ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN DE:

“CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS”

REG: FNS5122005/05/2006

DEBERÁ PRESENTAR: C. JAVIER BRITO BRITO

TEMA:CONTROL DE INFLADO DE NEUMÁTICOS

OBJETIVO: SIMULAR LA AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE INFLADO Y DESINFLADO DE 6 NEUMÁTICOS POR MEDIO DEL PLC LOGO! DE SIEMENS

CAPITULO 1 ANTECEDENTES CAPITULO 2 MARCO TEORICO CAPITULO 3 SOLUCIÓN AL PROBLEMA CAPITULO 4 CONCLUSIONES CAPITULO 5 ANEXOBIBLIOGRAFIA

MÉXICO D.F. A 2 DE FEBRERO DEL 2007

M. EN C. LÁZARO EDUARDO CASTILLO ING. EDGAR MAYA PÉREZ BARRERA ASESOR COORDINADOR ASESOR

M EN C. GUILLERMO TRINIDAD SÁNCHEZ ASESOR

M. EN C HECTOR BECERRIL MENDOZA JEFE DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

ÍNDICE

Capitulo 1. Antecedentes 6 1.1. Introducción 61.2. Estado del arte 9 1.3. Objetivos 11 1.4. Alcances 11

Capitulo 2. Marco Teórico 12 2.1 Neumáticos 122.2. Estructura de los neumáticos 13 2.2.1. Neumáticos convencionales 13 2.2.2. Neumáticos radiales 13 2.3 Descripción de los neumáticos 14 2.4 Dimensiones de los Neumáticos 15 2.5. Nomenclatura de neumáticos 17 2.6. Cuidado y mantenimiento de neumáticos 20 2.7. Problemas mecánicos 21 2.8 Recomendaciones para el inflado de los neumáticos 22

2.9 Sensores 24 2.9.1. Los órganos sensoriales 24 2.9.2 ¿Por qué utilizar sensores? 24 2.9.3. Clasificación y definición de conceptos 25 2.9.4 Los sensores en la producción industrial 28 2.9.5 Funciones y efectos aprovechables 28 2.9.6. Análisis de aplicaciones y criterios de selección 31 2.9.7. Sensores de presión 33 2.9.7.1. Sensores Mecánicos 342.9.7.2. Sensores electrónicos 35

2.10. Compresores 40 2.10.1. Compresores alternativos 40 2.10.1.1. Clasificación de los compresores alternativos 40 2.10.1.1.2. Por el número de etapas 40 2.10.1.1.2.1. Compresores de una etapa 40 2.10.1.1.2.2. Compresores de dos etapas 40 2.10.1.1.3. Por el modo que trabaja el pistón 40 2.10.1.1.3.1. De simple efecto 40 2.10.1.1.3.2. De doble efecto 40 2.10.1.1.3.3. De etapas múltiples 41 2.10.1.1.3.4. De pistón diferencial. 41 2.10.1.1.4. Por el número y disposición de los cilindros 41 2.10.1.2. Gráfico de humedad contenida en el aire. 42 2.10.1.3. Enfriado y separado. 43 2.10.1.4. Regulación de la capacidad 43 2.10.1.5. Puesta en marcha de los compresores alternativos 44 2.10.1.6. Parada de compresores alternativos 39 2.10.2. Compresores a Tornillo o Helicoidales 45

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2.10.2.1. Compresores helicoidal de dos rotores 45 2.10.2.1.1. Funcionamiento 46 2.10.2.2. Compresor helicoidal de rotor único 46 2.10.2.2.1. Lubricación 47 2.10.2.2.2. Funcionamiento 49 2.10.3. Turbocompresores 50 2.10.3.1. Ventiladores 50 2.10.3.2. Turbosoplantes 50 2.10.3.3 Clasificación de los turbocompresores 51 2.10.3.3.1 Comparación de los turbocompresores centrífugos y los axiales 52

2.11 Válvulas de control 53 2.11.1 Válvulas de movimiento lineal 53 2.11.1.1Válvulas de globo 53 2.11.1.2 Válvulas de ángulo 53 2.11.1.3Válvula de tres vías 53 2.11.1.4. Válvulas de jaula 54 2.11.1.5. Válvulas de compuerta 54 2.11.1.6. Válvulas de cuerpo partido 54 2.11.1.7. Válvula sunders 54 2.11.1.8. Válvula de compresión 54 2.11.2 Válvulas de movimiento de obturador 54 2.11.2.1 Válvulas de obturador excéntrico rotativo 54 2.11.2.2. Válvulas de obturador cilíndrico excéntrico 55 2.11.2.3. Válvula de mariposa. 55 2.11.2.4. Válvulas de bola 55 2.11.2.5. Válvula de orificio ajustable 55 2.11.2.6. Válvula de flujo axial 55 2.11.3. Tipos de acciones de las válvulas de control 56

Capitulo 3 Solución al problema 57 3.1 Solución al problema 57

Capitulo 4 Conclusiones 61 4.1 Conclusiones 61 4.2 Recomendaciones 61

Capitulo 5 Anexo 63 5.1 Características generales del PLC LOGO! 63 5.2 Programar LOGO! 67

Bibliografía 72

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Índice de figuras

Fig. 2.1 Neumático convencional 13 Fig. 2.2 Neumático radial 13 Fig. 2.3 Partes de un neumático 15 Fig. 2.4 Dimensiones de un neumático 16 Fig.2.5 Nomenclatura de neumáticos 17 Fig. 2.6 Funcionamiento general de un sensor 26Fig. 2.7 Diagrama de márgenes de presión 34 Fig.2.8 Sensores de presión 36 Fig.2.9 Sensor de presión con cinta extensometrica 37 Fig.2.10 Esquema de conexiones internas de un sensor de presión 38 Fig. 2.11 Elementos de conmutación neumáticos 39 Fig.2.12 Formas de trabajar el pistón 41 Fig. 2.13 Humedad contenida en el aire 42 Fig. 2.14 Tornillos de un compresor helicoidal de dos rotores 45 Fig. 2.15 Compresor helicoidal de rotor único 47 Fig.2.16 Fases del funcionamiento de un compresor helicoidal de rotor único 48 Fig. 3.1 Diagrama General y Parámetros de las funciones 57 Fig. 3.2 Presión mayor que 110 psi 58 Fig. 3.3 Presión menor que 110 psi 59 Fig. 3.4 Presión de 110 psi 60 Fig. 4.1 Válvula Solenoide 2 vías 61 Fig. 4.2 Sensor Veris serie PG 61 Fig.4.3 Cilindro para 6 neumáticos. 62 Fig. 5.1 Estructura de LOGO 66

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Índice de tablas

Tabla 2.1 Códigos de índice de carga 18 Tabla 2.2 Códigos de velocidad 19 Tabla 2.3 Comparación de los órganos sensoriales y sensores electrónicos 24 Tabla 2.4 Clasificación de sensores por la fuente de energía 27

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

1.1 INTRODUCCIÓN

El inflado de neumáticos a una presión correcta en la industria del transporte es tan importante como el buen funcionamiento del mismo motor. Una presión baja ocasiona inestabilidad durante la marcha, desgaste acelerado en los extremos de la banda de rodamiento, aumento en el consumo de combustible y baja respuesta en situaciones de frenado La baja presión de aire en los neumáticos genera un exceso de calor interno lo que ocasiona un decremento en la durabilidad de los materiales mismos. Por otro lado, el neumático tendrá un desgaste más pronunciado en los hombros, dado el contacto irregular de la banda de rodamiento con el pavimento. Habrá también pérdida de la renovabilidad pues la fatiga de la carcaza o casco será mayor, inclusive se puede llegar a la pérdida prematura de la carcaza. El exceso de flexión en los costados debido a la baja presión lleva a la rotura circunferencial o agrietamiento en la carcaza. Además la baja presión contribuye al incremento en el consumo de combustible ya que la banda rodante tiene mayor contacto con el pavimento lo que se traduce en una mayor resistencia al rodamiento.

Por el contrario si se transita con sobrepresión, la banda de rodamiento se desgasta en el centro, ya que es la única parte de su superficie que hace contacto con el suelo. Ello dificulta la maniobrabilidad y reduce la respuesta del sistema de dirección. Además repercute en la estabilidad general del automóvil Cuando la presión de aire del neumático es excedida, la durabilidad del mismo se reduce ya que propiciará que exista más aire caliente dentro del neumático. Se presenta un desgaste mayor en el centro del neumático, ya que el apoyo en este punto es mayor debido al arqueo que sufre la banda de rodamiento. Con el exceso de presión, el neumático se torna más susceptible a daños por impacto. Su capacidad de absorción disminuye a razón inversa del aumento de la presión pudiendo sufrir roturas en la carcaza. El aspecto de seguridad se vera afectado debido a la poca deformación del neumático lo que ocasionará que no exista un buen contacto entre la banda y la superficie de rodamiento haciendo peligroso el manejo.

Cuando la presión es correcta, los neumáticos tienen mejor agarre, soportan mejor los baches y el peso de la carga, trabajan a temperaturas más bajas lo que evita un desgaste prematuro y lo más importante, contribuyen al ahorro de combustible.

Aunado que un neumático debe estar calibrado a la presión correcta, en la industria del trasporté de carga estamos hablando que un tracto tiene 8 neumáticos más la carga que valla transportar la cual puede ser una caja de volteo, un tanque o una caja seca las cuales pueden tener hasta 16 neumáticos lo cual como se puede observar se justifica la automatización de este proceso

La mayor parte de los procesos de fabricación tienen como finalidad la creación de un producto o la operación de un sistema. Todo esto requiere la ejecución de una secuencia de operaciones. La secuencia del proceso se puede realizar manualmente o automáticamente empleando un conjunto de dispositivos electrónicos.

Hacia la década de los sesenta todos los procesos de control se encontraban dominados por relés electromagnéticos, lo que en algunos casos formaban verdaderos bancos para realizar una tarea medianamente compleja.

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Por requerimientos de la industria y ante los avances que se tenían con elementos de estado sólido como son los semiconductores y con el fin de reducir el costo asociado a los sistemas basados en relés, se identifico ciertas características que deberían cumplir el o los componentes que en el futuro reemplazarían a los relés. Estas son:

Ser de estado solidó Ser flexible como un computador Fácil de operar y mantener Capaz de operar y resistir ambientes industriales adversos Facilidad de programación Capacidad de cambiar su aplicación (reorientar)

Con la aparición del Microprocesador y la dinámica tecnológica que estos han impreso a todo lo referente con el control, significo crear un dispositivo con un potencial enorme en sus aplicaciones. La aparición de los Controladores Lógicos Programado (PLC) significó una revolución de los procesos de control.

El PLC es esencialmente un conductor de eventos en lo convencional si un evento ocurre ciertas acciones se deben llevar acabo. Si consideramos al PLC como un controlador industrial que monitorea continuamente él estado de las variables en maquinas y equipos de un proceso. Este monitoreo de los estados que realiza el controlador dará origen a operaciones y decisiones lógicas. El análisis que se realiza de los estados para tomar una decisión está estructurado mediante un programa boleano de control, lo que origina acciones ON-OFF sobre el estado de las salidas.

Desde esta Perspectiva inicial se podría definir al PLC como un control on-off multivariado

Los primeros PLC tuvieron control on-off y su aplicación se vio limitada a procesos de tipo repetitivo tales como: Correas transportadores, Procesos de molienda, control de motores de bombas etc...

