UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

Proyecto Interdisciplinario

Rediseño de la Canaleta Palmer Bowles para la empresa Tem Edie

Aguirrezábal Castellote Andrea Barrera Avendaño Erick R.

Cortés López Rafael Hakata Ortega Koji F.

Limón Prado Arturo Joachim López Martínez Luis Enrique

Martínez González Mario Alberto Martínez Ramírez Darío Germán

Peralta Mendoza Enrique

México, D.F., a 6 de diciembre de 2006. Semestre 2007-1

Resumen El siguiente es un proyecto interdisciplinario realizado por alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial, Ingeniería Mecánica, Ingeniería Mecatrónica y Diseño Industrial. Así, los alumnos de éstas distintas disciplinas nos unimos en equipos y nos reunimos con empresarios para atender sus necesidades. La empresa que se nos asignó es Tem Edie, Tecnologías, Medición, Ecología. Tem Edie es una empresa mexicana que nace en 1992 y se dedica a ofrecer soluciones para la medición de flujo y nivel en tuberías llenas o parcialmente llenas (abiertas) para todo tipo de líquido. Nuestro proyecto específicamente fue rediseñar una canaleta Parshall (para canal abierto) junto con su medidor de acuerdo a las especificaciones que el cliente requería. Se realizó un PDP y se encontraron los factores limitantes de éste diseño. El factor más crítico en nuestro caso fue el costo total, debido a que tenía que ser menor a $6,000.00 pesos y ni siquiera existen medidores a ese precio. Considerando lo anterior se decidió tomar un principio físico de medición y adaptarlo. El principio que imitamos es el de un flotador con un potenciómetro. Encontramos después de varias sesiones de lluvias de ideas e investigación sobre todo tipo de sensores, que ésta alternativa aún con sus desventajas es la más viable. En cuanto a la canaleta se planteo una solución estructural novedosa, la cual permite la implementación del medidor y facilita la instalación. El material que elegimos fue fibra de vidrio debido a las ventajas que nos proporciona de acuerdo a los requerimientos de peso, acabado y resistencia. Los objetivos del proyecto fueron alcanzados ya que se alcanzaron soluciones económicamente viables para el proyecto asignado. Además, pudimos darnos cuenta de la importancia de hacer un trabajo interdisciplinario y de los diferentes puntos de vista que como profesionistas podremos aportar pronto en el mundo real.

Tabla de Contenido 1. Introducción 2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 2.1Objetivos y alcances del proyecto. 2.2 Descripción del producto 2.3 Reporte de Benchmarking 2.4 PDP 2.5 Lista de especificaciones 2.6 QFD 3. DISEÑO CONCEPTUAL 3.1 Búsqueda de Información 3.2 Opciones de Solución 3.3 Experimentación 3.4 Evaluación y Selección de Opciones 4. DISEÑO DE CONFIGURACIÓN 4.1 Opciones de Solución 4.2 Dibujos y Modelos a 3D 4.3 Evaluación y Selección 4.4 Planos y Especificaciones 4.5 Modelos 4.6 Propuestas de Proceso de Fabricación 5. COSTOS 5.1 Costo del proyecto 5.2 Costo de materiales 6. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS FINALES 7. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍAS 8. ANEXOS (POR TEMA Y CON MINUTAS)

1. Introducción El siguiente reporte detalla el proceso de rediseño de la canaleta Parshall con su medidor para la empresa Tem Edie. El reporte se divide en 4 partes importantes:

- Definición del problema - Diseño conceptual - Diseño de configuración - Estudio de factibilidad

En la definición del problema se estudió a fondo lo que los empresarios necesitaban que el producto ofreciera a sus clientes. Se trazaron los objetivos y el alcance del proyecto para tener expectativas claras sobre lo que teníamos que lograr y que los empresarios también tuvieran claro lo que iban a recibir. Se analizó a la competencia por medio de benchmarking. Se realizaron también el Perfil de Diseño del Producto (PDP) y la Casa de la Calidad (QFD). Después, al tener los requerimientos claros los convertimos en especificaciones. Durante la etapa de diseño conceptual por medio de técnicas de investigación recaudamos toda la información necesaria para tomar una decisión. Analizamos por medio de tormentas de ideas todas las opciones de solución, evaluándolas para así seleccionar la mejor de las opciones. Durante el diseño de configuración se analizó la factibilidad de las opciones de solución en cuanto a lo que refiere el proceso de fabricación. También se llevaron a cabo los dibujos, los modelos a 3D y todos los planos necesarios. Por último se realizó un estudio de factibilidad financiera. Dicho estudio detalla el costo de producir 50 piezas al año y la ganancia obtenida para el precio especificado ($6,000.00 pesos). Además podrán encontrar conclusiones, comentarios y áreas de oportunidad que nosotros encontramos.

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 2.1 Objetivos y alcances del proyecto.

Rediseño de una canaleta para medir el flujo de agua que pasa por el drenaje que ha sido usada por la industria o algunos comercios.

Cambiar el sensor que normalmente se utiliza (sensor ultrasónico) para el

medición de nivel en la canaleta, ya sea haciendo un diseño basado en algún principio ya conocido (capacitivo, puntual, inductivo, mecánico, mems, etc.) o comprar alguno que ya se encuentre en el mercado, adaptándolo al diseño de la canaleta.

Investigar si es posible utilizar un nuevo tipo de de material para la

fabricación de la canaleta que cumpla con las características mínimas requeridas por ésta, o de lo contrario, si no se encuentra viable se optará por no cambiar el material que ya es usado (poliéster con fibra de vidrio).

Realizar una propuesta de diseño en la canaleta para lograr una mejor

manera de colocación de la canaleta en sistema de drenaje que facilite al comprador dicha colocación y evitar que se tenga que contratar a un intermediario, un plomero por ejemplo, para que realice este trabajo.

Realizar un prototipo de la canaleta y el medidor de flujo con las

características antes descritas.

Que el costo total de la fabricación de la canaleta no sea mayor a $6000.00.

2.2 Descripción del producto Lo que se diseñó es una canaleta prefabricada, con seguridad en sus dimensiones, moldeada en una sola pieza. La canaleta es resistente a la corrosión y cuenta con una construcción resistente. Además es un producto de baja inversión. Su fabricación permite soportar el ataque químico de líquidos corrosivos. Su estructura facilita la instalación. El material de fabricación es fibra de vidrio y proporciona ligereza, resistencia y una superficie lisa. Además cuenta con un indicador de nivel confiable.

