, Pm=Ku Fn/S, Ku: constante de unidades.

Presin absoluta en un punto (o presin en un punto)Se la define como el lmite de la presin media absoluta cuando el rea de la superficie que contiene al punto se hace muy pequea.2) Propiedades fundamentales

Conceptos generales

La fuerza que un fluido ejerce sobre una superficie en muchos casos tiende a comprimir a esta. Fluidos en contenedores cerrados o en caera podrn generar tensiones de tensin en ciertas superficies y de compresin en otras.

Principio de Pascal: presin en un punto de un fluido en reposo.

La presin en un punto produce esfuerzos de compresin. La presin esttica es un escalar y la fuerza normal Fn que acta sobre una superficie pequea S que contiene al punto P ser un vector de modulo igual al producto de S por la presin en P, y de direccin opuesta a la normal saliente n a la superficie en P. 4) Definiciones

Presin atmosfrica (pa): presin que ejerce la atmosfera sobre la superficie terrestre (760 mm Hg)

Presin relativa (pr): diferencia entre la presin absoluta p y la presin atmosfrica pa (Pr=p-pa)

Grado de vaco: presin relativa si esta es negativa (+Gv=pa-p=-pr) si p menor a pa

Presin diferencial (pd): diferencia entre presiones en dos puntos de un mismo fluido o no

5) Medicin de presin

Los instrumentos en general miden la presin relativa o diferencial pero en muchos casos es necesario utilizar la presin absoluta. Si la presin es grande o no es necesaria gran precisin, hay que sumar a la presin relativa el valor de presin absoluta. Si la presin es prxima o inferior a la atmosfrica, ser necesario medir la presin absoluta con un barmetro y sumar el valor a la relativa.Los instrumentos para medir presin en general se llaman manmetros. Para medir presin atmosfrica, barmetros.6) Instrumentos de columna liquida

Tubo en U

De los ms simples, es un tubo en forma de U de vidrio o plstico colocado verticalmente. Se llena hasta el nivel de referencia con un lquido manomtrico de densidad desconocida con los extremos del tubo al aire. Al conectarlos a los puntos de medicin, la posicin del lquido cambiara.

Problemas bsicos para la medicin con este sistema:

Deben efectuarse dos lecturas de las alturas, o colocar el 0 en una de ellas.

Es conveniente disponer de varios tipos de lquidos manomtricos (valores bajos de densidad mejoran la sensibilidad)

Nos es aplicable para grandes presiones

Tubo de ramas muy desiguales o de cubeta

Dos ramas de reas muy diferentes. Se conecta el tubo de mayor dimetro al punto de mayor presin. Para mediciones de alta precisin influye la variacin de dimetro, en especial de la cubeta, y adems los instrumentos permiten desplazar la escala o el fondo de la cubeta para coincidir el nivel del lquido manomtrico en la cubeta con el 0.

Tubo en U de rama inclinada

Similar al de cubeta pero la rama de menor rea esta inclinada un ngulo alfa respecto de la horizontal. Permiten medir con exactitud diferencias de presin muy bajas, para lo cual se utiliza un lquido manomtrico de baja densidad y se adopta un ngulo relativamente pequeo para que el valor a medir ser lo mayor posible.

En algunos aparatos el ngulo es variable para simplificar clculos.

Precauciones principales: asegurar la perfecta horizontalidad de la cubeta. Gran sensibilidad, permitiendo medir presiones muy bajas y con gran precisin, pero exigen que la presin permanezca constante.

Barmetros de cubetaInstrumento de cubeta de alta precisin con p1= presin atmosfrica y p2=0 vaco.Se utiliza como liquido manomtrico al mercurio, por su alta densidad que minimiza la altura de la columna liquida necesaria.

Hay varios tipos y el ms comn es el Fortn, que consiste de un tubo vertical de algo ms de 760 mm de longitud, que en su extremo inferior se sumerge en una cubeta con mercurio puro, y en el superior se practica un alto grado de vaco.

La presin atmosfrica acta sobre la superficie libre de mercurio en el recipiente inferior. Se lee la altura y en consecuencia la presin, cuyas lecturas deben corregirse para teniendo en cuenta la gravedad del lugar y la temperatura, que afecta la densidad del mercurio.7) Instrumentos por deformacin elstica

La presin origina una deformacin de un elemento sensible de tipo elstico, lo que origina una indicacin en forma directa (aguja) o indirecta (transductor que da la lectura analgica o digital).

Manmetro BourdonElemento sensible constituido por un tubo curvado, con extremo abierto y fijo a la carcasa que es por donde ingresa el fluido. El otro extremo est cerrado y sus movimientos no estn restringidos.

La presin a medir acta en el interior del tubo y produce una variacin de la seccin transversal, el tubo se enderezara y su extremo libre efectuara un recorrido que es amplificado dando la lectura.

Sistema es ms sensible cuanto mayor es el radio de curvatura y menor el espesor de las paredes del tubo, como as tambin de la forma del tubo.

Mide presiones relativas, ya sea positiva o negativa. El de ms amplio uso excepto para presiones bajas, muy altas o rpidamente variables.

De membrana o diafragma

El elemento sensible en estos instrumentos es una membrana fija en el borde, que al aplicar presin, sufre una deformacin que es funcin de la presin.

Es comn que para una mayor sensibilidad se utilicen cajas constituidas por dos membranas onduladas, e incluso dos o ms de ellas conectadas en serie.

Fuelle

Tubo de paredes delgadas con una ondulacin transversal. La presin puede actuar en su interior traccionando el tubo o desde el exterior comprimiendo, pero en ambos casos la deformacin en direccin longitudinal ser proporcional a la presin.

8) Instrumentos electro/electrnico mecnicos:

Utilizan un elemento mecnico elstico combinado con un transductor elctrico que genera una seal correspondiente. El elemento mecnico es un tubo Bourdon, espiral, fuelle, etc. o una combinacin de los mismos.

