PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

4 SENSORES

Por: Mauricio Rueda S. Ingeniería Mecánico Universidad Industrial de Santander

Para realizar el estudio de cualquier fenómeno físico, tal como sucede con la producción de frió, calor y condiciones necesarias para el confort humano como es el caso del HVAC, el poder manipular dicho fenómeno y ajustarlo según las necesidades de uno mas usuarios, necesitamos conocer el comportamiento de las principales variables físicas que intervienen en el proceso.

Según lo anterior, antes de abordar el análisis de los diferentes sistemas de control y las posibilidades de aplicación, analicemos las principales variables de operación de los sistemas, desde la evolución de los equipos usados para convertir el fenómeno físico en una variable susceptible de medir.

Para nuestro estudio nos centraremos en Temperatura, presión, Humedad y Flujo.

4.1 SENSORES DE TEMPERATURA

Dentro de estos elementos se incluyen los elementos bimetalicos, los capilares con gases y los bulbos cargados con gases o refrigerantes, los posteriores desarrollos en electricidad y electrónica de componentes permitieron la evolución a los sensores electrónicos que trataremos mas adelante.

4.1.1 Elementos BimetalicosEl elemento bimetalico fue el más popular de los sensores utilizados, posee dos delgadas placas de elementos metálicos de diferente coeficiente térmico unidas. El efecto de la temperatura en el elemento compuesto hace que el elemento se curve en la dirección de la mayor deformación producida por el cambio en la temperatura en uno u otro elemento.

Fig. 1. Esquema de un elemento bimetalico.

El movimiento resultante es usado para variar la presión de un puertote control neumático, o para abrir o cerrar un contacto eléctrico.

El elemento es fabricado normalmente con cobre que es el elemento con alto coeficiente térmico y metal de Invar., el cual tiene un muy bajo coeficiente térmico. En la figura se aprecia el movimiento de un elemento bimetalito calentado. Estos elementos también son fabricados en forma de espira para forzar un movimiento de rotación en respuesta a la temperatura.

Otro sensores de temperatura en ambiente es el de tipo bulbo, fabricado en cobre y cargado con vapor termo sensible, el cual no es condensable a los rangos de temperatura de operación.

Los cambios en la temperatura producen la expansión o contracción del gas. En el caso en que estos equipos se usan como controladores simples, un resorte limitara el set point y el limite de expansión.

Los bulbos y elementos capilares son usados en tanques, ductos, tuberías y locaciones remotas al controlador.

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

Fig. 2 Sensor tipo Bulbo y Capilar

4.1.2 Sensores Electrónicos de temperaturaSuministran una señal variable (análoga) y proporcional a un cambio de temperatura.

Clasificación.-Resistor Temperature Devises (RTD’S) Componentes de resistencia a la temperatura..-Thermistores: sensores de temperatura por resistencias de estado sólido, con un coeficiente de temperatura negativo

-Thermocuplas: Generan su propio voltaje en función de la temperatura.( Termopar)

Las RTD’s poseen un coeficiente de temperatura positivo, su resistencia aumenta con la temperatura.

El controlador tiene que enviarle corriente al sensor y medir la variación del voltaje a través de su resistencia. La caída de voltaje debe ser proporcional al cambio en la temperatura.

Al administrar corriente a la resistencia, cierta cantidad de calor es producido dentro del sensor, causando un error en la lectura de la temperatura, este error es mas pronunciado en los RTD”S de baja resistencia. Otro factor influyente es el que la baja resistencia del sensor hace que el error inducido por la resistencia d los alambres del sensor sea mayor.

Se puede por lo tanto asumir que los sensores con resistencias de poco valor numérico son de menor resolución, calidad y precio. La menor resoluciones el sensor causa que el controlador tenga que ser mas sofisticado en su diseño para obtener resultados con poco error.

Esto no aplica para el caso en el que se suministra un transmisor.

Fig.3 Transmisor usado para Optener señal de una RTD de 1000 Ohm.

Los valores de los RTD’s de uso en la industria varian de 100 a 2000 ohms de resistencia. Los de mayor uso son los de 100 y 1000 ohms.

Dentro de los materiales mas utilizados para la fabricación de estos sensores están:

1. Alambre Balco: Compuesto de dos materiales, 705 NIQUEL Y 30% HIERRO.

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

2. Platino: Donde el sensor mas usado es de 1000 ohms. Estas resistencias son muy estables y responden rápido a cambios de temperatura. Son usados en aplicaciones de alta resolución.