2.3 Reporte de Benchmarking

En la actualidad existen muy pocas empresas que se dediquen a la fabricación

y distribución de canaletas de medición de flujo para canal abierto, tanto a nivel

nacional como de América Latina. A continuación se hace una descripción de

las canaletas ofrecidas por nuestro distribuidor, así como de otras compañías;

para finalmente, hacer una breve comparación entre ellas.

TEM –EDIE

Canaleta Parshall.

Medidor de flujo para canal abierto.

Características.

- Baja inversión

- Dimensiones estables (canaleta prefabricada moldeada en una sola

pieza).

- Construcción resistente (bridada de 2 in).

- Resistente a la corrosión (fabricada en poliéster, reforzada con fibra de

vidrio).

- Fácil instalación.

- Superficie lisa y blanca.

- Durable.

- Indicador de nivel (opcionalmente se suministra un regleta).

- Selección de garganta apropiado.

STREAMWATER

Canaleta Parshall CP-SW.

Las canaletas Parshall Streamwater son de la más alta calidad y confiabilidad,

están construidas de resina de poliéster reforzadas con fibra de vidrio y

travesaños. También se hacen pedidos especiales en acero y acero inoxidable.

Ventajas:

- Alta durabilidad.

- Medidas exactas.

- Mejor medición que en el concreto.

- Fácil instalación.

- Fácil traslado.

Las canaletas Parshall desarrolladas por Streamwater pueden ser utilizadas

para lectura directa a través de una regla graduada o un medidor ultrasónico

de caudal.

Se dispone de un departamento de ingeniería que puede desarrollar equipos

especiales para satisfacer cualquier requerimiento de los clientes.

INTERTRAMP

Canal Parshall.

Se fabrica en polipropileno y lleva incorporado una regleta y un soporte para la

instalación del medidor por ultrasonidos.

Es preciso tener un flujo laminar (caudal horizontal, agua estancada sin

remolinos) y no debe haber obstrucciones ni en la boca de entrada ni en la

salida del canal. Antes del punto de medición, el canal tiene que extenderse por

lo menos diez veces la anchura de la sección de entrada del canal. En la parte

de la salida la única exigencia es que el flujo discurra libremente.

Tamaño

[mm]

Qmin

[m3/h]

Qmax

[m3/h]

Hmax

[mm]

Peso

[kg]

25 0,32 19 210 8,2

50 10 100 393 10,3

75 27,5 275 591 16,5

150 60 600 609 33,0

225 12 1200 753 43,5

300 20 2000 885 100,0

Material: Polipropileno

Rango de PH: pH 3-10

Rango de Tº: 20... + 30º C, por cortos periodos

de tiempo hasta 90 º C

Dimensiones

Tamaño [mm] A1 A2 B C1 C2 D E1 E2

25,4 300 58 25,4 167 93 635 229 167

50 410 58 50,8 214 135 774 334 255

75 610 75 76,2 259 178 914 379 298

150 610 155 152,4 397 394 1525 517 514

225 762 143 228,6 575 381 1626 695 501

300 914 270 304,8 845 610 2867 965 730

TECNOEDU

Una serie de canales de flujo y represas para la medición de caudales de agua

en canales abiertos.

Los componentes están fabricados de materiales resistentes y duraderos, pero

de fácil manejo durante la instalación.

Todos los canales de flujo y represas tienen las siguientes características:

- Bajo coste.

- Muy portátil.

- Extremadamente duradero.

- Construidos en GRP ( plástico reforzado con fibra de vidrio).

- Se suministran con escalas de medición, niveles de burbuja y curvas de

calibración.

Características técnicas.

- FEX26-1: Canal de flujo de Parshall con garganta de 25mm para

caudales de 0,3 a 5 litros/seg

- FEX26-2: Canal de flujo de Parshall con garganta de 51mm para

caudales de 0,5 a 14 litros/seg

- FEX26-3: Canal de flujo de Parshall con garganta de 152mm para

caudales de 1,5 a 110 litros/seg

Dimensiones.

- FEX26-1: Altura: 270mm - Ancho: 360mm - Profundidad: 710mm

- FEX26-2: Altura: 305mm - Ancho: 420mm - Profundidad: 860mm

- FEX26-3: Altura: 756mm - Ancho: 902mm - Profundidad: 1.830mm

En la siguiente Tabla 1 se muestra una comparativa de las principales

características de la canaleta Parshall suministrada por cada uno de los

fabricantes.

Tabla 1. Características de la canaleta de diferentes fabricantes.

Material Indicador de nivel

Número de modelos (dependiendo de la medida de la garganta).

Precio

TEM-EDIE Poliéster, reforzada con

fibra de vidrio. Regleta. 6 No disponible

STREAMWATER Poliéster, reforzada con

fibra de vidrio.

Regleta o

medidor

ultrasónico.

12 No disponible

INTERTRAMP Polipropileno.

Regleta,

con

soporte

para poder

implementa

r un

medidor

ultrasónico.

12 No disponible

TECNOEDU GRP (plástico reforzado

con fibra de vidrio) Regleta. 3 No disponible

2.4 PDP MERCADO

PRODUCCIÓN

FUNCIÓN

ERGONOMÍA

ESTÉTICA

- Canaletas

- Comercios

pequeños y

medianos.

- Venta por

distribución

especializada.

- Comercializan

amplia gama de

productos.

- 50 al año.

- Maquila /

ensamble en

empresa.

- Fácil instalación

por persona no

especializada.

- Plástico

reformado.

- Cerámica.

- Otros

materiales.

- Dimensiones.

- Funcionalidad y

mismo costo ( < $6M).

- Fácil de limpiar

(chorro de agua).

- Superficies regulares.

- Sin mantenimiento

(garantizar que no

haya recambio de

piezas).

- Garantía de 3 a 5

años.

- Uso 24 hrs al día, 365

días.

- Ligero ( < 5kg).

- Intemperismo (0 a

40°).

- No deformable.

- Resistencia

mecánica: compresión,

soportar su propio

peso.

- Resistencia química

(abrasión, ph´s).

- Fácil

instalación.

- Fácil lectura.

- Acabado

espejo.

- Resistencia.

- Estabilidad.

- Limpieza.

- Refleje

confiabilidad

(eléctrico –

tecnológico).