Transductores capacitivos

La presin produce la deformacin de un diafragma que constituye una de las placas de un capacitor. Al variar la distancia entre ellas se altera la capacitancia, lo que es detectado por un circuito electrnico que se disea de modo que de una indicacin proporcional a la presin.

Precisos, rpida respuesta y estabilidad de lectura, pero caros y sensibles a cambios de temperatura. Robustos y pequeos, adecuados para medidas estticas y dinmicas, pero dan una seal muy baja que necesita de amplificacin (lo que induce error).

Galgas extensometricas de diafragma

Disponen de un diafragma sobre el que acta la presin y cuya deformacin se mide mediante extensmetros elctricos. Suelen incluir amplificador y microprocesador, con lo que es posible obtener una salida analgica o digital de las caractersticas deseadas.

Muy buena respuesta de frecuencia y en algunos casos rango amplio y pequeo tamao. Son caros y requieren calibracin peridica.

Se basan en la variacin de longitud y de dimetro (y de resistencia) que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensin mecnica por la accin de una presin. La aplicacin de presin estira o comprime los hilos (segn sea el caso), modificando la resistencia y originando la medicin.Transductores piezoelctricos

Si se corta una lmina de caras paralelas de los cristales de algunos materiales piezoelctricos, y aplicamos una diferencia de presin, aparecen en cada una cargas elctricas de signo contrario. El valor de carga ser proporcional a la fuerza normal que acta sobre las caras paralelas.

Permiten medir presiones de 100 MPa o ms, se usan en especial para medir presiones q cambian rpidamente su valor dada su muy buena respuesta de frecuencia.

Inconvenientes: bajo valor de las cargas elctricas producidas, lo que exige circuitos amplificadores y especial cuidado con las aislaciones. Problema de calibracin y sensibilidad a las altas temperaturas.

9) Problemas y precauciones en la medicin de presin

La preservacin del instrumento y de su calibracin exige tomar distintas precauciones segn las caractersticas de la medicin:

Fluido corrosivo, debe evitarse el contacto del mismo con el instrumento, mediante cmara con un fluido separador o un diafragma

Alta temperatura, debe evitarse que llegue al instrumento.

Presiones fluctuantes o excesivas, pueden amortiguarse entreabriendo apenas una vlvula intercalada en la lnea.

Para la correcta determinacin de la presin:

Elegir el punto de toma de presin de modo de obtener un valor representativo de la presin. No debe perturbarse significativamente el estado del fluido con la toma.

La conduccin del fluido desde la toma hasta el instrumento puede producir errores por posibles prdidas de fluido o formacin de bolsas de agua o vapor. Para evitarlo se debe inclinar la lnea, para drenar lquidos, gases, etc.

Considerar el efecto de la altura en la toma de presin. Si el fluido es un lquido, debe introducirse una correccin de lectura. Si es un gas o vapor, se puede despreciar el efecto

Mediciones de caudal y velocidad en fluidos

1) Medicin del caudal de los fluidos

El aparato que ms se utiliza para esta medicin es el del tipo de estrangulamiento, que se basa en la medicin de la presin diferencial cuando el fluido circula por un estrangulamiento.

Flujo viscoso laminar

Si las trayectorias de todas las partculas de un fluido, que circula por una tubera recta de paredes lisas y seccin transversal uniforme, son paralelas, entonces es flujo viscoso o laminar. Todas las partculas tienen el mismo sentido de circulacin pero pueden viajar a velocidades distintas.

Flujo turbulento

Si se incrementa la velocidad del flujo variara la clase de flujo. El aumento de velocidad puede producir remolinos y torbellinos violentos, lo que da al flujo turbulento.Numero de Reynolds

Es el nmero que superado su valor, produce la variacin de flujo laminar a flujo turbulento. En piezas circulares el numero Reynolds es Re=2000.Energa de un fluido en movimiento

Por Bernoulli, la energa total de cada partcula de un fluido en movimiento permanece constante siempre que en cualquier punto del sistema no entre ni salga energa

Contadores de caudal con estrangulamiento

La velocidad de una corriente fluida aumenta al pasar por el estrangulamiento y alcanza su valor mximo en el plano de mnima seccin transversal. Aguas arriba, por el estrangulamiento, aumenta la energa y disminuye la presin. Aguas abajo la presin no recupera su valor original (prdida neta de presin, debida a la disipacin de energa en forma de calor por rozamiento interno).

2) Tipos de dispositivos de estrangulamiento

Placa con orificio

Placa que tiene un orificio axial con arista viva en lado aguas arriba y con un chafln en el lado aguas abajo. Suele insertarse entre las platinas del tubo, pudiendo estar los agujeros para indicadores de presin en alguna de las siguientes posiciones:

Agujeros de rincn: los agujeros de toma de presin se encuentran situados inmediatamente adyacentes a las caras de aguas arriba y aguas debajo de la placa

Agujero a distancias D y D/2; situados a esas distancias aguas arriba y abajo respectivamente de la placa.

Agujeros de platina; situados en las platinas del tubo, a una distancia de 25 mm de una y otra cara de la placa.

Tambin se usan dos placas para medicin de caudal de lquidos viscosos, son la placa con orificio de entrada cnica y la placa con orificio de entrada en forma de cuarto de circulo.

Placas con orificio excntrico y en forma de segmento

Para fluidos con slidos en suspensin, conviene utilizar placas con orificio excntrico, para no interferir el paso del material slido y no haya acumulacin de materias solidas en la cara aguas arriba de la placa.

Tobera y boquilla de Venturi

La tobera de flujo normal consta de una entrada convergente de forma acampanada que conduce a un cuello cilndrico corto el cual queda introducido en el tubo aguas abajo. Los agujeros de toma de presin van situados inmediatamente adyacentes al dispositivo en los rincones entre este y el tubo.