Estos primeros procesos controlados tenían grandes mejoras en relación al proceso basado en relés como los siguientes:

Fácil de instalar Pequeño volumen Bajo consumo de energía Control con indicaciones de diagnostico (muy útil para detectar fallas en la operación) Reorientable al finalizar su aplicación

Actualmente podemos definir un PLC como un dispositivo eléctrico con una memoria construida para almacenar instrucciones programables para el control de una gran variedad de tipos de máquinas, considerando a estas ultimas como unidades de entrada y salida y presentan las siguientes ventajas:

1.- Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que: No es necesario dibujar el esquema de contactos.

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No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento del modulo de memoria es lo suficientemente grande La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

2.- Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir aparatos.

3. Mínimo espacio de ocupación

4. Menor coste de mano de obra de la instalación

5. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismo autómatas pueden detectar e indicar averías.

6. Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo autómata.

7. Menor tiempo para la puesta de funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.

8. Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el plc se puede reutilizar

En el mercado actual existen una gran variedad de PLCs de diferentes costos, uno de los que más se adecua para la solución del problema de inflado de neumáticos es el PLC de siemens LOGO Tomando como referencias estas características y ventajas de un PLC se decidió realizar la automatización del inflado de neumáticos por medio de este PLC.

En el capitulo 2 Se expone los conceptos que intervienen en nuestro proceso como son características de los neumáticos, válvulas de presión, sensores y compresores. En el capitulo 3 se da la solución del problema simulado por medio del PLC de logo. En el capitulo 4 se presentan las conclusiones y recomendaciones para la implementación real, finalmente se presenta un anexo con las características del PLC logo

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1.2 ESTADO DEL ARTE

El sistema de inflado de neumáticos con nitrógeno permite usar nitrógeno en lugar de aire para inflar neumáticos, con lo cual se obtiene una ventaja competitiva gracias a la retención mejorada de la presión del neumático, la cual eleva a un nuevo nivel el inflado de neumáticos. Las ventajas son las siguientes

Mejor retención de la presión del aire. La causa más frecuente de la rotura de los neumáticos es una presión de inflado deficiente. De hecho, un 54 por ciento de todos los vehículos en uso tienen los neumáticos inflados a una presión insuficiente. El oxigeno en el aire comprimido puede penetrar la pared del neumático, lo cual reduce la presión de inflado. Con el nitrógeno, en cambio, la difusión es un 30 o 40 por ciento más lenta. Como resultado, el nitrógeno mantiene la presión de inflado del neumático durante un periodo más prolongado que el aire.

Reducción del consumo de combustible. Al mantenerse la presión de inflado de los neumáticos, el consumo de combustible se puede reducir en hasta 6 por ciento. Esto se debe a dos factores: una mayor resistencia a lo rodadura por estar inflados los neumáticos a la presión correcta, y la reducción del calor de los neumáticos. El nitrógeno dispersa el calor más rápidamente que el aire ambiente, por lo que la acumulación del calor en los neumáticos se reduce al mínimo y se mejora la eficacia del combustible.

Vida útil prolongada en la banda de rodadura. Con una disipación del calor más rápida se obtiene un neumático que trabaja más frío, lo cual alarga la vida útil de la banda de rodadura y reduce la rotura del neumático. El nitrógeno también impide la oxidación, la cual no solo puede llevar a la separación de la banda de rodadura y la rotura de las capas, sino que, cuando se combina con la humedad, puede corroer las llantas. De hecho, la humedad puede producir escamas de óxido que pueden entrar en el vástago de la válvula, obstruir la válvula y redundar en el inflado a una presión insuficiente. Puede incluso hacer que el propio vástago de la válvula se oxide.

Envejecimiento químico lento. Al llenar un neumático de nitrógeno también se retarda de forma significativa el proceso químico de envejecimiento de los componentes de goma del neumático. Esto trae la ventaja de menor cantidad de roturas catastróficas tales como los reventones. El envejecimiento más lento prolonga la vida útil de la parte básica del neumático, lo cual produce un mayor número de recauchutados posibles de la banda de rodadura y reduce los costes de flota.

Generadores de Nitrógeno. Los generadores de nitrógeno emplean una tecnología avanzada de membrana que permite obtener unas prestaciones impecables día tras día. Los módulos del generador comprenden un paquete de membranas de fibra hueca que separan el nitrógeno del aire. Cuando el aire comprimido pasa por las fibras, el oxígeno, el vapor de agua y pequeñas cantidades de otros gases penetran la membrana debido a su tamaño molecular relativamente pequeño. El nitrógeno, que no penetra la membrana, fluye a través de la lumbrera de salida hacia la aplicación. Según datos estadísticos, las deficiencias en el equipo de neumáticos representan una causa frecuente de accidentes y averías. En la mayoría de los casos, las averías debidas a daños de neumáticos se deben a una muy baja presión de inflado (un 85 % de reventones). A pesar de que la presión correcta en los neumáticos es un factor determinante para la seguridad de conducción, la duración de los neumáticos y el consumo de combustible, era sin embargo una de las pocas

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magnitudes que no estaba sujeta a una vigilancia continua hasta esta parte. El conductor no dispone de información sobre la presión momentánea de los neumáticos durante la marcha. Los avances logrados en la miniaturización de los sistemas electrónicos y el aumento de capacidad de las baterías han permitido desarrollar un sistema destinado a la vigilancia dinámica de la presión de inflado de los neumáticos. El control automático de presión de neumáticos sirve para vigilar continuamente la presión de los neumáticos durante la marcha y estando el vehículo parado. Asiste al conductor en el menester de mantener controladas las presiones que ha puesto en los neumáticos y emite avisos correspondientes en el cuadro de instrumentos al producirse cualquier pérdida de presión.El control automático de presión de neumáticos se implanta por primera vez en los AUDI A8/S8 del modelo 2000. El sistema implantado por Audi para el control automático de la presión de los neumáticos es una versión para 4 ruedas. Si bien, la rueda de repuesto se vigila y “administra” por parte de la unidad de control, pero no se la incluye en los mensajes del sistema. La transmisión de datos de los sensores de las ruedas hacia la unidad de control se lleva a cabo de forma inalámbrica, por radiofrecuencia (gama de alta frecuencia AF). El intercambio de información de los periféricos en el vehículo se lleva a cabo a través del CAN-Bus para sistemas de confort. En la válvula de cada neumático va montada una unidad de palpador transmisor, que emite una señal de radiofrecuencia en intervalos periódicos hacia las antenas del sistema fijadas en el pase de rueda, las cuales retransmiten las señales a la unidad de control para vigilancia de la presión de neumáticos. La unidad de control para vigilancia de la presión de neumáticos analiza las presiones de los neumáticos y sus fluctuaciones, y transmite los mensajes correspondientes del sistema al cuadro de instrumentos, los cuales se visualizan para el conductor a través del display en el sistema de información (FIS)

El control automático de presión de neumáticos ofrece las siguientes ventajas:

Más seguridad mediante mensajes oportunos del sistema si un neumático tiene muy baja presión.Un mayor nivel de confort, por eliminarse la revisión periódica de la presión de los neumáticos. Sólo es necesario corregir la presión de los neumáticos si está dada la indicación correspondiente. Una mayor vida útil de los neumáticos (una presión 0,3 bar por debajo de la especificada puede reducir la vida útil hasta un 25 %). Un menor consumo de combustible, gracias a la presión correcta de los neumáticos.

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1.3 OBJETIVOS Simular la automatización de un sistema de inflado y desinflado de 6 neumáticos para un tracto por medio del software LogoSoft! Comfort versión 5.0.19

1.4 ALCANCES El presente trabajo cubre la simulación del inflado automático de neumáticos por medio del software LogoSoft! Comfort versión 5.0.19 y se da una recomendación

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CAPITULO 2 MARCO TEORICO

2.1. Neumáticos

Los neumáticos están compuestos de un material llamado caucho el cual es una sustancia que se extrae de árboles de zonas tropicales. Este material se extrae al sangrar el árbol, luego se recoge este liquido lechoso llamado látex que en parte esta compuesto por partículas de goma pura. Desecado este material es mezclado con proporciones variables de azufre (vulcanización) y otros productos obteniendo caucho vulcanizado en diversos grados de dureza, desde el blando usado para las cámaras hasta la ebonita que es el compuesto rígido utilizado para aisladores.

De esta forma el caucho obtenido es resistente al agua y a los ácidos, pero lo atacan el aceite mineral y la gasolina; y bajo la acción de la luz y en el transcurso del tiempo se oxida, haciéndose quebradizo. Existe otro tipo de material para construir neumáticos el cual es el caucho artificial que se obtiene en su mayoría del petróleo bruto. Hasta ahora el más empleado es el SBR o “Bruna S” a base de estireno y butadieno. El SBR es el que más se ha vendido empleándose para la banda de rodadura de los neumáticos, con un 30 % más de duración que el caucho natural. La mitad aproximadamente del consumo actual de caucho procede de variedades sintéticas.

El neumático es el único contacto del piso con el vehículo por lo tanto su función es vital para el buen funcionamiento del auto. En la composición de un neumático intervienen más de doscientos materiales distintos. La energía que estos últimos contienen "suma de la energía de sus materiales constituyentes de base y de la energía necesaria para su transformación (pasar del látex al caucho, por ejemplo)" supone las tres cuartas partes del contenido energético total del neumático. La cuarta parte restante representa la energía para su fabricación.

Partiendo de esta base, reducir el peso del neumático, o simplificar sustancialmente su proceso de fabricación, implica un ahorro directo de energía. Ya en 1946, la invención por parte de Michelín del neumático radial, permitió un ahorro del 30% de materias primas en relación con un neumático convencional. Por otra parte, el neumático posee una resistencia al rodamiento intrínseca, por lo que interviene directamente en el consumo de combustible del vehículo. Para reducirlo y limitar así las emisiones contaminantes de los motores, Michelín ha explorado nuevos caminos, tanto en el campo de la estructura de los neumáticos como en el de los materiales. El resultado ha sido la tecnología Green X, la que permite disminuir la resistencia al rodamiento del neumático en más de un 20% y reducir así el consumo de combustible de los vehículos. Si tomamos en cuenta que un neumático a las velocidades normales de utilización, es el responsable de una parte importante, alrededor del 20%, del consumo de combustible. Cuando rueda, y especialmente en la frenada, la banda de rodamiento se deforma en un rango de frecuencia elevado que corresponde a su deformación sobre las rugosidades del suelo. Esta deformación genera una pérdida de energía "útil", puesto que sirve para procurar adherencia a la calzada, garantizando la seguridad del usuario.

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2.2. Estructura de los neumáticos

2.2.1. Neumáticos convencionalesEste tipo de neumático se caracteriza por tener una construcción diagonal que consiste en colocar las capas de manera tal, que las cuerdas de cada capa queden inclinadas con respecto a línea del centro orientadas de ceja a ceja. Este tipo de estructura brinda al neumático dureza y estabilidad que le permiten soportar la carga del vehículo. La desventaja de este diseño es que proporciona al neumático una dureza que no le permite ajustarse adecuadamente a la superficie de rodamiento ocasionando un menor agarre, menor estabilidad en curvas y mayor consumo de combustible.