MUY IMPORTANTE IMPORTANTE

2.5 Lista de especificaciones Perfil del cliente Los clientes son comercios y pequeñas industrias que tienen la necesidad de medir el flujo de su drenaje debido a regulaciones gubernamentales. Requerimientos y especificaciones.

Requerimientos del cliente Especificaciones

Baja Inversión Precio entre $6,000.0 y $7,000 pesos

Confiabilidad Dimensiones estables de la canaleta

Rango de error del sensor de 2%

Durabilidad La garantía ofrecida es de 5 años

Resistente a la corrosión Resistente a la intemperie

No necesite mantenimiento y sea fácil de limpiar

Acabado tipo espejo al interior de la canaleta

Fácil instalación Diseño de geometría exterior adaptable a la tubería

Facilidad de lectura del flujo de descarga y almacenamiento de datos

Display con indicador de nivel y memoria no volátil

2.6 QFD

Cos

to

Tole

ranc

ias

Ran

go d

e er

ror d

el

sens

or

Tiem

po d

e V

ida

Res

iste

nte

a la

co

rrosi

ón

Res

iste

nte

a la

in

tem

perie

Aca

bado

tipo

es

pejo

al i

nter

ior

de la

can

alet

a

Dis

eño

de

geom

etría

ext

erio

r ad

apta

ble

a la

tu

bería

Tipo

de

Dis

play

Tota

l

Baja Inversión (Importancia 3) 5 3 5 5 1 3 5 0 5 96

Confiabilidad (Importancia 5) 3 5 5 5 5 0 3 0 5 155

Durabilidad (Importancia 5) 3 0 0 5 5 5 3 0 3 120

No necesite mantenimiento y sea fácil de limpiar (Importancia 3)

0 1 0 3 1 3 5 0 3 48

Fácil instalación (Importancia 3) 1 3 0 0 0 0 0 5 0 27

Facilidad de lectura del flujo de descarga y almacenamiento de datos (Importancias 5)

5 0 1 0 0 5 0 0 5 80

Total 73 46 45 49 56 68 60 15 89

$6000-$7000

2% 5 años

3. DISEÑO CONCEPTUAL 3.1 Búsqueda de Información (FALTA DE MANDAR LUIS) Se buscó información acerca de los sensores, para así encontrar una solución óptima que cubriera las necesidades del cliente. Las fuentes para buscar la información fueron: libros de texto, páginas de Internet y consultoría con especialistas en el tema. Un resumen de la información se encuentra en el Anexo 1. Además se buscó también información acerca de los materiales con los que se pueden fabricar canaletas. Un resumen de la información se encuentra en el Anexo 2.

3.2 Opciones de Solución 3.2.1OPCIÓNES DE SOLUCIÓN (SENSOR) La búsqueda de soluciones para la medición de nivel en la canaleta, estaba acotada por dos factores. El primero era referente a no rebasar el presupuesto y el segundo a no modificar el flujo al interior de esta. Así se comenzó por separar en cuatro grandes grupos, de acuerdo al principio físico de funcionamiento a los medidores de nivel de líquido disponibles, que a su vez se dividen de la siguiente forma: 1) Instrumentos de medida directa de la altura del líquido sobre una línea de referencia. Sonda Cinta y plomada Nivel de cristal Instrumentos de flotador 2) Aprovechando la presión hidrostática Medidor manométrico Medidor de membrana Medidor de tipo burbujeo Medidor de presión diferencial de diafragma

3) Aprovechando el empuje producido por dicho liquido Medidor de desplazamiento a barra de torsión. 4) Utilizando características eléctricas del líquido. Medidor resistivo Medidor conductivo Medidor capacitivo Medidor ultrasónico Medidor de radiación Medidor de láser Mas adelante se llevo a cabo una descripción general de cada uno de los grupos, señalando sus ventajas y defectos, para su posterior selección, formulando así las opciones de solución que se muestran a continuación. Instrumentos de medición directa El 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 lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. El medidor de cinta y plomada consiste en una cinta graduada con una plomada que se emplea cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque.

El nivel del 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 liquido 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 esta protegido por una armadura metálica. La lectura del nivel se efectúa con un cristal a reflexión o por transparencia. Generalmente el vidrio en contacto con el líquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de liquido con un color oscuro casi negro y la zona en contacto con el vapor de color claro. Los niveles de vidrio son susceptibles a ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel, pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos. El nivel de vidrio permite solo una indicación local. Si bien puede emplearse espejos para la lectura a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. Su mayor ventaja es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido. El flotador conectado directamente esta unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede 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. Dentro del tubo una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice situado en la parte superior. El instrumento puede además ser transmisor neumático o eléctrico. En espacios pequeños el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control de nivel.

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. Sin embargo requiere de una instalación y calibración complicadas y pose partes móviles en el interior del tanque. El flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. Los instrumentos de flotador tiene una precisión de +/- 5%. Son adecuados en la medida de niveles de tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso específico del líquido. Por otro lado el flotador puede agarrotase en el tubo guía por un eventual depósito de sólidos o cristales que el líquido pueda contener y además los tubos guías largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del liquido. Instrumentos basados en la presión hidrostática El medidor manometrito consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque y tiene varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento y un popote de decantación con una válvula de purga. 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. 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 estabilidad, por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida esta limitada a tanques abiertos y el nivel no viene influida por las variaciones de densidad del líquido. El medidor de membrana utiliza una membrana conectada con un tubo estanco 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 de líquido. El volumen del aire interno es relativamente grande, por lo cual el sistema esta limitado a distancias no mayores de unos 15 metros debido a la compresibilidad del aire. El medidor de membrana tiene una precisión de +/- 1 %, puede trabajar a temperaturas hasta de 60º C, 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. El 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. 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 inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser de media pulgada con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro de tipo capilar reduciría el tiempo de respuesta pero produciría un error en la medida provocado por la perdida de carga del tubo.

El sistema puede emplearse también en tanques cerrados con dos juegos rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial. La presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna del tanque. No solo puede utilizarse aire sino también otro tipo de gases e incluso líquido como fluido de purga y que el tubo debe de tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura. El método de burbujeo es simple y 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 el 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. El 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 esta fijado a 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 de montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del tanque tal como ocurre en el caso de los líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo.

El nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el cero % del aparato debe comprobarse con el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma. La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de +/- 0.5% en los neumáticos, +/- 0.2% en los electrónicos y +/- 1% en los que se emplean en 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 de 120º C 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 al instrumento; este inconveniente se elimina fácilmente con un resorte de suspensión. El material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido. Instrumentos basados en el desplazamiento El medidor de nivel de tipo 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 por que el Angulo 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 tubo proporciona además un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido). Según el principio de Arquímedes el flotador sufre un empuje hacia arriba. Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario al bajar el nivel, menor parte del flotador queda sumergida, y la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión. El instrumento puede utilizarse también en la medida de interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (agua y aceite). En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y esta totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir el empuje, se compone entonces de dos partes, del líquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de separación de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior. Las dimensiones relativas del flotador (longitud y diámetro) dependerán pues de la amplitud de medida seleccionada.

El instrumento sirve también para medir la densidad del liquido. En este caso el flotador esta totalmente sumergido, tendiendo un campo de medida de densidades bastante amplio, de 0.4 a 1.6. El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio de un eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, permitiendo en la conexión una compensación mecánica para el peso especifico del líquido La precisión es del orden de +/- 0.5 %.El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vació, tiene una buena sensibilidad, pero presenta el inconveniente del riesgo de deposito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto solo para la medición de pequeñas medidas de nivel (2000 mm máximo estándar). Instrumentos basados en características eléctricas del líquido. Método radioactivo Para detectar la señal se necesita un amplificador con una ganancia de mil millones de megas Gv = 10+15, este método 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 de corriente continua aproximadamente de 10-15 Amperes/24 Hrs, la recepción de los rayos es inversamente proporcional a la masa del liquido que existe en el tanque ya que el liquido absorbe parte de la energía recibida.

El 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 rayos es inversamente proporcional a la masa del liquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del liquido 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 radioactiva pierde igualmente su radioactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad), varia según la fuente empleada. En

el Cobalto 60 es de 5,5 años y en el Cesio 137 es de 35 años y en el Americio 241 es de 458 años. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger (otros medidores emplean detectores de cámara iónica) y utilizan amplificadores de c.c. ó 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 éste último tener en cuenta para conservar la misma precisión de la puesta en marcha. Como desventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación. La precisión en la medida es de ± 0,5 % a ± 0,2 %, 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 él liquido. El sistema se emplea en caso de medida 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. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radioactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y de realizar inspecciones periódicas de seguridad. Medición de nivel con ultrasonido El 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 20 K Hertz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del liquido. Transductor ultrasónico de nivel. En la figura se observa la disposición de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicación continua del nivel. En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando él liquido se moja. En el segundo caso de indicación continua de nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido.

El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador.

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 liquido no es nítida como es el caso de un liquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización de computadoras permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del liquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el computador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque para usos de inventarios, y además, proporciona características de autocomprobación del instrumento. Finalmente a partir de las opciones de solución mostradas se elaboro una tabla para evaluar cual seria el principio de funcionamiento mas adecuado para nuestro sensor. A partir de los resultados resumidos que se observan a continuación se evaluó de acuerdo a las especificaciones y requerimientos del cliente cual seria la mejor opción para llevar a cabo la implementación de otro sensor que disminuyera el costo de la canaleta pero sin comprometer su precisión.

TABLA del cd

3.2.2 OPCIONES DE SOLUCIÓN (MATERIALES) Alumina Esta es una de los más populares avances en materiales cerámicos, tiene una buena resistencia que la hace ideal para partes en guías textiles, partes eléctricas y otros usos “rudos”

Buena resistencia Dureza Puede ser procesada en distintos métodos Buena resistencia a la corrección Buena estabilidad térmica Excelente para aislar la electricidad Puede ser unida a piezas metálicas Maquinable

Zirconia y Alumina La cerámica con oxido de zirconia es una de las mas resistentes en combinación con la alumina. Se usa en instalaciones eléctricas, prótesis medicas, y herramientas industriales.

50% mas duro que el acero Excelente resistencia a la corrección Buena estabilidad térmica Se puede procesar bajo varios métodos

Ceramica Plastica Con las características propias de la manufactura de plásticos, esta cerámica nos ofrece la ventaja de producir formas intrincadas y complejas, con las ventajas que nos brinda la cerámica.

Módulos y maquinados como el plástico No requiere de acabados finales después del moldeo o maquinado Excepcional estabilidad dimensional Buena resistencia al impacto Buena resistencia al choque térmico

High-tension Porcelain La porcelana High-tension, se usa para la fabricación de objetos de uso “rudo” como morteros, instalaciones eléctricas, automotriz.

Alta resistencia al impacto Buen aislamiento térmico Excelente resistencia química Resistente al impacto

Fibre Cement La fibra de cemento tiene las mismas características que el cemento gris sin ser tan contaminante. Se vale de estructuras metálicas para reforzarse.

Excelente resistencia química Resistente al impacto Peso medianamente ligero Resistente a la abrasión

3.3 Evaluación y Selección de Opciones 3.3.1 Evaluación y selección de opciones de solución para el sensor. A continuación se muestra a manera de resumen los resultados de la evaluación de algunas opciones de solución para el medidor de nivel con las características que el producto requiere. Además se muestra si la opción es viable o no lo es. Medidor puntual: Ventajas:

• Las lecturas en cada nivel serán de acuerdo al valor de las resistencias usadas. (sabemos que esperar).

• Se puede configurar esta salida en una señal lógica o dejarla analógica. (fácil procesamientos de datos de salida).

• Costo de resistencias económico. Desventajas:

• Los alfileres se oxidad por lo que hay que buscar un material inoxidable con lo que se incrementaría el costo.

• La separación que se pide es demasiado pequeña y el numero de elementos es enorme para 40 cm a medir a una separación de 2 [mm] necesitaríamos 200 elementos sensoriales y como es al par son en total son 400 elementos que requerimos. Aunque en un extremo podemos poner una línea común y eliminar 200. Ensamblar es estos elementos en la canaleta incrementaría el tiempo de ensamblado, costo de mano de obra así como el costo de la matriz.

• Al estar tan cerca un elemento de otro se forma una película de agua que hace que estén en contacto elementos que no corresponden al nivel real.

• La conductividad de los líquidos debe ser muy grande. Conclusión:

El dispositivo sería confiable y se obtiene una lectura en Ohms que se puede manipular fácilmente para mandarlo al dispositivo de lectura ya que se puede dejar como señal analógica o convertirla a digital.