Un perfeccionamiento de esta tobera constituye a la boquilla Venturi, que consta de une tobera seguida de una boca de salida Venturi. Los agujeros de toma de presin estn situados como antes para el aguas arriba y en el estrechamiento para el aguas abajo. El dimetro de salida del tubo puede ser de la misma medida que el tubo original.

Tubo Venturi

Consta de una entrada cnica convergente que conduce a un cuello cilndrico seguido de una boca de salida cnica divergente. El agujero de toma de presin aguas arriba se halla a una distancia de la entrada convergente igual a la mitad del dimetro del tubo aguas arriba y el otro est situado en el estrechamiento.

El diseo del cono de salida tiene una influencia importante sobre el rendimiento referido a perdida de presin. Un mayor ngulo de salida, equivale a una mayor prdida de presin.Tubo de Dall

Similar al Venturi, consta de 2 troncos de cono separados por una estrecha ranura de cuello cuya longitud oscila entre 0.03 d y 0.1 d, siendo d el dimetro de estrechamiento Es mucho ms corto que el Venturi, por lo que la perdida de presin es bastante ms baja.El dimetro del cono de entrada es menor que el del tubo. Esta variacin brusca de seccin produce una presin de impacto, adems de la presin esttica del escalon. La toma de presin aguas arriba se toma antes del escaln y la otra se efecta en el estrechamiento.

Posee la ventaja de ser mucho ms corto que el Venturi normal, por lo que la perdida de presin puede ser bastante ms baja (de hasta dos o tres veces menor).Vertederos

Se usan extensamente para determinar la velocidad de fluido media para corrientes de lquidos por un canal abierto, siempre que se conozcan las dimensiones del canal y la profundidad del lquido. La velocidad media y el caudal pueden hallarse tomando una sola medicin (la altura del lquido sobre la cresta del vertedero).

Se clasifican por su forma, de escotadura rectangular o de escotadura triangular.

Eleccin de los dispositivos de estrechamiento

Vertederos: se usan para medicin del caudal en un canal abierto, particularmente cuando el fluido circula en grandes cantidades. Los de escote en V pueden usarse para la medicin de caudales ms pequeos, debido a que el mismo caudal da una mayor altura de lquido sobre la cresta que en los rectangulares, facilitando la medicin.

Para caudal en un canal cerrado, la eleccin suele quedar entre placa con orificio, tobera o boquilla Venturi y tubo Venturi.

El costo es un factor primordial, por eso son ms utilizados las placas con orificio, ya que tienen bajo costo inicial y son simples en su construccin. Tambin pueden instalarse fcilmente intercalndolas en junta con las platinas existentes en la tubera.

Las toberas son muy cortas y requieren poco espacio para su instalacin, mientras que los tubos y boquillas Venturi requieren una longitud mayor, de 2 a 6 veces el dimetro de la caera.

Los costos de mantenimiento debidos a la perdida de columna de agua permanente o prdida neta de presin deben tenerse en consideracin. Sera apreciable para orificios y toberas, pero mucho menor en boquillas y tubos Venturi.

3) Contadores de la velocidad del fluido

Pueden clasificarse en instrumentos que miden la velocidad local en un punto, o instrumentos que miden la velocidad media.

Medicin de la velocidad localTubo esttico de Pitot Combina agujeros de toma de presin total y esttica en una prueba para obtener la velocidad de flujo local. Tambin puede obtener la velocidad media y por lo tanto el caudal si se cruza la corriente hallando la velocidad en varios puntos.

Consiste de dos tubos concntricos, el exterior con una serie de agujeros taladrados que forman un ngulo recto con la direccin del flujo.

Anemmetro de filamento caliente

Una resistencia elctrica constituida por un alambre muy fino se enfriara al colocarla en una corriente de aire. La velocidad de enfriamiento ser una funcin de la diferencia de temperatura entre el aire y el filamento, y depender de la velocidad del aire.

El calentamiento se efecta elctricamente como si el alambre formase parte de un circuito puente Wheatstone, y el enfriamiento se obtiene mediante el fluido que circula sobre l, siendo la velocidad de enfriamiento proporcional a la velocidad del fluido.

Se usa de dos maneras,

manteniendo la temperatura constante mientras el fluido circula por el (lectura desde cero, exige un ajuste constante) registrando la variacin de voltaje en el puente de Wheatstone a medida que vara la resistencia del filamento (no requiere reajuste).4) Contadores de la velocidad media

Anemmetro de cazoletas

Costa de 3 o 4 cazoletas semiesfricas montadas en un plato horizontal con sus bordes dispuestos verticalmente.

Al fluir la corriente por las cazoletas, el conjunto se ve obligado a girar alrededor de su husillo, el cual acciona por medio de un engranaje, una aguja indicadora sobre una esfera donde se registran lecturas aproximadamente proporcionales a la velocidad de la corriente. La esfera esta graduada en metros, utilizndose un cronometro de tope para calcular la velocidad.

Anemmetro de paletas

Pequeo molino de viento que gira a velocidades diferentes al estar sometido a velocidades de flujo variables Debe estar alineado a la direccin de corriente para obtener lecturas precisas.

Contador comn

Posee una paleta giratoria alinendose a s mismo con la direccin de la corriente. La velocidad de rotacin de la hlice puede registrarse elctricamente mediante un tacogenerador.

Contador de turbina

Funciona de forma similar al de cazoletas, actuando con la aplicacin de una fuerza excntrica sobre alabes de un rotor parcialmente sumergido en la corriente del fluido

Anemmetro de lengeta

Lengeta metlica delgada cuya flexin se mide cuando pasa una corriente de fluido sobre ella. La flexin en el extremo de la lengeta puede leerse directamente sobre una escala o bien puede calibrarse en funcin de la velocidad del flujo la variacin de resistencia de un extensmetro fijado a la viga empotrada en la base de la lengeta.Eleccin de los contadores de la velocidad media

Los de cazoletas y paletas se utilizan normalmente para la medicin de la velocidad de flujo de los gases. Los de cazoletas se usan en meteorologa, para medir velocidades del viento.