Fig. 2.1 Neumático convencional

2.2.2. Neumáticos radiales En la construcción radial, las cuerdas de las capas del cuerpo van de ceja a ceja formando semiovalos. Son ellas las que ejercen la función de soportar la carga. Sobre las capas del cuerpo, en el área de la banda de rodamiento, son montadas las capas estabilizadoras. Sus cuerdas corren en sentido diagonal y son ellas las que soportan la carga y mantiene la estabilidad del neumático. Este tipo de construcción permite que el neumático sea más suave que el convencional lo que le permite tener mayor confort, manejabilidad, adherencia a la superficie de rodamiento, tracción, agarre, y lo más importante contribuye a la reducción del consumo de combustible.

Fig. 2.2 Neumático radial

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2.3 Descripción de los neumáticos

Las partes fundamentales de un neumático radial son:

1.- Banda de rodamiento. Esta parte, generalmente de hule, proporciona la interfase entre la estructura de la llanta y el camino. Su propósito principal es proporcionar tracción y frenado.

2.- Cinturón (Estabilizador). Las capas del cinturón (estabilizador), especialmente de acero, proporcionan resistencia a al neumático, estabiliza la banda de rodamiento y protege a ésta de picaduras.

3.- Capa radial. La capa radial, junto con los cinturones, contienen la presión de aire. Dicha capa transmite todas las fuerzas originadas por la carga, el frenado, el cambio de dirección entre la rueda y la banda de rodamiento.

4.- Costado (Pared). El hule del costado (pared) está especialmente compuesto para resistir la flexión y la intemperie proporcionando al mismo tiempo protección a la capa radial.

5.- Sellante Una o dos capas de hule especial (en neumáticos sin cámara) preparado para resistir la difusión del aire. El sellante en estos neumáticos reemplaza la función de las cámaras.

6.- Relleno. Piezas también de hule con características seleccionadas, se usan para llenar el área de la ceja (talón) y la parte inferior del costado (pared) para proporcionar una transición suave del área rígida de la ceja, al área flexible del costado.

7.- Refuerzo de la ceja (talón) Es otra capa colocada sobre el exterior del amarre de la capa radial, en el área de la ceja, que refuerza y estabiliza la zona de transición de la ceja al costado.

8.- Ribete Elemento usado como referencia para el asentamiento adecuado del área de la ceja sobre el rim.

9.- Talón Es un cuerpo de alambres de acero de alta resistencia utilizado para formar una unidad de gran robustez. El talón es el ancla de cimentación de la carcaza, que mantiene el diámetro requerido de la llanta en el rim.

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Fig. 2.3 Partes de un neumático

2.4 Dimensiones de los Neumáticos

Diámetro total. • La distancia medida desde un extremo de la banda rodante hasta el opuesto estando el neumático sin carga.

Ancho total • Medida de la sección transversal del neumático estando éste sin carga. Esta medida incluye los costados de la llanta.

Ancho de sección. • Medida de la sección transversal excluyendo rebordes del neumático.

Ancho de la sección de rodadura. • Distancia que existe entre los extremos de la banda rodante estando el neumático sin carga.

Profundidad de la sección de rodadura. • La mayor profundidad de la ranura existente entre la banda de rodamiento y su base.

Altura de sección. • Distancia entre el asiento de ceja hasta la banda de rodamiento, estando el neumático sin carga.

Ancho de rim • Distancia transversal entre los costados del asiento de la ceja del rin.

Diámetro nominal de rin • Diámetro del rin medido desde el asiento de ceja hasta el extremo opuesto del mismo

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Radio estático con carga • Distancia entre el centro del eje del vehículo y la superficie de rodamiento estando el neumático soportando su máxima capacidad de carga.

Ancho de sección con carga • Es el ancho de sección máximo que el neumático obtiene al estar soportando su máxima capacidad de carga

Espacio mínimo entre duales • La distancia mínima aceptada entre los centros de las ruedas en un arreglo dual “yoyos” Revoluciones por milla • El número de revoluciones que da el neumático en una milla (1 milla= 1609km) a una velocidad de 55mph (88km/hr.) indicada en la pared lateral del neumático

Fig. 2.4 Dimensiones de un neumático

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2.5. Nomenclatura de neumáticos

Fig.2.5 Nomenclatura de neumáticos

P Indica el uso para automóviles de pasajeros.

215 Representa la anchura máxima entre costados de la llanta en milímetros.

65 Es la relación entre la altura y la anchura de la llanta y se le llama relación de aspecto.

R Significa la construcción radial del neumático.

15 Es el diámetro del rim en pulgadas

Algunos neumáticos especifican el servicio o bien muestran el índice de carga y la clasificación de velocidad. El índice de carga asigna números desde 0 hasta 279 que corresponden a la capacidad de carga del neumático a su máxima presión de inflado. El símbolo de velocidad determina la máxima velocidad que el neumático puede alcanzar.

89 Especifica el índice de carga. Este código numérico indica la máxima carga que el neumático puede soportar con la velocidad especificada por el símbolo de velocidad, si llegara a excederse esta velocidad, la carga del neumático se vera reducida según las especificaciones del fabricante

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Tabla 2.1 Códigos de índice de carga

Índice de Carga

Lbs Kg. Índicede carga

74 830 375 124 3539 160075 850 387 125 3640 165076 880 400 126 3750 170077 910 402 127 3860 175078 940 425 128 3970 180079 960 437 129 4080 185080 990 450 130 4190 190081 1020 462 131 4300 195082 1050 475 132 4410 200083 1070 478 133 4540 206084 1100 500 134 4670 212085 1130 515 135 4810 218086 1170 530 136 4940 224087 1200 545 137 5070 230088 1230 560 138 5200 236089 1280 580 139 5360 243090 1320 600 140 5510 250091 1360 615 141 5680 257592 1390 630 142 5840 265093 1430 650 143 6010 272594 1480 670 144 6170 280095 1520 690 145 6390 290096 1560 710 146 6610 300097 1610 730 147 6780 307598 1650 750 148 6950 315099 1710 775 149 7170 3250100 1760 800 150 7390 3350101 1820 825 151 7610 3450102 1870 850 152 7830 3550103 1930 875 153 8050 3650104 1980 900 154 8270 3750105 2040 925 155 8540 3875106 2090 950 156 8820 4000107 2150 975 157 9090 4125108 2200 1000 158 9370 4250109 2270 1030 159 9650 4375110 2340 1060 160 9920 4500111 2400 1090 161 10200 4625112 2470 1120 162 1070 4750113 2530 1150 163 10750 4875114 2600 1180 164 11020 5000115 2680 1215 165 11350 5150116 2760 1250 166 11690 5300

18

117 2830 1285 167 12020 5450118 2910 1320 168 12350 5600119 3000 1360 169 12790 5800120 3090 1400 170 13230 6000121 3200 1450 171 13560 6150122 3310 1500 172 13890 6300123 3420 1550

H Símbolo de velocidad. El código de velocidad indica la velocidad que el neumático puede operar bajo las condiciones especificadas por el fabricante.

Tabla 2.2 Códigos de velocidad

Símbolo de velocidad VelocidadMPH Km/h

F 50 80G 55 90J 62 100K 68 110L 75 120M 80 130N 87 140P 93 150Q 99 160R 105 170S 112 180T 118 190U 124 200H 130 210V 150 240Z 150 24O o más

Los neumáticos también muestran la máxima presión de inflado en psi (libras por pulgada cuadrada). El número DOT Departamento de Transporte de Estados Unidos (Departament of Transport), contraparte americana de la NOM (Norma Oficial Mexicana), muestra los factores de desempeño del neumático en cuanto al índice de desgaste, tracción y resistencia a la temperatura.

Índice de desgaste. El índice de desgaste del neumático es una clasificación comparativa con base en el valor de desgaste del neumático probada bajo condiciones controladas sobre una vía especificada de prueba del gobierno en Estados Unidos. Así un neumático con grado 200 podrá durar dos veces

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más en el camino o vía de prueba del gobierno bajo las condiciones de la prueba especificada que una de grado 100.

La tracción. La clasificación de los grados de tracción va de la mayor a la menor y son A, B y C. Estas representan la capacidad de las llantas para frenar sobre pavimento mojado, medida bajo condiciones controladas sobre superficies de prueba de asfalto y concreto, especificadas por el gobierno.

La temperatura. La clasificación de los grados de temperatura va de la mayor a la menor y son A, B y C. Estas representan la resistencia de los neumáticos a la generación de calor por fricción al ser probadas en el laboratorio bajo condiciones controladas.

2.6. Cuidado y mantenimiento de neumáticos

Una vez que se ha seleccionado el neumático, debe cerciorarse de darle un mantenimiento adecuado. La duración de un neumático depende tanto de condiciones de uso como de las características propias del vehículo que la soporta. Usted puede hacer mucho para prolongar la vida de los neumáticos y garantizar su seguridad. Algunos aspectos que debe considerar son:

AlineaciónEs un servicio indispensable para mantener la estabilidad y durabilidad del neumático. Debe hacerse aproximadamente cada 10,000 km. Una mala alineación suele ser la mayor causa de desgastes irregulares, sobre todo si el neumático presenta ángulos de convergencia y divergencia, según el caso. Si la dirección tiende a irse de un lado a otro o el volante tiene demasiado “juego” y no regresa a su posición original después de un giro, con seguridad los neumáticos delanteros están desalineados.

BalaceoLas llantas fuera de balanceo pueden perder miles de kilómetros de vida útil. Para lograr el mejor desempeño de una llanta es necesario que el peso del conjunto llanta-rin esté distribuido uniformemente. Una parte pesada en la llanta y el ensamble (conjunto llanta rin) deberá ser balanceada con precisión. Este es un procedimiento por medio del cual se ajustan los pesos de la llanta y del rin para mantener un equilibrio correcto entre ambos. Existen dos tipos de balanceo. El primero es el estático, en el cual se colocan pequeños pesos en el rin para contrarrestar este desequilibrio. El otro tipo es el dinámico que toma en cuenta la distribución del peso que debe añadirse a la rueda para lograr estabilidad. Si las ruedas no están balanceadas sufrirán desgaste prematuro, además de producir vibraciones e incomodidad al conducir.

Rotación de las llantas Pasar los neumáticos del eje de tracción a los ejes no tractivos contribuye a aumentar su durabilidad y alargar su vida hasta en un 20%, siempre y cuando todos los neumáticos sean del mismo tipo. Se recomienda hacerlo entre los 5 mil y 10 mil kilómetros.La técnica básica de rotación es un simple patrón “X” para automóviles y camionetas. En vehículos de tracción delantera por ejemplo, la llanta trasera izquierda va al lugar de la delantera derecha y la llanta trasera derecha a la delantera izquierda; las llantas delanteras se mueven directamente a la parte trasera. Lo contrario se aplica para vehículos de tracción trasera.