El número elevado de componentes de lectura de metal que estará incrustado en la canaleta incrementara el costo de fabricación ya que entre más pequeños son estos, más caro cuesta producirlos y ensamblarlos.

Nos encontramos que ningún líquido tiene la suficiente conductividad para obtener el nivel en la canaleta.

“Esta opción no es viable”.

Medidor capacitivo. En esta opción se utiliza el principio físico de la capacitancia, el nivel se obtiene en función de la variación de la capacitancia del líquido que circula por la canaleta.

Dos placas paralelas se colocan en un costado cierta distancia una de otra, a medida que el nivel del agua aumenta, la capacitancia varia en forma lineal obteniendo así en función, que nos permite obtener esta altura deseada. Ventajas: • Bajo costo. • Fácil instalación. • Relación lineal entre la altura y la capacitancia. Desventajas: • En los experimentos realizados la capacitancia varía enormemente de un

líquido a otro. • En el desagüe no hay un solo tipo de líquido.

“Esta opción no es viable”. Medidor comercial. En función de los experimentos fallidos tratando de usar principios físicos, optamos por instalar un medidor de nivel comercial, pero los costos de estos sobrepasan el en precio el que tenemos asignado a todo el proyecto.

“Esta opción no es viable”. Medidor mecánico. En vista de lo ocurrido la opción mas factible fue la de implementar un medidor mecánico, el cual es un flotador que va a un costado de la canaleta. Se coloco una pared para tener una zona que no sea muy turbulenta y afecte el flotador, esta también nos evitara en el mejor de los casos que el menor numero de residuos sólidos se incrusten o adhieran a la boya. Ventajas: • Bajo costo. • Se puede añadir cualquier dispositivo de medición (LVDT, potenciómetros,

sensores opticos, etc). Desventajas: • Se le pueden agregar al flotador impurezas que impedirían una lectura

confiable. • Se le tendría que dar mantenimiento de limpieza si se ensucia el flotador.

“Esta opción es la mas viable”.

3.4 Experimentación 3.4.1 Experimento del medidor puntual.

Para el proyecto de la canaleta se hizo el experimento de colocar sobre una superficie lisa de plástico pares alfileres simulando ser medidores puntuales a con una separación horizontal de 5 [mm] y a 10 [mm] y vertical de 2 [mm], de la siguiente forma:

A la salida tenemos un circuito en serie de resistencias, estas están unidas

a un extremo los alfileres y en el otro extremo se unen a una línea común. Cuando el nivel de agua es nulo el circuito esta abierto, al tocar el primer par de puntos tenemos la lectura de la suma de todas las resistencias, en el siguiente par la suma de resistencias disminuye ya que se crea un puente con lo que queda anulada la primera resistencia en contacto, y así sucesivamente.

3.4.2 Experimento del medidor capacitivo Para la verificación de la implantación del sensor capacitivo al proyecto de la canaleta en la utilización para nivel de flujo se realizaron los siguientes experimentos.

1. Para ver la variación de la capacitancia en relación al tipo de material utilizado, se experimento con diferentes tipos de material (aluminio, acero galvanizado, acero acabado espejo) y se encontraron los siguientes resultados.

Aluminio Acero galvanizado Acero (acabado espejo)

altura capacitancia altura capacitancia altura capacitancia [cm] [μF] [cm] [μF] [cm] [μF]

0 0 0 0 0 0 1 1 1 5,8 1 8 2 2,1 2 10,2 2 12,3 3 3,5 3 15,7 3 19,9 4 5,4 4 20,8 4 25 5 5,8 5 24,6 5 32 6 7,2 6 26,8 6 39,7 7 8,4 7 29,1 7 45 8 9,1 8 32,4 8 51 9 10,2 9 35,7 9 56,7

10 11,5 10 40 10 63,5 Y al realizar la función de la curva; se observó que la curva era lineal y se realizó como variable dependiente a la capacitancia y como variable independiente a la altura (nivel del líquido).

Dielectrico H2O

0

20

40

60

80

0 5 10 15

cm

mic

ro-F Aluminio

A. Galvanizado

A. ac. espejo

Lo que se concluyo que, para la medición del nivel del líquido por capacitancia con el uso del dieléctrico (agua potable) es de manera satisfactoria para los diferentes tipos de materiales, por que las lecturas de la capacitancia no variaban mucho, lo que se reflejaba en la correlación altura (nivel de flujo) vs capacitancia de cada función obtenida.

2. Para el segundo experimento se utilizo como variable, el uso de dieléctricos que en este caso fue agua, agua con vinagre y agua con jabón para poder simular los líquidos que tendrían posibilidad de pasar por la canaleta y los resultados obtenidos fueron:

Aluminio (H2O&Jabón) altura capacitancia Aluminio (H2O&Vinagre) [cm] [μF] altura capacitancia 0 0 [cm] [μF] 10 33,46

0 0

1 1,2Acero acab. esp (H2O&Jabón)

2 2,8 altura capacitancia 3 3,9 [cm] [μF] 4 5,3 0 0 5 6,6 10 118 6 7,9 7 9,3 Acero galvanizado 8 10,6 altura capacitancia 9 11,6 [cm] [μF]

10 13 0 0 10 128 Lo que se observa para la siguiente gráfica que el cambio de la capacitancia es muy pequeño y no afectaría la lectura del nivel del líquido cuando una sustancia semejante pasara por la canaleta.

Dielectrico H2O&Vinagre

0

5

10

15

0 5 10 15

cm

mic

ro-F

DielectricoH2O&Vinagre

Pero para un dielectrico como sustancia al agua con jabón se observo que la factibilidad hasta este momento era nula para la aplicación como sensor ya que la variación de la capacitancia se incremento por tres veces que en la sustancia agua potable, lo que genera gran cambió en la medición y un gran error para esta aplicación.

Dielectrico H2O&Jabón

010

2030

40

0 5 10 15

cm

mic

ro-F

Aluminio

Conclusiones Para la aplicación del sensor capacitivo en el proyecto de la canaleta, se llego a la conclusión de que no era factible técnicamente utilizarlo como medidor de nivel ya que dentro de los requerimientos más importantes y su básico uso del producto es la aplicación para la medición del flujo de aguas residuales que en ciertos momentos tendrá una concentración de los líquidos a medir muy parecida a la que se experimento y que fue la principal causa por la que la aplicación del sensor no se pueda utilizar.