El contador comn y el de turbina se emplean para medir velocidad de flujo de lquidos, mientras que el de lengeta se usa indiferentemente para lquidos y gases.

5) Contadores de caudal de seccin variable

Si la presin diferencial se mantiene constante mediante el ajuste del rea del orificio de estrangulamiento, esta rea es realmente una medida del caudal que pasa por l.

Contador de compuerta

La compuerta puede ajustarse a mano o por medio de un motor elctrico automticamente regulado para mantener una cada de presin constante a travs del orificio. La relacin entre el caudal y el rea no ser estrictamente lineal debido al hecho de que el factor de velocidad de acceso aumentara a medida que aumenta el rea.

Contador de orificio y obturador

El obturador cnico tiene una forma tal que el rea del espacio anular entre l y el orificio es proporcional al desplazamiento de ascenso del mismo. La altura que sube el obturador cuando un fluido pasa por el instrumento es una medida de caudal.

Rotmetro

Consta de un tubo largo vertical graduado que posee una conicidad uniforme, dispuesto de modo que la seccin mnima este en la base.

Dentro del tubo se mueve libremente un flotador, sin chocar contra las paredes del tubo, y que cuando el fluido pasa a su travs, lo hace girar.

6) Contadores cuantitativos

Miden la cantidad total de fluido que ha circulado en un tiempo determinado. La cantidad de fluido medida durante cierto tiempo se divide por este tiempo para determinarse un valor medio de caudal.

Se dividen en los que indican el peso de fluido circulado y los que indican el volumen.

Contadores gravimtricos

Cuando el lquido fluye en cantidades suficientemente pequeas puede usarse un deposito gravimtrico para obtener el peso del lquido descargado en un periodo determinado. Siempre que se conozca la densidad del lquido, podr calcularse el volumen del caudal circulante.

Contadores volumtricos

Al pasar el lquido por el aparato, hace mover un elemento de medicin que cierra la cmara de medicin formando un cierto nmero de comportamientos de volumen determinado. En tanto que el elemento se mueve, estos compartimentos se llenan y vacan sucesivamente. Para un ciclo, pasa una cantidad de lquido conocida a travs del contador entrando por un orificio de alimentacin y saliendo por uno de expulsin.

Algunos contadores volumtricos tpicos: de lbulos giratorios, de paletas giratorias, de disco inclinable, de pistn de movimiento alternativo.

Contadores electromagnticos

Un sistema electromagntico dirige un campo magntico a travs de una seccin del tubo, de modo que acte normalmente a la direccin el movimiento del fluido, producindose un voltaje inducido V.

Suelen emplearse dos tipos de contador, uno de ellos consta de una tubera no conductora para evitar el corto circuito de la fem, y se emplea en fluidos de baja conductibilidad. Los electrodos van montados a nivel de la tubera no conductora, de modo de hacer contacto con el fluido. Seal debe ser amplificada.

El otro tipo se usa con fluidos de gran conductibilidad, y se emplea un tubo de acero inoxidable con los electrodos directamente unidos a su parte exterior y colocados diametralmente opuestos. Seal directa para ser leida.

Una ventaja de estos contadores es que no ofrecen obstruccin al paso del fluido, por lo que son adecuados para fluidos que contienen materiales en suspensin.

Temperatura

1) Conceptos Generales

Capacidad calorfica apropiada para termmetro

Al colocarse dos cuerpos en contacto pueden darse dos posibilidades: que no haya transferencia de calor (ambos cuerpos estn a la misma temperatura), o que si haya.

Para medir la temperatura de un cuerpo podemos utilizar un cuerpo especial que denominamos termmetro, que deber tener tres caractersticas principales:

Poseer una caracterstica (magnitud termomtrica) cuya variacin con la temperatura sea receptible y fcilmente medible con precisin.

Tener una capacidad calorfica muy baja de modo que al colocrselo en contacto con el cuerpo cuya temperatura queremos medir, no vare la temperatura de este

El tiempo en que se alcance el equilibrio trmico no sea muy grande

2) Instrumentos de medicin de temperaturas

Utilizan diversos fenmenos que son influidos por la temperatura, entre los cuales figuran:

Variaciones en el volumen o en estado de los cuerpos

Variacin de resistencia de un conductor

Variacin de resistencia de un semiconductor

Fem creada en la unin de dos metales distintos

Intensidad de la radiacin total emitida por el cuerpo

Otros

Termmetros de bulbo y capilar

Consisten en un bulbo conectado por un capilar a un recibidor. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o liquido del bulbo se expanden y el recibidor tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala. Miden la variacin de volumen, que se traduce en una indicacin en el recibidor.Hay cuatro clases de este tipo de instrumento:

Clase I: termmetros actuados por liquido

Clase II: termmetros actuados por vapor

Clase III: termmetros actuados por gas

Clase IV: termmetros actuados por mercurio

Termmetro de vidrio

Constan de un recipiente de dimensiones relativamente grandes (bulbo) del cual sale un tubo de pequeo dimetro (capilar) con un lquido (agente termomtrico) en su interior que ocupa todo el bulbo y parte del capilar.Al producirse la variacin de temperatura el lquido vara su volumen, que se refleja en la variacin de la longitud del capilar ocupado por el lquido y da la medicin. Dado el tamao del capilar, una pequea variacin de volumen se traduce en una gran variacin de la longitud, que resulta fcilmente medible.

Puede tener un ensanchamiento del capilar, para reducir su longitud o permitir contracciones de la columna liquida, una escala auxiliar para calibracin, una lnea que indica hasta donde debe sumergirse el termmetro en el fluido.Muy utilizados por su sencillez, buena exactitud y bajo costo.

Principales inconvenientes: salida visual, fragilidad, no ser aptos para altas temperaturas.

Para el correcto funcionamiento, el agente termomtrico debe permanecer en estado lquido.