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2.7. Problemas mecánicos

ConvergenciaSignifica que los bordes delanteros de las llantas delanteras o traseras están más cercanos entre sí que los bordes traseros. La convergencia contrarresta la tendencia de las llantas delanteras a divergir cuando un automóvil alcanza velocidades altas. Todos los vehículos de transporte vienen con una convergencia positiva para que al estar en movimiento, las ruedas tiendan a quedar paralelas. Esto ocurre porque el eje delantero, al ser empujado, permite una abertura de las ruedas, dentro de los límites de operación de los componentes de la dirección. Por lo tanto si las terminales estuvieren flojas más de lo normal tenderán a abrirse más, generando convergencia negativa Si el desgaste del neumático aparece a partir del hombro externo, indicará convergencia positiva en exceso

Divergencia Significa que los bordes traseros de las llantas, ya sean del eje trasero o delantero, estarán más cerca entre sí que los bordes delanteros. La divergencia se usa comúnmente en autos de tracción delantera para contrarrestar la tendencia a converger mientras se conduce a velocidades altas. Alguna divergencia es necesaria para que los automóviles viren. El ángulo de divergencia en curvas, resultante de la inclinación de los brazos auxiliares del sistema de dirección, permite que la rueda interna en la curva, vire más que la externa, si las dos entrasen a la curva en paralelo, la rueda interna sufriría un arrastre lateral, de afuera hacia adentro. Esto es debido a que la externa comanda la curva, dada la transferencia de peso sobre la misma y la interna no tendría otra salida que arrastrarse para acompañarla en la curva Si se tienen averías en los brazos auxiliares, estarán afectadas la convergencia y la divergencia en curvas, ambas produciendo el mismo síntoma de desgaste en los neumáticos (desgaste escamado a partir de los hombros internos, en dirección al centro de la banda de rodamiento). Esto ocurrirá porque las ruedas se abrirán más del necesario.

CamberCamber es el ángulo que forma por una parte una línea imaginaria de la rueda con una línea vertical y perpendicular al piso. El camber puede ser hacia dentro (camber negativo) o hacia fuera (camber positivo).

Todos los vehículos de transporte vienen con camber positivo, pues cuando el vehículo recibe su carga y es puesto en movimiento, la tendencia de las ruedas es de abrirse en la parte inferior. El ángulo de camber dado en el vehículo es calculado para que las ruedas queden lo más próximo de la vertical posible cuando ellas están en movimiento (sin quedar negativas), y es dado en la fundición del mango del eje. Por eso no es regulable.

Cuando el eje se desvía por sobrecarga, el camber queda negativo y el desgaste de los neumáticos se producirá a partir de los hombros internos, esto es porque las ruedas habrán quedado muy abiertas en la parte inferior.

El desgaste por camber incorrecto se acentúa en los hombros del neumático, no solo por la alteración de la distribución de peso, si no principalmente por generar dos diámetros diferentes dirigidos por el radio inferior, girando en torno al mismo eje. El diámetro menor tendrá que arrastrarse un poco más en cada vuelta para mantenerse acompañado con el mayor. Este desgaste,

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aunque es a partir de los hombros como en el caso de la convergencia, se diferencia por ser de tipo liso (arrastre direccional y no lateral)

2.8 Recomendaciones para el inflado de los neumáticos

Una presión de inflado apropiada es la práctica más importante de mantenimiento para asegurar una larga vida del neumático. Si usted utiliza los neumáticos recomendados por el fabricante del vehículo entonces siempre mantenga la presión de aire indicada por el mismo. Si decide cambiar los neumáticos por otros que no son recomendados por el fabricante del vehículo, entonces tendrá que ajustarse a las indicaciones del fabricante del neumático.

Baja Presión Una gran cantidad de automovilistas circulan con los neumáticos por debajo de la presión correcta, lo que ocasiona inestabilidad durante la marcha, desgaste acelerado en los extremos de la banda de rodamiento, aumento en el consumo de combustible y baja respuesta en situaciones de frenado La baja presión de aire en los neumáticos genera un exceso de calor interno lo que ocasiona un decremento en la durabilidad de los materiales mismos. Por otro lado, el neumático tendrá un desgaste más pronunciado en los hombros, dado el contacto irregular de la banda de rodamiento con el pavimento. Habrá también pérdida de la renovabilidad pues la fatiga de la carcaza o casco será mayor, inclusive se puede llegar a la pérdida prematura de la carcaza. El exceso de flexión en los costados debido a la baja presión lleva a la rotura circunferencial o agrietamiento en la carcaza. Además la baja presión contribuye al incremento en el consumo de combustible ya que la banda rodante tiene mayor contacto con el pavimento lo que se traduce en una mayor resistencia al rodamiento.

Exceso de presión Por el contrario si se transita con sobrepresión, la banda de rodamiento se desgasta en el centro, ya que es la única parte de su superficie que hace contacto con el suelo. Ello dificulta la maniobrabilidad y reduce la respuesta del sistema de dirección. Además repercute en la estabilidad general del automóvil Cuando la presión de aire del neumático es excedida, la durabilidad del mismo se reduce ya que propiciará que exista más aire caliente dentro del neumático. Se presenta un desgaste mayor en el centro del neumático, ya que el apoyo en este punto es mayor debido al arqueo que sufre la banda de rodamiento. Con el exceso de presión, el neumático se torna más susceptible a daños por impacto. Su capacidad de absorción disminuye a razón inversa del aumento de la presión pudiendo sufrir roturas en la carcaza. El aspecto de seguridad se vera afectado debido a la poca deformación del neumático lo que ocasionará que no exista un buen contacto entre la banda y la superficie de rodamiento haciendo peligroso el manejo.

Presión correcta Cuando la presión es correcta, los neumáticos tienen mejor agarre, soportan mejor los baches y el peso de la carga, trabajan a temperaturas más bajas lo que evita un desgaste prematuro y lo más importante, contribuyen al ahorro de combustible. Por ello es importante que siempre cheque el nivel de presión de los neumáticos. Hágalo cuando estos estén fríos ya sea cuando el vehículo haya recorrido menos de1 km., o bien 3 horas después de haber finalizado el recorrido. No olvide checar también el neumático de repuesto (de refacción).

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Es recomendable que revise la presión al menos cada semana, cuando vaya a realizar un viaje con carga y/o antes de hacer un viaje largo.

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2.9 Sensores

2.9.1. Los órganos sensoriales Un ser viviente solo puede subsistir si es capaz de reaccionar a lo que sucede en su entorno. Incluso los seres unicelulares disponen de esta facultad. Para percibir determinadas excitaciones desde dentro o fuera del cuerpo a través del sistema nervioso central, existen estructuras biológicas que se denominan receptores.

Mediante la utilización de las modernas tecnologías es posible obtener receptores artificiales que se denominan sensores o detectores y que, montados en vehículos, aparatos electrodomésticos y en otros equipos técnicos, permiten que estas maquinas reaccionen de modo controlado y por si mismas a determinados estados. Los sensores imitan la capacidad de percepción de los seres humanos. Por ello, pueden clasificarse de acuerdo con los correspondientes sentidos del hombre:

Tabla 2.3 Comparación de los órganos sensoriales y sensores electrónicos Sentido del hombre Sensores electrónicosSentido de la vista Sensores ópticos Sentido del oído Sensores acústicos Sentido del gusto y el olfato Sensores químicos Sentido del tacto Sensores táctiles

Además existen numerosas magnitudes químicas, físicas e, incluso, biológicas, que el ser humano no es capaz de percibir. Sin embargo, los sensores si son capaces de ello. La técnica de los sensores ha experimentado una evolución vertiginosa en los últimos tiempos. Aunque en muchos casos no se aprecian a simple vista, especialmente si se trata de chips, que están presentes en donde quiera.

2.9.2 ¿Por qué utilizar sensores? La subsistencia de las sociedades industriales modernas depende de la automatización. El ser humano primero se libro del esfuerzo físico en las fabricas utilizando maquinas y actuadores de diversa índole. Este proceso duro varios siglos y puede calificarse como la era de la mecanización. A esta era le siguió la era de la paulatina automatización que, a su vez, supone la existencia de técnicas de control de alto nivel. Ya en el ano 1923, por ejemplo, la empresa inglesa “Morris Motors” instalo en su planta una línea de fabricación paso a paso para la producción de bloques de cilindros, consiguiendo fabricar 15 unidades por hora. Sin embargo, el método no se impuso porque el sistema de control mecánico disponible en la época no cumplía los requisitos necesarios. La ingente cantidad de componentes utilizados actualmente con ese fin ha creado una situación casi paradisíaca en ese sentido. Los sistemas de procesamiento de señales han experimentado una evolución aun mas rápida, gracias a los microprocesadores, la lógica difusa (fuzzy-logic), los algoritmos genéticos y a los primeros intentos de crear una forma de inteligencia artificial.

Sin embargo, todas las informaciones, los datos y valores de medición que se procesan, tienen que captarse primero. Esta operación puede asumirla el ser humano utilizando aparatos de medición, o bien puede realizarse mediante sensores sin que intervenga el hombre. Sin sensores, los sistemas automáticos no pueden reaccionar. Las maquinas sin sensores son ciegas, sordas y carecen de relación con su entorno. Si un motor eléctrico no dispone de un circuito de protección

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para evitar su calentamiento, una persona tendría que estar observando constantemente el instrumento de indicación de la temperatura para poder desconectar la maquina en caso de emergencia. La automatización moderna permite la fabricación de series cada vez mas pequeñas, con lo que las maquinas tienen que ser suficientemente versátiles para adaptarse a las condiciones que cambian con frecuencia. Esta necesidad explica el auge que la técnica de los sensores experimento en el transcurso de los últimos 20 anos y el éxito que seguirá teniendo en el futuro.

Pronosticando la evolución futura, es posible que las próximas generaciones de sensores se rijan por las siguientes tendencias:

Mayor integración; es decir, mayor grado de “inteligencia” del sensor y menor consumo de energía

Miniaturización mediante microelectrónica y microsistemas (micro estructuras)

Disminución de los costos gracias a la fabricación en grandes series (capas delgadas y gruesas, ASIC)

Desarrollo de estándares de transmisión de datos para sistemas de sensores (sistemas de bus, comunicación entre el nivel de campo y de control, diagnostico, localización de fallos)

Reducción considerable del trabajo de instalación y cableado; inclusión sencilla de sensores y actuadores en la red de bus

Combinación mas sencilla de aparatos de diversas marcas

Sistemas de medición más fiables, para instalarlos y olvidarse de ellos.

2.9.3. Clasificación y definición de conceptos

Los sensores se utilizan para medir magnitudes físicas o electroquímicas y transformarlas en señales eléctricas inconfundibles. El concepto “sensor” proviene del latín “sensus” que significa sentir o percibir. Este concepto empezó a utilizarse en las publicaciones especializadas en el transcurso de la década de los años setenta. Antes se utilizaban conceptos como receptor, emisor, impulsor, medidor, transductor o transmisor. En la Fig. 2.6 se muestra un esquema que explica el funcionamiento general de un sensor. Se puede apreciar que, por regla general, es necesario procesar de alguna manera las señales (procesamiento previo) antes de que la información llegue a un sistema ejecutor constituido por actuadores. La función del sensor se aprovecha para la primera conversión de señales recurriendo a diversos principios físicos.

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Fig. 2.6 Funcionamiento general de un sensor

Donde:Xe= Magnitud medida Xa= Señal de salida

Si el procesamiento de las señales es más complejo, el sensor se conecta a un microprocesador. En ese caso (y mas bien por razones de marketing) se utiliza el termino de sensor “inteligente” (del termino en ingles “ smartsensor”). Además de los conceptos “sensor” y “detector” también se utilizan los siguientes:

Elemento de detección o sensor elemental Esta es la denominación del elemento de conversión propiamente dicho, que se encarga de convertir la magnitud no eléctrica, obtenida por un efecto físico, en una magnitud eléctrica. En determinados casos es necesario interponer una magnitud adicional para realizar la conversión.