4. DISEÑO DE CONFIGURACIÓN Durante la etapa de diseño conceptual se acordó que el material usado para la canaleta será fibra de vidrio y que el sensor será un medidor de nivel operado por el principio mecánico de la flotación. Durante el diseño de configuración se analizó como adaptar éstas soluciones en un diseño que además faclitará la instalación de la canaleta. 4.1 Opciones de Solución (FALTA DE MANDAR ENRIQUE) 4.2 Dibujos y Modelos a 3D

4.3 Evaluación y Selección

4.4 Planos y Especificaciones 4.5 Modelos 4.6 Propuestas de Proceso de Fabricación 5. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD FINANCIERA (Costo del proyecto, cuanto costaría el producto, lo que hubiéramos cobrado) 6. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS FINALES 7. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍAS 8. ANEXOS (POR TEMA Y CON MINUTAS)

guras y tablas numeradas y con leyenda fi oraciones cortas paginas numeradas numerar secciones o apartados en carpeta de argollas tamaño carta y en CD

Anexo 1

BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN PARA SENSORES

SENSOR RESISTIVO

s un tipo de sensor que convierte la variación de una señal física en una cia, entre los más comunes tenemos las termoresistencias. El

conveniente de este tipo de sensor es que se debe utilizar un puente de ariantes para convertir la variación de resistencia

n una variación de voltaje. La anterior conexión del puente de Wheastone, el voltaje para una variación de

mperatura, aproximadamente 1.6 mVolts por cada grado centígrado, con un oltaje de referencia de 10 volts.

• Los sensores resistivos tienen diversas aplicaciones, en especial, a la dición de la temperatura.

• Los se n resistores

variables con la temperatura, basados en semiconductores.

• la resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica varía con la temperatura. Para evaluar esta señal de salida, es

sados en tecnología piezoresistiva, combinada con microcontroladores que proporcionan una alta precisión, independiente de la tem iones afines n instrumentos para aviación, laboratorios, controles de quemadores y calderas, comprobación de motores, tratamiento de agu

1.

En est (tubo Bourdon, espiral, fuelle) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor.

Evariación de resisteninWheastone en algunas de sus veproporciona una variación muy pequeña dtev

me

nsores resistivos de temperatura o termistores so

En un sensor resistivo

aplicada una corriente constante y por tanto lo que se mide es la tensión. Para medir esta tensión utilizamos la Ley de Ohm.

SENSOR DE PRESIÓN

Los sensores de presión están ba

peratura, y capacidad de comunicación digital directa con PC. Las aplicaca estos productos incluye

as residuales y sistemas de frenado.

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

e instrumento el elemento mecánico de medición

Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de

En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico, la barra gida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o

parcialmente un rayo de luz

inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.

rí que incide en una cé1ula fotoeléctrica de dos

ele nte de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra

a es amplificada y nilla una varilla roscada la cual comprime

mentos. Esta cé1ula forma parte de un circuito de pue

de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la ce1ulexcita un servomotor. Éste, al girar, atorun resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerza con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio.

Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior.

Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre.

Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan (tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma) y su precisión es del orden de 0,5 - 1 %

2. Transductores resistivos

Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado.

En la figura 1 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de

referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circ

Sin embargo, son insensibles a p tacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan

El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de, presión que utilizan (tubo Bourdon eral de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %.

3. Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos

Figura 1 Transductor resistivo

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo

uito de puente de Wheatstone.

Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación.

equeños movimientos del conuna estabilidad pobre en el tiempo.

, fuelle) y varía en gen

de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.

según el principio de funcionamiento. a) Transductores de inductancia variable figura 2 en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro

Figura 2 Transductor de inductancia variable.

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a son distintas.

Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.

Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no pro

la derecha o a la izquierda, las tensiones

ducen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión del orden de ± 1 %.

b) Los transductores de inductancia variable figura 3 consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético.

Figura 3: Transductor de inductancia variable

ión del flujo da lugar a una corriente inducida en la plazamiento de la armadura móvil.

El movimiento de la armadura es pequeño sin contacto alguno con las partes eliminándose la histéresis mecánica típica

s able presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de ± 0,5 %.

4. Transductores Capacitivos

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante, con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variacbobina que es, proporcional al grado de des

fijas, por lo cual no existen rozamientosde otros instrumentos. Lo transductores de reluctancia vari

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión figura 4. La placa

óvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. m

De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición.

Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar y

ámetro, y por lo tanto de resistencia, un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión

ensométricas: galgas cementadas figura 5 y fino que están pegados a una hoja base

Figura 4: Transductor Capacitivo

Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados.

su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.

5. Galgas Extensométricas

Se basan en la variación de longitud y de dique tiene lugar cuando mecánica por la acción de una presión.

Existen dos tipos de galgas extformadas por varios bucles de hilo mude cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

Figura 5 Galga cementada y Galga sin cementar

En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando la resistencia de los mismos.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone y cuando está sin tensión tiene una resistencia e1éctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.

Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.

El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5%

Una innovación de la galga extensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio en

corporado forma parte del circuito

cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga extensométrica autocontenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida del instrumento. El sensor con su puente

Wheatstone in

de la figura 6

Figura 6 Transductor de presión de silicio difundido

La adición de un microprocesador permite añadir <<inteligencia>> al instrumento al hacer posible funciones adicionales, tales como la compensación de temperatura ambiente, proporcionando un aumento de la precisión de la medida, en particular si la señal de salida del instrumento es enteramente digital en lugar de la analógica de 4-20 mA c.c.

El intervalo de medida de los transductores de silicio d600 bar, con una precisión del orden de ± 0,2 %.

Las galgas extensométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Con excepción de las algas de silicio difundido poseen las siguientes desventajas: señal de salida débil,

ensibilidad a vibraciones y estabilidad dud

materiales

ifundido varía de 0-2 a 0-

gpequeño movimiento de la galga, alta s

osa a lo largo del tiempo de funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la presión del fluido y no la fuerza que éste hace sobre el diafragma.

6. Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos figura 7 son 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.

Figura 3.7: Transductor Piezoelectrico

Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de

ede ciclos por segundo. Tienen la desve d

presión es lineal y son adecuados para spuestas frecuenciales de hasta un millón

ntaja e ser sensibles a los cambios en la medidas dinámicas, al ser capaces de r

temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.