Termmetro bimetlico

Se fundan en el distinto coeficiente de dilatacin de dos metales diferentes, laminados conjuntamente. Las lminas bimetlicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hlices. Estn constituidos por dos lminas metlicas adosadas entre s que a cambios de temperatura deflexionan. Cuando la temperatura es superior a aquella a la que se unieron las lminas, el conjunto se dobla hacia el lado del material de mejor coeficiente de dilatacin.

Contiene pocas partes mviles (solo la aguja indicadora y el propio elemento). Se les da distintas formas segn la finalidad a cumplir, pero para mayor exactitud y sensibilidad se emplea las de forma de hlice y espiral.Son robustos y se los utiliza en el rango -35 a 700 C.Termmetro de resistenciaUtilizan sondas de resistencia, la medicin depende de la caracterstica de resistencia en funcin de la temperatura, propias del elemento de deteccin. Para un rango de temperaturas intermedio, la relacin entre la resistencia y la diferencia de temperatura es lineal.

La zona sensible a la temperatura puede ser parte de la carcasa (se sumerge toda la misma en el fluido a medir) o solo la punta (se aplican sobre la superficie que hay q medir).

El metal a utilizar como elemento sensor debe cumplir dos requisitos bsicos:

Parmetros deben ser muy estables en el tiempo y poco afectados por el proceso de fabricacin,

Alto coeficiente de temperatura de la resistencia,

Alta resistividad

Relacin lineal resistencia-temperatura

Rigidez y ductilidad

Estabilidad de las caractersticas durante su vida til

Los que cumplen estas caractersticas son el platino (ms utilizados, alta exactitud, aunque caros), el cobre (solo apto para bajas temperaturas, alto grado de reproductibilidad y respuesta lineal, pero baja resistividad) y el nquel (coste intermedio pero no es lineal y puede utilizarse hasta 300C).

Termistores no metlicos de resistencia variable

Ciertas mezclas de xidos de metales o materiales semiconductores presentan una variacin de la resistencia con la temperatura, negativa y muy grande. Los hace aptos para que con ellos se fabriquen termmetros altamente sensibles como los termistores, ya que la resistencia puede variar varios cientos por grado Celsius.

Pueden ser muy pequeos (baja capacidad calorfica) y no introducir errores. Responden a cambios bruscos de temperatura (baja inercia qumica).

Inconvenientes:

No linealidad de la relacin R T

Rango de trabajo limitado

Frgiles y propensos a descalibracion si estn a alta temperatura

Termopares (termocuplas)

Leyes, curvas y tablas caractersticas, tubos de proteccin y seleccin

Un termopar o termocupla es un sistema compuesto de dos alambres homogneos, de dos metales o aleaciones diferentes que estn solados entre s por un extremo y conectados por el otro a un instrumento que mide la fuerza termo motriz producida por el termopar. Son los termmetros ms usados en la industria.

El extremo soldado es el que se pone en contacto con el cuerpo o medio cuya temperatura se quiere medir. Aparecer una fuerza termo motriz entre los dos metales una vez q se somete una temperatura a la unin intima. Dado un determinado par de materiales, la fuerza generada es funcin exclusiva de la temperatura.

Ventajas:

Versatilidad para adaptarse a mediciones muy diversas

Resistentes a los golpes y vibraciones

Tamao pequeo y respuesta rpida

Bajo costo del sensor

Inconvenientes

Seal de salida pequea

Requiere cables de compensacin y junta fra

Aunque el costo es bajo, el sistema de medicin puede no serlo

Baja estabilidad en el tiempo

Cuplas ms utilizadas:

Fe-Constantan (J): pueden utilizarse sin proteccin en distintos tipos de atmosfera excepto oxidantes

Cromel-Alumel (K): la ms usada. Limitado en atmosferas reductores o vaco

Cromel Constantan (E): la de mayor sensibilidad. Uso limitado en atmosferas reductoras o vaco.

Pirmetros de radiacin:

Mtodo de medicin sin contacto, basado en la radiacin trmica de los cuerpos. Miden la potencia radiante de una cierta rea de la superficie del objeto y a partir de ella y del conocimiento de la emisividad, determinan la temperatura. Uno de los problemas es que miden la temperatura promedio en un rea superficial que depende de la distancia de medicin y del equipo.

Costo bajo para equipos bsicos, pero aumenta en aquellos que se puede ajustar la emisividad, con centrado por lser, focalizados para reducir el rea de medicin o para temperaturas muy altas.

Ventajas:

No existe lmite superior de medicin

Pueden medir temperaturas imposibles por otros mtodos, a gran distancia y en objetos en movimiento.

Aptos para medir temperaturas rpidamente variables

Inconvenientes

Problema de la emisividad

Tamao del rea de la medicin

Falta de sensibilidad para bajas temperaturas

Pirmetros pticos

Miden la temperatura de un cuerpo en funcin de la radiacin luminosa q este emite. Se basan en la desaparicin del filamento de una lmpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado.

Consisten en un disco rotativo que modula desfasadas la radiacin del objeto y de una lmpara estndar que inciden en un foto tubo multiplicador, que enva una seal de salida en forma de onda que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentacin de la lmpara estndar hasta que coinciden en brillo de la radiacin del objeto y de la lmpara. En ese momento, la intensidad de corriente que pasa por la lmpara es funcin de la temperatura.

Pirmetro de infrarrojos

Capta la radiacin espectral del infrarrojo, y puede medir temperaturas menores a 700C, supliendo al pirmetro ptico. La lente filtra la radiacin infrarroja emitida por el rea del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura. Al igual que en el ptico, debe considerarse el coeficiente de emisin del cuerpo.

Termmetros por cambio de color

Permiten determinar si la temperatura de una superficie alcanzo o supero un valor de temperatura, que es cuando se produce el cambio irreversible de color. Se utilizan en mantenimiento preventivo para detectar sobrecalentamiento en el rango de 30 a 600C.

Precauciones para tomar la temperatura

Medicin precisa de temperaturas muy altas o muy bajas es dificultosa. Precauciones generales:

En general debe elegirse el sensor de baja capacidad trmica para no alterar las condiciones del fenmeno que deseamos medir.