Sistema de sensores Denominación aplicada a un sistema que consta de varios componentes de medición y evaluación y en el que la medición se lleva a cabo en el mismo momento de producirse la transmisión que causa un efecto. En los sistemas de sensores están incluidos el objeto que se mide, el sensor como tal y el entorno. Estos sistemas incluyen las funciones esenciales de la transmisión de los datos.

Sistemas de sensores múltiples Denominación aplicada a un sistema compuesto por varios sensores individuales que se encargan de medir simultáneamente varias magnitudes. Suelen ser sensores con semiconductores, por lo que sus dimensiones son muy pequeñas. Los sistemas de sensores múltiples pueden ser de tres tipos:

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Combinación de sensores con diversos principios de medición (por ejemplo, medición táctil, óptica, acústica). En este caso se trata de una combinación heterogénea

Combinación de sensores con el mismo principio de medición, montados en diversos lugares del sistema. En este caso se trata de una combinación homogénea

Sensor individual para la detección de diversas operaciones relacionadas entre si (por ejemplo, objetos en movimiento)

Los sensores también pueden clasificarse en binarios, digitales y analógicos. Los sensores binarios (denominados comúnmente detectores) son conmutadores bivalentes que solo funcionan con las señales eléctricas ON y OFF, tal como sucede, por ejemplo, en el caso de detectores de proximidad, presostatos o termostatos. Los sensores analógicos, por lo contrario, emiten constantemente un valor de medición físico, por lo general en forma de tensión o corriente eléctrica. Este tipo de sensores incluye aquellos utilizados para medir distancias, ángulos, fuerzas o caudales. Calibrándolos, es posible utilizarlos como comparadores de valores medidos. Por calibración se entiende la definición entre la magnitud medida (valor real) y el valor indicado (valor de medición) según la norma DIN 1319.

Ejemplo: Valor medido = 10,00; valor indicado = 10,86; Calibración: corregir la indicación a 10,00

Cualquier detección de las propiedades de un objeto mediante sensores se rige por el principio siguiente: El objeto modifica o modula de alguna manera la energía y el sensor analiza la información correspondiente. En ese sentido puede diferenciarse entre sensores activos (que incluyen la energía para el emisor y el receptor) y sensores pasivos (que utilizan una fuente energética externa). Ello significa que los tipos de sensores pueden clasificarse en función de la forma de energía, tal como se muestra en la Tabla 2.4 Las características esenciales y las posibles aplicaciones de los sensores dependen de las leyes físicas validas en cada caso.

Energía Tipo de sensor Mecánica Táctil, acústico, fluídico Electromagnética Eléctrico, Magnético, Inductivo, Capacitivo, Dialéctrico, de

arco voltaico Térmica Térmico, De imagen de radiación térmica Óptica Geométrico-Óptico, De generación de imágenes Radiactiva De absorción de energía, de difusión de radiación

Tabla 2.4 Clasificación de sensores por la fuente de energía

Los sensores tienen que entenderse y configurarse como partes que se integran en un conjunto compuesto por otros componentes y grupos de componentes. Por ello es necesario que sean lo mas fiables posible. Además, tienen que ser insensibles a posibles interferencias (sensibilidades colaterales) y tienen que ser capaces de regularse a si mismos.

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2.9.4 Los sensores en la producción industrial

En el transcurso de la industrialización, los procesos de fabricación fueron racionalizándose Paulatinamente. De esta manera también surgió la necesidad de dotar a las maquinas de las facultades sensoriales del ser humano. Por ejemplo, durante la década de los años treinta se utilizaron por primera vez células fotoeléctricas para clasificar granos de arroz o cigarros según su color. Posteriormente, dichas células se utilizaron para etiquetar latas de conservas; en una sección de control de árboles de levas de una fabrica estadounidense incluso fue posible sustituir 14 operarios utilizando células fotoeléctricas. En la actualidad existe una ingente variedad de sensores y las posibles aplicaciones aumentan constantemente. Casi no hay maquina moderna que no funcione con la ayuda de sensores.

Lo que fue cierto en la época de James Watt, sigue siendo valido en la actualidad: es imposible controlar o regular algo si no se ha medido antes. James Watt sólo disponía de medios mecánicos para hacerlo. Hoy en día, la microelectrónica moderna y otras avanzadas tecnologías permiten utilizar soluciones mucho mas sofisticadas

En la actualidad se aprovechan unos 150 fenómenos físicos y químicos para obtener las informaciones que necesitan los sistemas automáticos para sustituir y proteger al ser humano, para aprovechar las maquinas de modo optimo y para fabricar productos de alta calidad.

2.9.5 Funciones y efectos aprovechables

Existen aproximadamente 5000 fenómenos físicos que puede aprovecharse para el funcionamiento de sensores. Los efectos más usuales se explican a continuación, aunque también se incluyen explicaciones de sensores que funcionan de acuerdo con principios no aprovechados hasta la actualidad.

¿Como detectar la magnitud que se medirá? Mediante un contacto mecánico directo o utilizando un sistema mecánico acoplado (sensor táctil)

Mediante un sensor que reacciona sin establecer contacto (sensor de aproximación)

Mediante un sistema que genera imágenes, en el que la evaluación de la magnitud no depende directamente de la distancia del objeto medido(cámara con sistema de procesamiento de imágenes)

¿Que magnitudes hay que detectar en la practica de la fabricación industrial y que efectos pueden aprovecharse?

Detección de magnitudes mecánicas InducciónEfecto piezoeléctrico y efecto piezoeléctrico reciproco Resistencia eléctrica y su dependencia de las dimensiones geométricas Modificación de la resistencia especifica aplicando tensión mecánica Acoplamiento de dos bobinas a un núcleo ferromagnético

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Dependencia de la inductancia de una bobina de la resistencia magnética Dependencia de la capacidad de un condensador de las dimensione geométricas Modificación del coeficiente de permeabilidad relativa aplicando tensión mecánica Dependencia de la frecuencia propia de una cuerda o una vara de tensiones mecánicas Método de medición de la presión efectiva Obtención de un impulso (medidor de caudal según Coriolis) Turbulencias obtenidas detrás de un cuerpo interpuesto Medición del caudal mediante la transmisión de temperatura Dependencia de la velocidad del sonido de la velocidad del medio

Detección de magnitudes térmicas Efecto termoeléctrico Efecto piroeléctrico Dependencia de la resistencia eléctrica de la temperatura Dependencia de la conductividad de la temperatura Ferro electricidad Dependencia de la frecuencia de resonancia del cuarzo de la temperatura

Detección de radiaciones Efecto fotoeléctrico exterior Efecto fotoeléctrico interior, efecto de barrera fotoeléctrica Efecto fotoeléctrico, efecto de Compton y generación de cargas eléctricas mediante fotonesExcitación luminiscente, radiación radiactiva

Detección de magnitudes químicas Formación de potenciales electroquímicos en capas delimitantes Modificación de la ínter cambiabilidad en limites de fases Dependencia del paramagnetismo del oxigeno de la temperatura Análisis de gases mediante determinación de la conductividad coloración por calor Conducción de iones de hidrogeno en electrolitos de cuerpos sólidos Principio del sensor de iones por combustión Propiedades higroscopicas de LiCl Dependencia de la capacidad del dieléctrico

Los sensores se utilizan en las más diversas ramas industriales. Ello significa que los sensores utilizados, por ejemplo, en la técnica medica tienen que cumplir otros requisitos que los que se emplean en las maquinas de las fabricas. ¿Que funciones tienen que cumplir los sensores utilizados en las plantas industriales?

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Comprobación de la presencia de objetos

Presencia de objetos individuales, por ejemplo arandelas Control de la cantidad completa de piezas, por ejemplo en una sección montaje Detección de líquidos u cantidades que fluyen Recuento de piezas

Captación de la identidad de los objetos

Detección de piezas no admitidas (falsas, defectuosas, inservibles) en un proceso Clasificación de objetos admitidos, por ejemplo según tolerancias Control y detección de signos ópticos (por ejemplo, escritura corriente, código de barras, códigos matriciales)

Detección de la posición y/o orientación de objetos

Detección de objetos individuales en función de su entorno (por ejemplo, piezas que se recogerán de una cinta transportadora) Detección de objetos en función de la utilización de herramientas (por ejemplo, punto de unión en relación con el soplete) Detección de la orientación de objetos en relación con la superficie sobre la que se encuentran (por ejemplo, en operaciones de optimización de cortes (“nesting”) Medición de la longitud y de los ángulos de objetos (por ejemplo, controla tolerancias, desviaciones, deformaciones, holguras, inclinaciones, excentricidades, grosores)

Detección de las formas de objetos

Control de perfiles (por ejemplo, para comprobar la calidad de las Control de zonas de objetos (por ejemplo, para comprobar la presencia de cantos) Control de la cantidad completa de determinadas formas (por ejemplo, para comprobar la forma completa de una pieza de plástico inyectado) Medición de deformaciones (para determinar fuerzas y momentos)

Detección de características de la superficie de objetos Control de la micro geometría de objetos (por ejemplo, grado de rugosidad) Control de tonalidades (por ejemplo, para clasificar astillas de vidrios) Control de la homogeneidad de objetos (por ejemplo, textura, daños o tonalidades indebidas)

Comprobación de las cualidades del material de objetos Medición de la transparencia o del brillo de objetos Diferenciación entre diversos materiales (por ejemplo, al clasificar objetos de plástico reciclado para controlar la homogeneidad del material)

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2.9.6. Análisis de aplicaciones y criterios de selección

Si para automatizar un proceso se necesitan sensores, primero deberá hacer lo siguiente: Saber que funciones deberán ejecutar los sensoresElaborarse un pliego de condiciones para cada sensor

Al analizar la situación, deberá responderse a las siguientes preguntas: ¿Que irregularidades pueden surgir en el proceso? ¿Que irregularidades son inaceptables, por lo cual será necesario utilizar un sensor capaz de ejecutar la función en cuestión de modo fiable?

¿Que condiciones generales (polvo, humedad, temperatura, etc.) deberán tenerse en cuenta?¿Que magnitudes son importantes y cuales son los valores conocidos? ¿De que modo deberán transmitirse las informaciones? ¿Que principio físico promete conseguir el mejor resultado? ¿De que energía auxiliar deberá disponerse?

Antes de decidir, es necesario tener en cuenta numerosos aspectos; algunos de ellos se mencionan a continuación.

Tiempos de respuesta, tiempos de reacción, velocidad de conmutación Sistema de conexiones (sistema de 2, 3 o 4 hilos, conexión serie o paralela, etc.) Seguridad del funcionamiento, frecuencia de fallos, fiabilidad Posibilidad de control automático Margen de la temperatura de funcionamiento Posibilidad de ajustar los puntos de detección, la sensibilidad y el umbral de respuesta Resolución, precisión de la medición Resistencia a la corrosión Duración, vida útil Limites del rendimiento, margen de rendimiento Propiedades del objeto (material, grado de remisión, estructura de la superficie, etc.) Montaje (dimensiones, masa, condiciones para el montaje, adaptación al lugar de la detección)Redundancia de la unidad de evaluación de datos Ausencia de reacciones secundarias Distancia de detección Variación del punto de detección, histéresis del punto de detección Clase de protección Alimentación de tensión (tensión de funcionamiento fluctuación de la tensión, picos de tensión,Supresión de interferencias (insensibilidad frente a interferencias externas, tales como vibraciones, golpes, luz externa, etc.) Disponibilidad Resistencia a temperaturas

Para saber si un sensor es apropiado, estos criterios tienen que ponderarse según prioridades, ya que no existe un sensor capaz ofrecer de modo completo todas las cualidades exigidas.