Circuitos Integrados: Son compuestos de óxidos metálicos, comprimidos y tratados con calor hasta obtener una masa densa y no porosa. El material es entonces recortado hasta obtener su correcta resistencia a 25 C. Después sus alambres eléctricos son conectados, todo el sensor es tratado con químicos en forma repetida y finalmente cubierto con material plástico especial. El plástico y la longitud minima de los alambres conectados mantienen la humedad fuera del sensor. La humedad puede con facilidad arruinar las propiedades del termistor.

Para especificar un termistor es importante consultar sus curvas de rendimiento y la tolerancia.

La curva de rendimiento para los termistores no es lineal:

Fig. 4 Curvas de Temperatura Vs Resistencia

La otra 3lineal3ades de importancia para escoger un buen 3ineal3ad es su estabilidad durante cierta cantidad de años ( 0.25 F en un buen numero), y por su certeza con proporción al rango del sensor por los general +0.35 esta bien.

Los Thermistores son los sensores mas usados por su bajo costo. En sistemas y controladores de baja resolución y por lo tanto menor costo, no justifica usar un sensor de alto rendimiento.

3ineal3ades3 la tarea de escoger el tipo de sensor es simplificado por el controlador ya que esta dictara el tipo de sensor que se puede aceptar.

Las Termocuplas: Son fabricados usando y uniendo dos metales de diferentes 3ineal3ades. Cuando estos metales son sometidos a alta temperatura, un voltaje en mini-voltios es generado. Este voltaje es proporcional y 3ineal al cambio de temperatura. Este principio fue descubierto por Tomas Seebeck en 1821.

La mas común de las termocuplas es la fabricada de Cobre-Constantan. Aleación de cobre y Nikel. ( Tipo T )

En la grafica observamos la medición del voltaje que se genera por la diferencia en la conductividad eléctrica de los dos metales, al ser expuestos al calor.

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

Fig. 5 Esquema del Principio de Operación de Una Termocupla.

Este tipo de sensor es usado mayormente en sistemas de proceso industrial donde existen temperaturas que sobrepasan los 1000 C.

Algunas de las termocuplas mas utilizadas y sus rangos de operación son:

Tipo J. Compuesta por hierro Vs Cupro-Niquel. Rango de 0-750 CTipo K. Compuesta por Nikel –Cromo Vs Nikel Aluminio Rango -200 a 1250 CTipo E. Compuesta por NIkel –Cromo Vs Cobre-Nikel. Rango -200 a 900 C.Tipo T. Compuesta por Cobre Vs Cobre-Nikel Rango de -200 a 350 CTipo S. Compuesta por Platinio-10% Rodio Vs Platino Rango de 0 a 1450 C

Tipo B, Tipo R y tipo N son variaciones en las composiciones de los anteriores.

Para realizar una selección acertada del elemento de medición a usar , adjuntamos la siguiente tabla en donde se detalla las principales ventajas y desventajas de los diferentes tipos disponibles.

Fig.6 Cuadro Comparativo de elementos para medición de Temperatura

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

4.2 SENSORES DE PRESION

La presión es definida como la ‘’fuerza por unidad de área’’. Tal fuerza siempre produce una deflexión, una distorsión, o algún cambio en el volumen o dimensión sin importar que tan pequeña o grande sea la fuerza. Este cambio resultante proporciona la medición básica y el control de movimiento para los sensores de presión.

Los sensores de presión incluyen diafragmas, fuelles y tubos bourdon.

El diafragma es un mecanismo flexible fiado con una placa y sellado en un recipiente de modo que un fluido no puede fugarse a través de el. Una fuerza aplicada en un extremo inferior del recipiente provocara un movimiento o flexión. Un resorte normalmente opera para controlar el movimiento y retornar el diafragma a su posición inicial cuando la fuerza es liberada, permite definir el rango de operación y la sensibilidad del elemento. Algunos materiales de los diafragmas les permiten retornar a su posición inicial si necesidad de ayuda externa o mecánica como el resorte.

Fig. 6. Esquema Principio de Diafragma.

Un fuelle es un diafragma que esta unido a un recipiente por una serie de velocidad de manera que se puede obtener un alto grado de movilidad. El fuelle puede ser completamente sellado como en una unidad sensible a la temperatura o este puede tener una conexión para censar presión internamente o velocidad. El fuelle actúa como un resorte retornando a su forma original cuando la fuerza externa es removida. Algunas veces se adiciona un resorte para garantizar un incremento en la velocidad de reacción.

Fig. 7 FuelleEl tubo bourdon, es ampliamente usado en manómetros y medidores de presión, asi como en otros instrumentos tiene un tubo aplanado doblado en forma de espiral. Un extremo es conectado a la fuente de presión, y el otro extremo es libre de movimiento.

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

Fig. 8 Tubo Bourdon

Cuando la presión aumenta, el tubo tiende a enderezarse, este movimiento puede usarse además de indicador como actuador en un proceso y ser usado como un controlador sencillo.