MEMS Los MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) son microsistemas con capacidad de sensado, de actuación, de procesamiento y de comunicación, que son integrados por elementos electrónicos y mecánicos en un mismo “chip” de menos de un milímetro cuadrado.

La tecnología de los MEMS, sin ninguna duda, viene a revolucionar la forma de resolver los problemas que se presentan en todas las actividades del ser humano. Hoy ya se pueden desarrollar productos inteligentes, basados en esta tecnología en áreas como la biomedicina, la instrumentación, el control y las telecomunicaciones, entre otras.

Se emplean para la realización de acelerómetros, presentes en los airbags de los autos para determinar el momento justo en que se produce un choque y isparar así el mecanismo de inflado de las bolsas. Este mismo tipo de MEMS se mplean como elementos de navegación, particularmente en la industria eroes pero también se prevén aplicaciones como sensores de presión, mperatura y humedad. Se los ha incorporado en marcapasos, para sensar la

s y aceleraciones que le imprimió la mano a la lapicera

dea pacial, teactividad física del paciente y modificar su ritmo cardíaco. Para evitar falsificaciones de firmas, se ha pensado incorporar estos acelerómetros en lapiceras. De esta manera, no sólo estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las velocidade

mie

e se los puede fabricar de a miles abaratando otablemente su costo de fabricación.

sensible a vibraciones pero una de las desventajas de este tipo de sensores es que se debe de tener un dieléctrico uni

mposición no es aplicable éste sensor.

SENSORES PUNTUALES

sencilla, como ejemplo es un flotador que se utiliza en cisternas, tinacos. Es propenso a que las partes mecánicas tengan un efecto de oxidación y obstrucción por objetos. Pero aún así es una de las mejores opciones para un costó mínimo de sensado donde la sustancia no sea tóxica, explosiva y ue no implique mayor riesgo.

ntras se firmaba, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta, produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo, y gracias a la entrega localizada de calor. Además de la ventaja del tamaño de estos dispositivos está el hecho de qun

A pesar de que se tiene gran avance en la tecnología, el diseño de un sensor

de nivel, para un uso específico sobrepasa los $20,000 dólares. SENSORES CAPACITIVOS

Las sustancias metálicas y las no metálicas, tanto si son líquidas como sólidas, disponen de una cierta conductividad y una constante eléctrica. Los sensores capacitivos detectan los cambios provocados por estas sustancias en el campo eléctrico de su área de detección. La evaluación de los cambios proporciona información exacta sobre la presencia de objetos en esta área o, por ejemplo, los niveles de material en contenedores y silos.

Es un sensor que no es propenso al cambio de lectura ocasionado por la variación de la temperatura, no es

forme que en este caso es la sustancia a sensar, por lo que varía a la toma de lectura de la capacitancia y para sustancias que cambian su co

Una de las configuraciones para los sensores puntuales es utilizando la conductividad eléctrica de la sustancia a sensar, por lo que utiliza la variación de la resistencia en una forma de obtención de medidas digital por lo que la resolución esta en función de la cantidad de puntos por unidad de longitud. Esté tipo de sensores es sensible a variaciones.

SENSORES MECÁNICOS En este tipo de sensores son muy variados, el precio y la complejidad de la fabricación están íntimamente relacionados además de que en caso de medidor con salida discreta es

q

SENSORE A BASA DE LVDT El Transformador Diferencial Variable Lineal es un dispositivo de sisado de posición que provee un voltaje de salida de CA proporcional l desplazamiento de su núcleo que pasa a través de sus arrollamiento. Los LVDTs proveen una salida lineal para pequeños desplazamientos mientras el núcleo permanezca dentro del obina cta es función de la geometría del LVDT. b do primario. La distancia exa

Operación Un LVDT es muy parecido a cualquier otro transformador, el cual un bobinado primario, bobinado secundario, y un núcleo magnético. Una corriente alterna, conocida como la señal portadora, se aplica en el bobinado primario. Dicha corriente alterna en el bobinado primario produce un campo magnético variable alrededor del núcleo. Este campo magnético induce un voltaje alterno (CA) en el obinado secundario que está en la proximidad del núcleo. Como en cualb

trquier

ansformador, el voltaje de la señal inducida en el bobinado secundario es una relación lineal del número de espiras. La relación básica del transformador es:

Como el núcleo se desplaza, el número de espiras expuestas en el bobinado secundario cambia en forma lineal. Por lo tanto la amplitud de la señal inducida cambiará también linealmente con el desplazamiento.

El LVDT indica la dirección de desplazamiento debido a que las salidas de los dos obinados secundarios se encuentran balanceados mb utuamente. Los bobinados cundarios en un LVDT se conectan en sentido opuesto. Así cuando el mismo mpo magnético variable se aplica a ambos bobinados secundarios, sus voltajes

de salida tienen igual amplitud pero diferente signo. Las salidas de los dos bobinados secundarios se suman, simplemente conectando los bobinados secundarios a un punto común de centro. A una posición de equilibrio se produce una señal de salida igual a cero. La señal inducida de CA es entonces remodulada para producir un voltaje de CC que sea sensible a la amplitud y a la fase de la señal de CA producida. Características

lay de salida.

ánica ilimitada: Este factor es especialmente importante en

•

•

seca

• Operación libre de fricción: En uso normal, no hay contacto mecánico entre el núcleo del LVDT y el bobinado, no hay roce, arrastre u otra fuente de fricción. Esta característica es particularmente usada en prueba de materiales, medición de desplazamiento por vibración y sistemas graduador dimensional de alta resolución.

• Resolución infinita: Puesto que los LVDTs operan sobre principios de

acoplamiento electromagnético en una estructura libre de fricción, miden cambios infinitamente pequeños en la posición del núcleo. Esta capacidad de resolución infinita es limitada solamente por el acondicionador de señal LVDT y por el disp

• Vida mec

aplicaciones de alta confiabilidad, tales como aeroplanos, satélites, vehículos espaciales e instalaciones nucleares. Así también es altamente deseable en varios controles de proceso industrial y sistemas de automatización de fábrica.