Como debe medirse la temperatura en la zona donde se coloca el sensor, puede ser necesario colocar pantallas para evitar que este reciba radiacin directa de zonas de altas temperaturas prximas

Si hay variacin de temperatura en la masa del fluido, debe colocarse todo el sensor en la zona que se encuentre a la temperatura a medir.

Para temperaturas fluctuantes debe elegirse un sensor con baja inercia trmica.

Determinacin precisa de diferencia de temperaturas es difcil, debe disponerse de instrumentos especiales.

Medir la temperatura de una superficie por contacto es difcil, debe colocarse un sensor pequeo adherido a la superficie y probablemente alojado en forma parcial por una ranura.

Potencia

Potencia en maquina con fluidos

Podemos distinguir dos tipos de potencias, la que el fluido que evoluciona entrega o recibe del rgano mvil (potencia interior o indicada) y la potencia que la maquina recibe o entrega en el eje (potencia efectiva exterior, efectiva, o en el eje). La diferencia entre ambas se llama potencia de prdidas.

Si la maquina entrega energa mecnica, recibe el nombre de motor. Si en cambio el fluido recibe energa, la maquina es una maquina receptora.

La potencia de perdida en motores de combustin tiene origen en el rozamiento entre las partes mviles y el accionamiento de los dispositivos auxiliares necesarios para el funcionamiento del motor.

Determinacin de la potencia interior de las maquinas

En mquinas alternativas:

Aquellas donde se desarrolla en uno o ms volmenes cerrados, con una pared mvil, un conjunto sucesivo de operaciones distintas y al cabo de cierto tiempo, el proceso vuelve a repetirse y as indefinidamente.

En mquinas de flujo continuo:

Donde se realiza un proceso en el que el estado de cada punto de la maquina no cambia con el tiempo y el caudal de fluido que circula por ellas es constante.

2) Ensayo de mquinas alternativas

Segn la forma de operacin de la mquina, se puede clasificar en:

De transmisin: maquina acciona su carga habitual. Permite el estudio en condiciones reales, y en muchos casos en forma permanente, pero no se puede cambiar a voluntad la carga.

De absorcin; el motor se coloca en una instalacin especial que actuara como carga o freno controlable. Ideal para establecer las potencialidades del motor desde el punto de vista del usuario, pero no para controlarlo en servicio ni conocer el comportamiento interno del mismo.

De mando; se acciona la maquina con un motor auxiliar. Forma de ensayar maquinas en condiciones q no son las de servicio.

Segn la forma de medir potencia efectiva

Directo; se mide el par motor o absorbido por la mquina y la velocidad de giro

Indirecto: se determina la potencia indicada a partir del diagrama indicado. A partir de un ensayo independiente se determina el rendimiento mecanico y finalmente en motores se calcula la potencia efectiva. Menos exacto (dificultades para conocer el rendimiento, imposibilidad de obtener el diagrama indicado), pero apropiado para motores lentos, pues es el ms simple (no requiere medir par, mas confiable y proporciona una informacin muy rica del funcionamiento del motor).

Mtodo indirecto de medir la potencia efectiva

Se basa en la obtencin del diagrama presin en funcin del volumen, por lo que debe medirse la presin y el volumen en forma continua para poder realizar el diagrama. Pueden ser construidos directamente por el sistema o a partir de mediciones independientes.

Aparato indicadorConsta de un pistn con un vstago controlado por un resorte, que se conecta con el cilindro de la maquina de modo que una cara reciba la presin del fluido que evoluciona dentro de la maquina y la otra, la presin del ambiente.

Transductor de presionse coloca uno en un punto del cilindro no barrido y otro en posicin del pistn, brinda la informacin del volumen encerrado por el pistn en el cilindro. Las salidas de los trasductores se envan directamente a la entrada de un osciloscopio o una computadora, donde se lee el diagrama.

Tiene como ventaja la carencia de limitaciones en la velocidad de la maquina a ensayar, la salida elctrica y si utilizamos la computadora, la capacidad de analizar las caractersticas del ciclo.

Inconvenientes: necesidad de trasductores y sus problemas de instalacin y calibracin.Mtodos directos para medir potencia efectiva.Si opera en condiciones de servicio, se coloca entre la salida del motor y la carga un dinammetro de transmisin (elemento que mide el momento torsor y casi no absorbe energa), que se basa en medir la deformacin elstica de un elemento deformable. De uso creciente, en especial los de salida elctrica ya que permiten medir en condiciones de sericio y a veces se usan como sensores en sistemas de control automticos.

Si opera en una instalacin especial, el sistema de medicin de potencia ser el encargado de disipar o entregar la energa mecnica necesaria para el funcionamiento de la maquina a ensayar. Midiendo el momento de freno, conoceremos el momento motor y sabiendo las rpm (constantes en el ensayo) podemos medir potencia.

Principales sistemas de absorcinProny

Consta de un brazo basculante que tiene una seccin curva que se adapta al volante de la maquina y una cinta de acero o cuero suspendida del brazo que se ajusta sobre la parte superior del volante. Se procude un momento que equilibra al momento motor, quedando estacionario el brazo y transformndose la potencia de la maquina en calor en la zona de friccion.

Se enfria la zona de friccion con agua, pero la capacidad de disipacin limita la potencia de la maquina que puede ensayarse con este freno.

Ventajas: sencillez constructiva, bajo costo

Limitaciones: velocidad mxima por inestabilidad y vibraciones, por su par frenante constante con la velocidad y la potencia disipable que varia segn detalles constructivos pero nunca mas de algunos cientos de CV.

Hidraulicos

Constan de un rotor que gira dentro de una carcaza o estator llena de agua. Al funcionar el freno, el agua sufre un movimiento turbulento que produce una gran friccion interna en el liquido. El freno no sufre recalentamientos perjudiciales ya que el calor se disipa tan rpidamente como se genera.