Los pistones son usados para mediciones de lata presión, por ejemplo presiones hidráulicas de hasta 10000 psi. Son fabricados en acero inoxidable, la barra del pistón que se mueve contra la carga del resorte produce un movimiento que es cuantificable. El rango total de operación del pistón estará determinado por la selección del resorte que se opone al movimiento.

4.3 SENSORES DE HUMEDAD

Estos elementos son fabricados con materiales giroscópicos, los cuales cambian sus propiedades como el tamaño en respuesta al contenido de humedad del aire los afecta. Un elemento similar a el bimetal es fabricado de dos tiras de madera diferentes unidas.

Las diferentes ratas de expansión giroscópica causaran a las tiras de madera que se curven de acuerdo con los cambio de humedad. Tejo y cedro son los tipos de madera mas frecuentemente usados para este propósito.

Elementos hechos de membranas animales, fabricados especialmente, o cabello humano alargaran o acortaran su longitud con los cambios de humedad. , con el resultante movimiento que es mecánicamente amplificado. Actualmente se utilizan materiales como nylon y otros elementos higroscópicos especialmente fabricados

1.4 SENSORES DE FLUJO

La medición del flujo de líquidos es una necesidad critica en muchos procesos industriales. La habilidad de medir para conducir exactamente el flujo necesario en algún proceso, puede ser la diferencia entre un proceso rentable y eficiente, de uno con posibles fallas.

En la mayoría de los elementos de medición de flujo este es determinado inferencialmente midiendo la velocidad del liquido o el cambio en la energía cinética. La velocidad depende de el diferencial de presión que esta forzando el liquido en su movimiento por el ducto o tubería. Como la sección de la tubería es constante, el promedio de la velocidad es indicación de la rata de flujo.

La relación básica para determinar la rata de flujo es:

Q = V x A

Donde: Q. Flujo de liquido a través de la tubería

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

V. Velocidad Promedio de FlujoA. Área transversal de la tubería.

Otros factores que afectan el flujo de líquidos incluyen, la viscosidad, y la fricción que presenta el fluido con la tubería o el ducto.

Mediciones directas del flujo pueden ser realizadas a través de flujometros de desplazamiento positivo. Estas unidades dividen el liquido en incrementos específicos en movimiento. El flujo total es la acumulación de los incrementos medibles, los cuales pueden ser contabilizados por medios mecánicos o electrónicos.

Los flujometros pueden ser clasificados como de equipos de presión diferencial, los cuales incluyen platinas de orificios, tubos de venturi, boquillas de flujo, tubos pitot, medidores de objetivo, medidores de área variable.

Los medidores de desplazamiento positivo incluyen pistones, engranaje oval, discos mutantes, y de aletas rotatorias. Los de velocidad consisten en turbinas, vortex, electromagnéticos, y sonicos. Los de masa incluyen Coriolis y los de tipo térmico.

Medidores de Presión Diferencial: Los flujometros de presión diferencial son a lo lejos las unidades mas comúnmente usadas hoy día.Se estima que más del 50% de las aplicaciones de líquidos utilizan este sistema de medición.

Medidores de Área Variable.: Son también conocidos como rotametros, consisten esencialmente de un tubo cónico y un flotador.

También clasificado como unidad de presión diferencial, este es en realidad elementos de presión diferencial constante. Sus terminales flanchadas, permiten una fácil instalación en tuberías. En el momento en que no hay flujo, el flotador descansa en el fondo de la tubería en el momento en que el liquido entra a la tubería por el fondo, el flotador empieza a elevarse. La posición de el flotador varia directamente con el flujo.

Fig.10 Rotametro.

Los medidores de velocidad, operan linealmente con respecto a la rata de flujo. Debido a que su relación no es cuadrática como en el caso de los del tipo de presión diferencial.

Los de tipo turbina los encuentra en variadas aplicaciones. Esta unidad consiste en un rotor de múltiples aletas montado dentro de una tubería perpendicular al flujo del liquido. LA velocidad de rotación puede ser medida magnéticamente, con celdas fotoeléctricas o engranajes. Los pulsos eléctricos pueden ser contados y totalizados.

Ing. Mauricio Rueda Santos

PROYECTOS DE AIRE ACONDICIONADO: SENSORES

Fig.11 Medidor de Flujo de Tipo Turbina.

El numero de pulsos contados en un periodo de tiempo es directamente proporcional al flujo. Algunos equipos incluyen un tacómetro para medir directamente el flujo.

Orificio.

Tubo Venturi.

Boquilla de Flujo

Tubo Pitot

Codo

Ing. Mauricio Rueda Santos