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¿Cómo proceder al seleccionar los sensores más apropiados?

1 Elegir el principio físico mas apropiado 2 Determinar el margen de medición necesario 3 Comprobar el posible cambio de las magnitudes medidas 4 Definir el grado de resolución de la señal medida 5 Determinar el valor mínimo que deberá medirse 6 Definir el margen de error admisible, causado por el comportamiento estático y dinámico 7 Determinar las medidas de apantallamiento (compatibilidad electromagnética) 8 Determinar los medios necesarios para la amplificación y evaluación de la señal de medición 9 Evaluar la seguridad del funcionamiento, la fiabilidad, la duración y el costo de mantenimiento 10 Considerar el coste del sensor

Existen numerosas recomendaciones específicas que deberían tenerse en cuenta al seleccionar los sensores que se utilizaran en una aplicación determinada. Por ejemplo, si puede elegirse, es recomendable utilizar barreras de luz sin reflexión en caso de ser necesario utilizar un sistema de detección óptica. La siguiente alternativa es una barrera de luz de reflexión. Esta tiene un alcance de aproximadamente la mitad de una barrera sin reflexión, y es capaz de detectar de modo fiable la mayoría de los materiales. Sin embargo, si las piezas tienen superficies brillantes, es posible que las barreras de luz no funcionen correctamente. En ese caso deberá optarse por aparatos capaces de polarizar la luz. Considerando que en el caso de las barreras de luz el receptor recibe luz en ausencia de piezas y, en su presencia, se interrumpe la señal, puede afirmarse que se trata de un sistema de detección que se controla a si mismo, ya que la señal desaparece también si el emisor ya no envía el haz de luz.

Las barreras de luz de reflexión se utilizan si los objetos únicamente pueden detectarse desde un lado. Estos sensores también son capaces de comprobar la presencia de objetos transparentes, mientras que no son apropiados si las piezas tienen superficies de color negro mate. Si los objetos son muy pequeños, pueden utilizarse sistemas opto electrónicos con fibra óptica. Si es necesario detectar los cantos de una pieza y si las distancias son mayores, es preferible utilizar barreras de reflexión de rayos láser. En el caso de sensores o detectores capacitivos no es necesario que la zona activa contenga metales y materiales que tengan una constante dieléctrica relativamente alta. Al utilizar varios sensores que puedan influirse recíprocamente, deberán respetarse unas distancias mínimas determinadas. Los depósitos de polvo pueden provocar fallos. En esos casos es preferible utilizar sensores capacitivos con electrodo de compensación adicional.

Los rayos X intensos y los campos magnéticos fuertes pueden afectar el funcionamiento de sensores o detectores inductivos y capacitivos. En zonas de soldadura por resistencia, por ejemplo, existen tales campos magnéticos. En consecuencia, deberán elegirse detectores insensibles a las elevadas intensidades de la soldadura. Al montar detectores inductivos es recomendable tener en cuenta las condiciones imperantes en cada caso. Si el detector tiene que montarse a ras con una superficie de la maquina, es posible que sea necesario prever un entallamiento de los cantos de la maquina. Dicho sea de paso, siempre es aconsejable utilizar detectores con indicación mediante LED con el fin de poder controlar su estado de funcionamiento. Aunque los contactos Reed utilizados como emisores de señales en cilindros neumáticos resisten golpes equivalentes a varias veces la aceleración terrestre, aun así es recomendable protegerlos contra golpes. Además, también estos detectores pueden fallar si están expuestos a un campo magnético intenso. Asimismo, es necesario respetar una distancia mínima con relación al

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siguiente cilindro neumático. En vez de contactos Reed también pueden utilizarse detectores de proximidad magnético-inductivos sin contacto. Si bien es cierto que estos detectores tienen un costo de adquisición algo más elevado, son más insensibles a las interferencias y funcionan de modo mas preciso.

Cabe también destacar que muchos detectores no son apropiados para el control directo de las bobinas de electro válvulas. Tratándose de un control no electrónico, debería recurrirse a relés auxiliares o preverse un circuito de protección adecuado.

Los detectores de presión binarios (todo-nada) están provistos de un muelle (que ocasiona una resistencia de rozamiento), por lo que tienen una histéresis en el punto de detección. Al aumentar la presión y alcanzarse el punto ajustado previamente, emiten una señal eléctrica. Al descender la presión, el interruptor no conmuta exactamente en el mismo punto. Ello significa que el punto de conexión no es igual al punto de desconexión. Esta característica (histéresis) deberá tenerse en cuenta al efectuar el ajuste del presostato si este ha de conmutar al aumentar la presión.

Si dos detectores de ultrasonidos están montados cerca uno del otro, el detector “B” puede detectar un eco ocasionado por el detector “A”. En ese caso se produciría un error de medición. Sincronizando todos los detectores es posible excluir esa interferencia reciproca, ya que todos emiten la señal a la vez. En esas circunstancias no surgen problemas si la distancia que tiene que recorrer el sonido del detector “A” hacia el detector “B” es mayor que la distancia de detección. La transmisión múltiplex seria una alternativa viable. En ese caso, los detectores se activan consecutivamente, con lo que tampoco se produce interferencias entre ellos.

2.9.7. Sensores de presión

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada)

Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si ésta supera un determinado valor límite. Es importante tener en cuenta la presión que se mide y que puede distinguirse los siguientes tipos:

Presión absoluta: presión comparada con el valor cero del vació absoluto (pabs = 0). Una medición directa es posible, por ejemplo, con un presostato.

Presión diferencial: presión que representa la diferencia entre dos presiones absolutas (p1- p2)

Sobrepresión: presión en función de la presión atmosférica, considerándose esta como valor cero. Los detectores que miden esta presión se llaman sensores de presión relativa.

En la grafica de la Fig. 2.7 se indican los márgenes de presión correspondientes. La presión atmosférica depende de la altura geográfica. La presión normal es aquella que se mide a nivel del mar (= 0 metros) y es de 1013 mbar (DIN 1343). Por cada 100 metros de altura disminuye la presión en aproximadamente 12,5 mbar.

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Los sensores de presión se clasifican en dos grupos:

Sensores mecánicos. Por ejemplo, equipos de medición con tubo elástico de Bourdon. La presión que actúa sobre la pared interior del tubo elástico tiene como consecuencia el abombamiento (contracción) de todo el tubo elástico. Este cambio se visualiza mediante una aguja.

Sensores electrónicos. Por ejemplo, equipos con membranas de silicio, de acero fino o con materiales dilatables de otras formas.

Fig. 2.7 Diagrama de márgenes de presión

2.9.7.1. Sensores Mecánicos

Se dividen en : Elementos primarios de medida directa Elementos primarios elásticos

Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y alturas conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana.

Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

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El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora por un sector dentado y un piñón. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos. El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores

El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento

El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Hay que señalar que los elementos del fuelle se caracterizan por su larga duración demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclo de flexión. El material empleado para el fuelle es bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.

2.9.7.2. Sensores electrónicos

En el caso de los sensores electrónicos, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, unidos de modo inseparable) u óhmicos (mediante cintas extensométricas.

En los sensores de presión con elemento Hall, un imán permanente pequeño (que esta unido a una membrana) provoca un cambio de la tensión Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio. En la Fig. 2.8 se muestra un ejemplo de este tipo de sensor (en este caso, un sensor de presión absoluta).

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Fig.2.8 Sensores de presión

Principio de funcionamiento de algunos sensores de presión:

a) Sensor Hall b) Sensor de presión piezorresistivo c) Sensor de presión capacitivo d) Sensor de presión monolítico

1 Generador Hall 2 Imán permanente 3 Cuerpo del sensor 4 Membrana 5 Capa de unión 6 Contacto de Al 7 Pasivación 8 Piezorresistencia 9 Capa epitaxiada 10 Substrato de silicio

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11 Soporte de vidrio 12 Capa de unión metálica 13 Placa 14 Resistencias incorporadas mediante difusión 15 Carril de silicio 16 Vacío 17 Capa de soldadura p Presión

En la variante capacitava, se evalúa el cambio capacitivo de una membrana de cerámica, ocasionado por la flexión en relación con un contraelectrodo paralelo. Ello significa que la membrana hace las veces de placa de condensador. El elemento de detección no debe estar cubierto por el fluido. En los sensores de presión capacitivos con membrana cerámica y procesamiento de señales se utilizan las siguientes micro tecnologías:

Técnica de películas delgadas para los electrodos Técnica de películas gruesas para el híbrido de procesamiento de señales Técnica de micro montaje para la membrana de cerámica ASIC para el procesamiento de señales

Las tecnologías modernas permiten una fabricación económica de los sensores de presión con cinta extensometrica. Disponiendo de una membrana circular (membrana de medición, por lo general de acero fino) que hace las veces de cuerpo deformable, es posible utilizar una cinta extensometrica en forma de rosetón (Fig. 2.9).

Fig.2.9 Sensor de presión con cinta extensometrica

Estos sensores son pequeños (diámetro de, por ejemplo, 7 mm) y disponen de una rejilla de medición circular con 4 segmentos. Las conexiones forman un puente de medición de

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Wheatstone. Al definir las dimensiones del cuerpo deformable, se supone una dilatación de 100 m/m = 1 % aplicando una carga nominal.

Los sensores de presión de silicio se utilizan para presiones entre 0 hasta 10 bar. Los sensores de presión con técnica de películas delgadas y gruesas son apropiados para cualquier presión. Además, combinándolos con elementos electrónicos es posible conseguir sensores capaces de memorizar valores de medición. Asimismo, también es posible incluir resistencias térmicas en la estructura, de tal modo que los sensores también registran la temperatura del medio con el fin de compensar posibles errores. En la fig. 2.10 se muestran las conexiones de un sensor de película gruesa. Las cintas extensometricas forman un puente de medición de la presión. Además, se conecta un circuito sencillo de compensación de temperatura (R1, R2).

Fig.2.10 Esquema de conexiones internas de un sensor de presión

1 Tensión de salida de puente 2 Tensión de alimentación de puente 3 Compensación de temperatura

No obstante, en la mayoría de los casos es suficiente contar con un presostato o vacuostato o con un convertidor neumatico-electrico (NE). Este se encarga de convertir una señal neumática en una señal eléctrica y por lo general se trata de un contacto conmutador. Mediante la utilización de una membrana de mayor superficie puede aumentarse la fuerza de accionamiento por presión. Si el convertidor permite ajustar la presión de conmutación, se trata de un presostato (fig. 2.11)

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Fig. 2.11 Elementos de conmutación neumáticos

a) Convertidor NE b) Presostato 1 Contacto 2 Tornillo de ajuste 3 Leva 4 Muelle de compresión 5 Membrana 6 Micropulsador de la leva x Conexión de presión

Los sensores de presión pueden ajustarse de diversos modos. Las versiones más económicas tienen un punto de conmutación fijo, que no puede modificarse. Los sensores de ajuste estático permiten un ajuste individual de los puntos de conmutación. Si el ajuste es dinámico, es posible modificar los puntos de conmutación durante el proceso para adaptarlos a las circunstancias imperantes en cada momento o para que el sensor los memorice mediante el método “teach-in”.