La resistencia que el agua opone a la rotacin reacciona sobre el estator, producindose una cupla igual a la motriz, que es equilibrada por medio de un peso aplicado sobre el extremo de una palanca o juego de palancas solidarias al estator.

La regulacin de la carga se efectua en estos frenos por medio de un volante accionado exteriormente, que abre o cierra un cierto numero de compartimentos, lo que hace variar la superficie de trabajo.

El campo de utilizacin de un freno hidrulico esta limitado por distintas razones:

Existe un momento frenante mximo

No puede superarse cierta velocidad limite

Limite de disipacin de potencia

Trabajan muy bien en la zona de potencia media y alta, pero en el rango de bajas potencias pueden ser complementados con un freno de cinta. No presentan prcticamente limitaciones de potencia. Son muy estables y de costo menor a los elctricos.

Electricos

Puede conectarse el motor a un generador, pero se prefieren dispositivos diseados especficamente para determinar la potencia.

Dinamo dinamomtrica

Es el freno mas practico y de mayor utilidad en todos los casos en que su aplicacin es posible. Brillantes caractersticas de sensibilidad y precisin para la determinacin del par motor aun a cargas reducidas. Consta de un dinamo comn de inducido anular en el cual el estator esta montado sobre cojinetes de bolilla de modo que ellos son equilibrados con pesas aplicadas a un brazo de palanca solidario con la carcaza.

La regulacin de la carga se efectua variando la corriente de excitacin de la dinamo por medio de un restato.

Estos frenos, adems de ser mucho mas caros que los hidrulicos no se adaptan para motores de elevada potencia, ni muy veloces por la inercia de las partes giratorias.

Cuando la potencia a medir excede la capacidad del freno, e le acopla un dinammetro hidrulico. El conjunto constituye una especie de banco universal y se emplea en motores muy veloces para medidas precisas.

De corrientes inducidas

De uso poco frecuente, ya que no son muy estables y son de poca precisin.

Constan de un estator de hierro fundido y un rotor dentado donde se aloja una bobina excitada exteriormente. Al girar el rotor se varia el flujo magntico, lo que genera corrientes parasitas o de Foucault. La potencia absorbida se controla variando la corriente de excitacin en el campo del dinammetro.Conclusiones generales para los frenos de absorcin

De todos los frenos, los de empleo ms general son los hidrulicos, satisfactorios en lo que se refiere a la exactitud de las determinaciones. Tiene que cumplir con las siguientes condiciones:

Debe ser capaz de absorber una potencia superior a la mxima que puede entregar el motor a ensayar

Debe ser capaz de eliminar el calor generado al transformar el trabajo mecnico entregado por el motor en ensayo, para que no sufran calentamiento perjudicial los elementos constitutivos del sistema.

Debe ser estable, o sea debe poder aumentar su cupla resistente cuando por cualquier circunstancia aumenta el par motor, de manera de estabilizar la marcha del motor a una velocidad solo levemente superior a la del anterior estado de equilibrio.

Confiabilidad

1) Conceptos generales

Confiabilidad: medida cuantitativa de la calidad de servicio. La confiabilidad de un sistema es la probabilidad de que al cabo de un tiempo establecido funcione dentro de los lmites prefijados, si en todo ese tiempo las condiciones de servicio han sido las especificadas.

Falla: apartamiento inadmisible del funcionamiento previsto. Puede incluir o no el cese del cumplimiento de la funcin. El mantenimiento preventivo es una parte del funcionamiento previsto y no se considera falla.

La confiabilidad se ver afectada si las condiciones de servicio se apartan de lo especificado.

Disponibilidad

En sistemas reparables, existen 3 estados posibles: funcionamiento, en reparacin o no reparable. La disponibilidad D(t) es la probabilidad de que el sistema est funcionando al finalizar el periodo t, haya o no sufrido reparaciones en el mismo.

Para muchos tipos de sistemas, luego de un estado transitorio inicial relativamente breve, la disponibilidad tiende a alcanzar un valor estable.

Esquema general

Para sistemas reparables puede utilizarse el concepto de confiabilidad no considerando los tiempos de reparacin y admitiendo que estas retornan el sistema a un estado igual al original antes de la falla.

2) Fundamentos

Definiciones y formulas generales

El momento en que se presenta la falla depende de numerosas circunstancias, muchas de las cuales son variables en forma no previsible, por lo que lo mximo que se puede conocer es la probabilidad que se presente en cierto lapso de tiempo.Otra forma de analizar el proceso es ver la forma en que se distribuyen los tiempos de falla de un conjunto de sistemas idnticos en condicin similares de funcionamiento.

La distribucin de los tiempos de falla de un conjunto de sistemas idnticos esta caracterizado por el tiempo medio de falla T, que puede especificarse como:

Una duracin temporal de uso continuo incluyendo si es que existen las paradas normales en el servicio,

Una expresin del uso (por ej, camino recorrido en km, caudal, numero de arranques y paradas, etc)

Curva de la baera

En muchos casos la variacin de la razn de falla a lo largo del tiempo puede presentarse segn una curva que se divide en 3 partes

I) Fallas tempranas: etapa en que se manifiestan las fallas de fabricacin o montaje. Puede considerarse terminada cuando todos los productos defectuosos han sido retirados de servicio.

II) Fallas aleatorias: corresponde al funcionamiento normal del elemento y en general es aceptable decir que en el mismo la razn de falla es constante

III) Fallas por desgaste: la razn de falla es creciente, y en algn momento alcanza un nivel A donde es ms conveniente reemplazar el elemento que arriesgarse a las consecuencias de un fallo imprevisto.La vida til del elemento definida al fijar una tasa de falla, que hace tcnica y econmicamente conveniente cambiar o reparar el producto aun no fallado.

No siempre se presenta este tipo de curva, a veces hay fuerte predominio de la zona II (productos electrnicos), o se ausenta totalmente como en muchos elementos mecnicos.Mejora de confiabilidad

Pasos necesarios para reducir la tasa de falla dependen de la etapa en q nos encontremos.