Sensibilidad de eje simple

• Núcleo y bobinados separados

Con respecto al medio ambiente no apto

•

•

Introducción

omo una alternativa

ite la fabricación en serie de sistemas

nicos. Las tempranas versiones de estos sistemas "

traron el uso en el mundo comercial como sensores de aceleración para el despliegue de bolsa

. Mucho interés se ha desarrollado en la fabricación de los procesos que hacen posible la integración monolítica de Sistemas Microelectromecánicos

(MEMS) con la conducción, el control, y la señal que procesa la electrónica. Esta integración

udispositivos micromecánicos, coste de fabricación, instrumentación para escombinando los dispositivocon un subsistema electrónfabricación y el proceso delograron esto intercalando, combinando, y personalizando los procesos de fproducen los dispositivos maquellos que producen la elec

Microespejo y juntas las

Microsistemas

Estabilidad de punto nulo

• Rápida respuesta dinámica

Salida absoluta

La tecnología Mems surge cque permcomplejos microelectromecánicos, integrado con sistemas microelectró

encon

de aire

ncionamiento de así como reducir el embalaje, y la tos dispositivos,

promete mejorar el f

s micromecánicos ico en la misma embalaje. Ellos

abricación que icromecánicos con trónica.

figura 1. Resonadores microtrabajados

Existen Sensores de inercia, Microtransmisión tecnologías dan lugar a multiples aplicaciones

UNAMems La investigación de los

MEMS (MICRO ELECTROMECHANICAL SISTEMS) MEMS es una tecnología emergente y de acelerado crecimiento que explo

Comprende la integración de elementos lectrónicos y mecánicos, mediante el empleo de microelectrónica y de las tecnologías de

micromaquinad

apacidades de censado, procesamiento, comunicación y actuación en un mismo

S

Electrostática Comunicación Óptica Microondas

Funcionamiento de los MEMS

en términos de ecánicas (desp zamiento, velocidad, n, flujo, etc.)

riente , velocidad

ontrol:

rriente

Salida: voltaje, corriente

ión, velocidad

ta la infraestructura existente de la microelectrónica para el desarrollo de máquinas complejas a escala microscópica. ela

o sobre un mismo sustrato. Permite el desarrollo de sistemas inteligentes con ccircuito.

Capacidades de los MEM Sensado Físico

Actuación

Químico Biológico Cómputo

Térmica Piezoeléctrica Energía

Procesamiento Almacenamiento

Almacenamiento Celda de combustible

Cuando menos algunas de las sdescritas

eñales que están relacionadas con el MEMS son variables m la

aceleracióEntrada: voltaje, coraceleraciónluz, calor … C

voltaje, coaceleración, velocidadluz, calor …

aceleracluz, calor …

Microespejo

El micromotor en la combinación con la m o para conducir un

microtrabajados a máquina encajados debajo de la superficie de una oblea.

isilicio de tres capas hizo los mecanismos de enganche unen actuadores lineares para múltiples engranajes de

Aplicaciones exitosas presoras: Tecnología de inyección de tinta

ntallas y proyectores Conmutadores ópticos

didores de Nivel Capacitivos

troducción

ndensador

itivo electrónico que está formado por dos placas paradas por un aislante llamado dieléctrico. Un

dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente.

El capacitor es un dispositivo que almacena energía en la forma de un campo eléctrico

y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar

La capacidad depende de las características físicas de condensador: - Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta - Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad - El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad - Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada

Principio de medición

icrotransmisión puede ser usadespejo y aparecer encima. el espejo puede ser elevado por el mecanismo Es una tecnología que implica dispositivos

Un proceso polposibles intrincados quegiro.

ImVideo: PaRedes de datos:

MeIn El capacitor / co

Es un disposmetálicas se

l sensor y el depósito funcionan como los dos electrodos de un ondensador. El sistem

debidas a las variacioninformación en Para las mediciones en líquidoutilizan las ejecucionsólidos preferentemeaislamiento parcial. As ar mediciones en

stemas se suministran en ejecución de varilla o cable, con lo que están disponibles los sensores ad plicación Medidor capacitivo

ción de capacitancia de o el medio

Con el depósito metálico e introduciendo una

sonda metálica sin contacto entre ambos, se forma un

Al variar el nivel del líquido varía pacidad

Si el depósito no es metálico se introducen dos sondas

Microcap

sador

ero inoxidable. Para depósitos NO METÁLICOS.

.TE

Ec a evalúa las variaciones de la capacitancia,

es del nivel, y convierte la correspondiente señales de salida adecuadas.

s conductivos, básicamente se es completamente aisladas, mientras en nte se utilizan las ejecuciones con imismo, se pueden realiz

productos adhesivos o que presentan características agresivas. Los si

ecuados para cualquier a

Se basa en medir la varia

un condensador cuando va varianddieléctrico entre sus placas

condensador

proporcionalmente la ca

También se usan como interruptores de nivel

Transmisor Capacitivo

Conexión 2 hilos (4 a 20 mA) Circuito con microproce Pantalla alfanumérica LCD Distintos tipos de sondas Versión alta temperatura Módulo electrónico enchufable

Clasificación:

MICROCAP.N

Sonda de PTFE para aplicaciones generales.

MICROCAP.T Sonda de PTFE con tubo de referencia en ac

MICROCAP

Sonda de PTFE y racor disipador para temperatura

licos que contengan líquidos agresivos

en el interior de depósitos

y facilidad de calibración, realizándose ésta a distancia. Se puede efectuar sin necesidad de cambiar

Sensores Capacitivos

tálicas y las no metálicas, tanto si son líquidas como sólidas, disponen de una cierta

uctividad y una constante eléctrica. sensores capacitivos detectan los

cambios provocados por estas sustancias e su área de

detección. La evaluación de los cambios rmación exacta sobre la

presencia de objetos en esta área o, por iveles de material en

res y silos.

Ca Alto estabilidad con temperatura. Alc ejorados para reservas funcionales. Nivel elevado de inmunidad contra:

Descarga electrostática, p. ej. en la producción de plástico o madera cias electromagnéticas, p. ej., causadas por receptores

radiotelefónicos y teléfonos móviles Voltaje de choque de interferencia causado por dispositivos de

conmutación o válv

proceso de hasta 125ºC.

MICROCAP.DS Sonda doble de PTFE para depósitos no metá

UNIVERSAL III

La medición en continuo Medición del nivel de todo tipo de fluidos y espumas

Señal de salida a través de un bucle de dos hilos, digital ó 4-20 ma.

Rapidez

el nivel en el depósito.

Las sustancias me

condLos

en el campo eléctrico d

proporciona info

ejemplo, los ncontenedo

racterísticas

nivel de ances de detección m

Interferen

ulas solenoides

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A

nexo 2

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