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2.10. Compresores

Son maquinas que aspiran aire ambiente a la presión y temperatura atmosférica y lo comprime hasta conferirle una presión superior. Son las maquinas generadoras de aire comprimido. Existen varios tipos de compresores, dependiendo la elección de las necesidades y características de utilización.

2.10.1. Compresores alternativos

2.10.1.1. Clasificación de los compresores alternativos

2.10.1.1.2. Por el número de etapas Los compresores se pueden clasificar, atendiendo al estilo de actuar la compresión, de una o dos etapas.

2.10.1.1.2.1. Compresores de una etapa Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su refrigeración llevan, en la parte exterior, aletas que evacuan el calor por radiación y convección; se utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de servicio intermitente, ya que son compresores de pequeñas potencias. En estos compresores, la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC con una posible variación de ±20ºC.

2.10.1.1.2.2. Compresores de dos etapas El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime hasta una presión intermedia pi = 2 a 3 bars, y en la segunda (de alta presión AP), se comprime hasta una presión de 8 bars. Estos compresores son los más empleados en la industria cubriendo sus caudales una extensa gama de necesidades. Pueden ser refrigerados por aire o por agua, es decir, el refrigerador intermedio (entre etapas) puede actuar a base de un ventilador o una corriente de agua a través del mismo. El aire comprimido sale a unos 130ºC con una variación de ± 15ºC.

2.10.1.1.3. Por el modo que trabaja el pistón 2.10.1.1.3.1. De simple efecto Cuando un pistón es de simple efecto, Fig I.19a, trabaja sobre una sola cara del mismo, que está dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire desplazado es igual a la carrera por la sección del pistón.

2.10.1.1.3.2. De doble efecto El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras de compresión en el cilindro, Fig. 2.12b El volumen engendrado es igual a dos veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Hay que tener en cuenta el vástago, que ocupa un espacio obviamente no disponible para el aire y, en consecuencia, los volúmenes creados por las dos caras del pistón no son iguales.

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Fig.2.12 Formas de trabajar el pistón

2.10.1.1.3.3. De etapas múltiples

Un pistón es de etapas múltiples, si tiene elementos superpuestos de diámetros diferentes, que se desplazan en cilindros concéntricos. El pistón de mayor diámetro puede trabajar en simple o doble efecto, no así los otros pistones, que lo harán en simple efecto. Esta disposición es muy utilizada por los compresores de alta presión, Fig. 2.12c

2.10.1.1.3.4. De pistón diferencial.

El pistón diferencial es aquel que trabaja a doble efecto, pero con diámetros diferentes, para conseguir la compresión en dos etapas, Fig.2.12d.Su utilidad viene limitada y dada la posición de los pistones está cayendo en desuso.

2.10.1.1.4. Por el número y disposición de los cilindros

En los compresores de cilindros, o a pistón, los fabricantes acostumbran a utilizar diversas formas de montaje para éstos, siendo las más frecuentes la disposición vertical, la horizontal, en L ó en ángulo a 90º, y de dos cilindros opuestos, debiendo también incluir la colocación en V muy adoptada para los compresores pequeños.

Los compresores verticales sólo se utilizan para potencias pequeñas, ya que los efectos de machaqueo, relativamente importantes producidos por esta disposición, conducen al empleo de fundaciones pesadas y voluminosas, en contraposición de las disposiciones horizontales o en ángulo, que presentan otras cualidades de equilibrio tales que, el volumen de las fundaciones, se reduce muchísimo.

Para compresores pequeños, la forma en V es la más empleada. Para compresores grandes de doble efecto, se recurre al formato en L o en ángulo, con el cilindro de baja presión vertical y el de alta presión horizontal. Estos compresores deben trabajar a una presión comprendida entre 6 y 7 bar, inferior a la presión máxima establecida del orden de (8¸10) bar, que indica la presión límite a la que puede trabajar, no siendo recomendable el que un compresor trabaje constantemente a su presión máxima.

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2.10.1.2. Gráfico de humedad contenida en el aire.

Cuando la temperatura aumenta, el aire es capaz de tener más agua en suspensión. El gráfico da los valores para una humedad ambiente relativa del 100% (caso extremo).

Ejemplo: Consideramos que la temperatura absoluta del aire en condiciones “ambiente” sea de 293º K (20º C) y en condiciones de “comprimido”, sea de 303º K (30º C). Para una presión de 800 kPa (8 bar), el volumen aspirado es de 8 m3, humedad relativa de 50%.

El gráfico nos muestra: A 293º K (20º C) tenemos 16 g de agua por m3 al 100%. A 50% que es nuestro caso, tendremos 8 g de agua por m3.

Entonces, para 8 m3 la cantidad de agua será de 8 x·8 = 64 g.

A 303º K (30º C) obtenemos en el gráfico, 30 g de agua al 100%.

La variación después de la compresión es de 64 g de agua – 30 g de agua = 34 g de agua

Fig. 2.13 Humedad contenida en el aire

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2.10.1.3. Enfriado y separado. El aire contiene una cierta cantidad de agua; se puede separar esta agua por diferentes métodos.

Arriba:El aire llega por debajo y choca con una placa desviadora que realiza una primera separación pasando luego a través de un elemento que retiene la humedad.

Abajo:El aire pasa a través de una materia porosa que absorbe la humedad, cuando uno de los dos elementos debe limpiarse, la circulación continúa por el otro, e inversamente, sin parar el funcionamiento.

Centro:Descendiendo la temperatura por medio de un refrigerador se condensa el agua en la parte inferior.

2.10.1.4. Regulación de la capacidad

La mayoría de los compresores se diseñan para trabajar en unas condiciones operativas fijas y determinadas, de acuerdo con el proceso al que van destinados. No obstante, siempre se pueden presentar emergencias que obliguen a variaciones en las condiciones de operación. La capacidad de un compresor es el gasto másico de fluido que circula por el compresor, que debe ser controlado en forma manual o automática, para contrarrestar los aspectos negativos que puedan aparecer.

Para ello se puede recurrir a las siguientes soluciones:

a) Regulación de la capacidad utilizando un motor de velocidad variable; al igual que en las bombas, la regulación a base de disminuir el número de emboladas no es fácil, máxime en los compresores de cierto tamaño, que suelen ir siempre acoplados a un motor eléctrico síncrono.

b) Regulación de la capacidad utilizando una válvula en la aspiración que cierre y haga que la presión de admisión sea menor que la existente en la línea de aspiración

c) Regulación de la capacidad en los compresores de varios cilindros, descargando algunos de ellos

d) Regulación de la capacidad variando el espacio nocivo en forma artificial, manual o automáticamente.

e) Regulación de la capacidad en forma escalonada mediante el control, manual o automático, de válvulas de by-pass, de forma que en el recorrido del cilindro se puedan disponer hasta 3 válvulas con el fin de conseguir un control escalonado de la capacidad, que van inutilizando partes sucesivas de la cámara de compresión.

f) Regulación de la capacidad en compresores pequeños, mediante un control on-off, parando y arrancando el motor por medio de un termostato.

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g) Regulación de la capacidad utilizando un by-pass refrigerado, entre la descarga y la succión, de forma que según se recircule una mayor o menor cantidad, se obtendrá un menor o mayor caudal de gas comprimido. Este sistema de regulación se suele utilizar generalmente en combinación con el anterior.

En todos estos casos las presiones de descarga y aspiración se mantienen invariables en el proceso. Sólo se regulan las cantidades de gases enviadas. Cuando se estrena un compresor hay que seguir cuantas recomendaciones nos sugiera el fabricante para una mejor conservación y funcionamiento del mismo. De su cumplimiento dependerá mucho la vida del compresor y se evitarán desagradables consecuencias.

2.10.1.5. Puesta en marcha de los compresores alternativos En las instrucciones suministradas por el fabricante, se suele detallar esta operación; no obstante, en términos generales se puede decir:

1. Comprobar líneas, válvulas, juntas, etc. 2. Comprobar sistemas de lubricación y niveles de aceite. Algo de aceite debe ir al cilindro directamente, pero excesivo aceite puede ensuciar las válvulas (hollín) y cuesta dinero por el aceite gastado. Poco aceite puede ser causa de un desgaste prematuro de los anillos del pistón. Poner en marcha el sistema. Esto en caso de cilindros lubricados.

3. Comprobar el sistema de refrigeración de agua del cilindro y hacer circular el agua antes de ponerlo en marcha, para prevenir un sobrecalentamiento y pérdida de engrase.

4. Girar el volante lentamente para dar algunas emboladas y desalojar cualquier líquido que pudiera haber en el cilindro, y repartir bien el aceite.

5. Arrancar el compresor en descarga y con las válvulas de admisión y escape cerradas y el by-pass abierto. Después abrir la impulsión y cerrar el by-pass. A continuación ir abriendo la válvula de aspiración lentamente. De esta manera se da tiempo a evaporar todo el líquido. Durante todo el arranque el compresor debe tener las válvulas 2 y 3 de succión abiertas del todo (bloqueadas a tope). Así tenemos la seguridad de que el compresor no trabaja en carga.

6. Poner en carga el compresor, primero al 25%, después 50% y por último al 100%.

2.10.1.6. Parada de compresores alternativos

1. Poner el compresor en descarga. Dejarle funcionando un poco sin carga para enfriar el pistón y asegurar la retención de una capa de aceite protector sobre todas las superficies metálicas. El agua de refrigeración debe seguir fluyendo hasta después de parar el compresor.

2. Cerrar la válvula de la línea de aspiración, abrir el by-pass y después cerrar la línea de impulsión.

3. Parar el motor o turbina que mueve el compresor.

4. Si el compresor va a estar parado unos días, el eje del pistón se debe proteger con una capa de aceite contra la corrosión.

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5. Antes de la nueva puesta en marcha se debe sacar el aceite del cárter y poner uno nuevo.

2.10.2. Compresores a Tornillo o Helicoidales

Los compresores helicoidales utilizados en técnicas frigoríficas pueden ser de dos tipos:

a) De dos rotores, (Lysholm), que comenzaron a utilizarse en los años 30 y están compuestos de dos husillos roscados (rotores), uno motor y otro conducido. b) De rotor único, (Zimmern), que comenzaron a utilizarse en los años 60 y están compuestos por un rotor o husillo roscado único, que engrana con un par de ruedas satélites dentadas idénticas.

2.10.2.1. Compresores helicoidal de dos rotores

El compresor helicoidal de dos rotores, Fig. 2.14 es una máquina rotativa de desplazamiento positivo, en la que la compresión del vapor se efectúa mediante dos rotores (husillos roscados). El rotor conductor tiene cuatro o cinco dientes helicoidales, y engrana con seis celdas o cámaras de trabajo, igualmente helicoidales, del rotor conducido, alojados ambos dentro del estator. Para asegurar el cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de las cavidades de aspiración e impulsión del compresor, la sección transversal de los dientes ha evolucionado desde un perfil circular, hasta perfiles cicloidales, en orden a mejorar el funcionamiento mecánico y dinámica de los rotores. El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotor conductor, conectado al eje motor, gira más rápido que el conducido en una relación, 6/4 = 1,5 ó 6/5 = 1,2. El vapor que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido. Durante el giro de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y las superficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad de aspiración y se desplazan junto con el vapor a lo largo de los ejes de rotación. En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos mediante uno de los cuatro dientes del rotor conductor, quedando así atrapado un volumen de vapor V1, que queda desconectado de la aspiración a la presión p1 (fin de la fase de admisión), comenzando la etapa de compresión; al proseguir la rotación, el volumen se va reduciendo hasta que se pone en comunicación con la lumbrera de escape, alcanzando un valor V2 a la presión p2, momento en que se produce el fin de la fase de compresión y comienzo de la de escape.