I) Mediante el diseo y controles de calidad, podemos reducir la variabilidad de las caractersticas del producto, pudindose llegar a que no se presente esta etapa mediante un control final.

II) Se puede reducir haciendo el elemento menos sensible a las condiciones ambientales y de servicio, haciendo el elemento ms robusto o reduciendo la especificacin de carga. Tambin debe destacarse la importancia del mantenimiento preventivo, para retrasar el momento en que termina esta etapa.

III) Lo fundamental adems del preventivo es tomar en cuenta que la confiabilidad es un criterio estadstico y mediante las inspecciones podemos detectar los elementos que presentan un comportamiento no adecuado o una probabilidad de falla tan alta que haga conveniente su reemplazo o reparacin.Prediccin de confiabilidad

Generalidades

Es el proceso de pronosticar, basndose en la tasa de falla de los componentes, la confiabilidad del sistema. til en la etapa de diseo, y se inicia con la recopilacin de datos de confiabilidad, la estimacin de la misma para los elementos a fabricar a partir del tipo y mecanismo de falla, y para algunos casos crticos la realizacin de ensayos a fin de obtener valores mas seguros de la confiabilidad.

Para establecer la forma en que la confiabilidad del conjunto depende de la de sus partes se recurre al anlisis de falla y arquitectura de confiabilidad, expresin que se establece del anlisis de confiabilidad utilizando casos bsicos como serie y paralelo.

Anlisis de falla del sistema

Los mecanismos de falla permiten establecer como probablemente fallar cada uno de los elementos que componen el sistema e incluso cul es su confiabilidad. Una vez efectuado el anlisis, se procede a identificar las debilidades del sistema y proponer caminos para reducir la probabilidad de falla y/o minimizar sus efectos en el comportamiento del sistema.

El anlisis puede hacerse de dos maneras: Modo de falla (estudiando el efecto de la falla para cada uno de los elementos del sistema) rbol de falla: (estableciendo para los principales defectos de funcionamiento cuales son las causas concurrentes para que se produzcan) Busca determinar las causas de un mal funcionamiento, cuya descripcin ocupa la parte superior del rbol, bajando a causas ms secundarias. En la copa colocamos el corte total de energa, siendo sus causas primarias el corte de energa externo y la falla de alimentacin del sistema de emergencia, y se tienen que dar conjuntamente (conectivo lgico Y). Para que falle el sistema de emergencia, basta que falle el dispositivo que detecta el corte o que falle la entrada de operacin del generador diesel, por bastar una de las condiciones se usa el conectivo lgico O:

Son generalmente mas complejos y pueden proporcionar un medio excelente para hacer modificaciones en el diseo del sistema para prevenir fallas de graves consecuencias.

Elementos en serie

Considerando que la falla de cada uno son sucesos independientes, el sistema ser confiable si a la vez todos los componentes no fallan.

La confiabilidad disminuye rpidamente con el numero de elementos en serie y bastan unos pocos elementos de baja confiabilidad para reducir fuertemente la confiabilidad del conjunto.

Elementos en paralelo

Para aumentar la confiabilidad, se pueden detectar elementos crticos y colocarles en paralelo elementos que pueden cumplir la misma funcin.

Multiples formas de hacer esto:

I) Solo se produce falla cuando todos los elementos en paralelo han fallado

II) Los elementos en paralelo o funcionan simultneamente y si se produce la falla no se altera el funcionamiento del sistema, o solo uno funciona y cuando falla automticamente se conmuta a otro elemento en paralelo sin uso.

III) No se remplazan los elementos defectuosos ni se los repara

IV) La tasa de falla de un elemento no se ve afectada por la falla de otro elemento, y es nula mientras no funcione.

V) La deteccin de falla y la conmutacin es instantnea y sin fallas

Pocas veces se verifican las hiptesis, debindose analizar en cada circunstancia si el apartamiento de una o mas de las mismas exige el empleo de los mtodos de anlisis mas complejos.

Analisis de confiabilidadSe parte del conocimiento de la arquitectura del sistema y de la confiabilidad de cada elemento. Se agrupan los elementos en subsistemas y se calcula la confiabilidad, hasta que quede un solo elemento, cuya confiabilidad representa la confiabilidad del sistema.

Sintesis de sistemas, dos casos

Dada la arquitectura y una confiabilidad deseada, hallar la confiabilidad de cada elemento para cierto tiempo o determinar el tiempo medio de falla para elementos de cierta tasa de falla, o

Dada la confiabilidad de los elementos y la buscada para el sistema, hallar la arquitectura que satisfaga estas condiciones.

Ensayos de confiabilidad

La prediccin teorica de confiabilidad presenta grandes limitaciones pues exige un conocimiento acabado de la estructura de confiabilidad del sistema, de la distribucin y tiempo medio de falla para cada uno de los elementos que por su participacin en el funcionamiento y/o su baja confiabilidad intrnseca determinaran en forma decisiva la falla del sistema

En la practia, muchas veces no es alcanzable este conocimiento, y ser necesario determinar la confiabilidad en forma experimental mediante ensayos especficos.

Dado que el tiempo medio de falla es bastante grande no podr simplemente obtenerse como promedio del uso de varios elementos, sino que ser necesario acortar el tiempo de ensayo por dos caminos:

I) Se somete a un conjunto relativamente grande de elementos a las condiciones de servicio.

II) Mediante condiciones de servicio o ambientales mas severas que la especificadas para su uso, se reduce la vida de los elementos en ensayo y posteriormente se calcula el valor para las condiciones de uso.

Ensayo de vida aceleradosAun con ensayos acortados, el tiempo necesario para obtener resultados estadsticamente validos suele ser muy grande por lo que se requieren los ensayos acelerados que pueden dividirse bsicamente en dos campos.

De compresin del tiempo

De exigencia incrementada

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