Fig. 2.14 Tornillos de un compresor helicoidal de dos rotores

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El perfil de los rotores helicoidales es tal que los conducidos se descargan completamente; el husillo conductor es el que realiza el trabajo de desplazamiento, actuando al mismo tiempo como rotor y como desplazador. El husillo conducido tiene la misión de separar las cavidades de admisión e impulsión, pero sin desalojar al vapor. Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresor alternativo, en donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra y después comprime el volumen inicialmente atrapado V1, por lo que un compresor helicoidal no essino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal, el espacio nocivo y las válvulas de admisión y escape.

2.10.2.1.1. Funcionamiento

El proceso se puede descomponer en cuatro partes:

a) Aspiración, que consiste en el llenado progresivo de una cámara de trabajo de volumen V1.

b) Desplazamiento a presión constante, de forma que al continuar la rotación, la cámara de trabajo que contiene el volumen de vapor V1 se mueve circunferencialmente sin variar el volumen.

c) Compresión, en la que cada diente del rotor conductor engrana con el extremo de cada cámara de trabajo en cuestión, decreciendo progresivamente su tamaño hasta que, cuando su valor es V2, se pone en comunicación con la cavidad de escape.

d) Escape, en el que al proseguir el giro, el volumen disminuye desde V2 a cero, produciéndose la expulsión del vapor a la presión de salida p2.

2.10.2.2. Compresor helicoidal de rotor único El compresor helicoidal de rotor único consta de un rotor conductor con seis cámaras de trabajo helicoidales de perfil globoidal, que acciona dos ruedas dentadas satélite que tienen once dientes cada una, de perfil idéntico al de las cámaras de trabajo, y situadas a ambos flancos del rotor conductor, Fig. 2.15; la velocidad de las ruedas dentadas es (6/11) de la del rotor principal. La potencia de compresión se transfiere directamente desde el rotor principal al vapor; las ruedas dentadas no disponen de ningún tipo de energía, salvo pérdidas por rozamiento.

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Fig. 2.15 Compresor helicoidal de rotor único

Las holguras entre los perfiles en movimiento tienen que ser pequeñas, (las óptimas para cada tipo de máquina), con el fin de evitar fugas o filtraciones de vapor desde la cavidad de escape hacia regiones donde las presiones sean más bajas. La inexistencia de juntas y segmentos hace que las pérdidas por rozamiento mecánico sean más bajas en comparación con las que se producen en los compresores alternativos. Las holguras relativas son mayores en las máquinas pequeñas, en las que predominan las pérdidas por fugas, que en las máquinas grandes, en las que dominan las pérdidas debidas a la caída de presión por rozamiento del fluido.

2.10.2.2.1. Lubricación

Para asegurar el sellado de las holguras entre los perfiles en contacto se utiliza aceite lubricante en exceso, lográndose así un desgaste despreciable de las partes móviles, por no existir contacto entre ellas.

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Fig.2.16 Fases del funcionamiento de un compresor helicoidal de rotor único a) Aspiración; b) Compresión; c) Descarga

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El rotor y las ruedas dentadas se diseñan con holguras tan pequeñas que eviten por completo la necesidad del aceite sellador, con la ventaja de que el fluido refrigerante circula libre de aceite por todo el circuito frigorífico y, en particular, por la línea de aspiración, pudiéndose incrementar la presión en la aspiración del compresor y simplificando la instalación al eliminar la bomba y el circuito del aceite. En estos compresores el desgaste de las partes móviles se convierte en un problema de importancia que se ha solventado utilizando materiales de fibra de carbono y teflón.

2.10.2.2.2. Funcionamiento El proceso se puede descomponer en las fases siguientes:

Aspiración El rotor encerrado en una camisa cilíndrica, tiene todas las cámaras de trabajo en comunicación con la cavidad de aspiración por uno de sus extremos. Un diente de una de las ruedas dentadas engrana con cada cámara, efectuándose la aspiración del vapor conforme se desplaza dentro de la cámara.

Compresión Al proseguir la rotación, las cámaras (c) una vez se han llenado completamente, se cierran y separan de la cavidad de aspiración mediante un diente perteneciente a la otra rueda dentada, reduciendo progresivamente su volumen, comprimiendo así el vapor.

EscapeEn un momento determinado, cada una de las cámaras de trabajo, con volúmenes decrecientes y presiones crecientes, se pone en comunicación con la lumbrera de escape, cesando la compresión y produciéndose la expulsión del vapor hasta que el volumen V2 queda reducido a cero.

De lo expuesto se deduce que las cámaras de trabajo del rotor, se comportan a todos los efectos como seis cilindros de doble efecto, en los que los dientes actúan como pistones; mientras que por uno de sus lados se efectúa la aspiración del vapor, por el otro se realiza simultáneamente su compresión y escape.

La velocidad del fluido a la entrada y salida del compresor helicoidal se incrementa según el cuadrado de sus dimensiones, mientras que el flujo de fluido frigorígeno se incrementa con el cubo de sus dimensiones. Si por ejemplo se doblan las dimensiones del compresor, las áreas de entrada y salida se multiplicarían por un factor 4 y el flujo por 8; como las pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la velocidad, duplicar el tamaño de un compresor helicoidal supone multiplicar por 4 las pérdidas de carga. Los esfuerzos axiales y radiales que el vapor ejerce en los compresores helicoidales de rotor único, están equilibrados y compensados, cosa que no sucede en los de dos rotores, por lo que la vida de los rodamientos se convierte en un aspecto crítico de su diseño. Los compresores helicoidales pueden ser de tipo abierto en el caso de utilizar amoníaco como refrigerante, y tanto abiertos como herméticos si se emplean halocarburos.

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2.10.3. Turbocompresores

Los turbocompresores son turbomáquinas térmicas que sirven para comprimir un gas; se pueden dividir en dos grupos: soplantes y turbocompresores. Las máquinas hidráulicas TMH para gases se denominan ventiladores.

2.10.3.1. Ventiladores

Los ventiladores generan un incremento de presión total Dptotal pequeño, del orden de 1 m. de c. a., o una relación de compresión 1,1. Si el incremento de presiones no excede el valor indicado, la variación de volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador es una TMH. En la actualidad, en el diseño de una turbomáquina hay que tener en cuenta la compresibilidad del fluido para incrementos de presión mucho menores, hasta 0,3 m. de c.a., por lo que los ventiladores, hasta dicho incremento de presión, se pueden diseñar como TMH.

2.10.3.2. Turbosoplantes

Los soplantes o turbosoplantes son máquinas destinadas a comprimir generalmente aire, en las que la relación de compresión es, 1,1 < ec < 3; no tienen ningún tipo de refrigeración incorporada y, en general, son de un único escalonamiento. Así por ejemplo, para el aire que se precalienta en los recuperadores de los altos hornos, la soplante tiene que impulsarle a una presión equivalente a la resistencia de la conducción, más la resistencia de las toberas de inyección en la zona de fusión de los hornos, con una relación de compresión del orden de 3, utilizándose en estas circunstancias soplantes de varios escalonamientos, en los que el aire no se refrigera, ya que posteriormente habría que precalentarle antes de introducirle en el horno. El número de revoluciones de los turbosoplantes varía de 3.000 a 21.000 rpm. Los turbocompresores son máquinas térmicas que comprimen gases con relaciones de compresión mayor, y por ello tienen incorporada refrigeración, a no ser que su destino aconseje lo contrario, como sucede en los turbocompresores de las turbinas de gas. Tanto los turbosoplantes como los turbocompresores pueden ser radiales o centrífugos, diagonales (semiaxiales o de flujo mixto) y axiales, siendo los primeros y los últimos los más importantes. Aunque en el campo de las grandes presiones el compresor alternativo es aún insustituible, la evolución de los turbocompresores hace posible su aplicación a presiones cada vez más elevadas, con grandes caudales, lográndose máquinas de mayor potencia unitaria y de mejor rendimiento. Uno de los factores que más han influido en la investigación de la mejora de rendimientos en los turbocompresores ha sido el desarrollo espectacular de la turbina de gas en los últimos años, ya que el turbocompresor forma parte integral de dicha máquina; la potencia neta de una turbina de gas es igual a la potencia útil desarrollada por la turbina, menos la potencia absorbida por el turbocompresor, por lo que la mejora del rendimiento del turbocompresor es de gran influencia en el desarrollo de la turbina de gas. En las turbinas de gas de aviación o turborreactores, el turbocompresor axial en comparación con el turbocompresor centrífugo ofrece la ventaja de mayor potencia para una misma sección transversal, por lo que el avión dotado de turborreactor con turbocompresor axial tiene un coeficiente de arrastre menor, en igualdad de potencia, que el dotado de turbocompresor centrífugo. Así se explica que pocas máquinas hayan conocido un desarrollo tan espectacular como el turbocompresor axial desde la patente de Parsons en 1901 hasta el turbocompresor axial actual.

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Los primeros turbocompresores axiales se construyeron alrededor de 1900 por Sir Charles Parsons; tenían una baja relación de compresión, así como rendimientos muy modestos, del orden del 55%, por lo que se abandonaron en favor de los turbocompresores centrífugos de varios escalonamientos por su más alto rendimiento, del 70% al 80%. Hasta el año 1926 no se emprendieron más desarrollos de turbocompresores axiales, en que A. A. Griffith establece los principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico, para el diseño de los álabes de los turbocompresores y turbinas. Los turbocompresores actuales sobrepasan rendimientos del 90%, con relaciones de compresión mayores de 30. La compresión de gases, y muy especialmente la del aire, es un proceso industrial muy frecuente; si los caudales de aire o de gas son relativamente elevados, y las presiones no son excesivas, el turbocompresor aventaja a los compresores alternativos y rotativos de desplazamiento positivo. Las ventajas de los turbocompresores en comparación con los compresores alternativos son:

- Construcción compacta - Volumen de máquina reducido - Seguridad de funcionamiento - Mantenimiento prácticamente nulo - Carencia de desgaste - Escasa cimentación - Montaje sencillo - Marcha exenta de vibraciones - Regulación progresiva fácil - Carencia de vibraciones en los conductos de gas - Empleo de motores eléctricos normales, para su accionamiento - Pequeño consumo de corriente eléctrica en el arranque - Carencia de problemas de mezcla del aceite de lubricación con el gas, etc...

Estas ventajas justifican la introducción del turbocompresor en la industria y su penetración cada vez mayor en el campo hasta ahora reservado a los compresores alternativos, sobre todo cuando se requieren caudales másicos elevados. Las mayores dificultades encontradas en el desarrollo de los turbocompresores axiales provienen del proceso de flujo, ya que cuando un fluido se acelera rápidamente en un conducto experimenta una pérdida moderada de la presión de remanso, mientras que si experimenta una rápida deceleración, da lugar a gradientes adversos de presión, que se pueden traducir en desprendimientos de la capa límite de la corriente y en consecuencia provocar grandes pérdidas. Por ello, para limitar las pérdidas durante la difusión, la relación de deceleración del flujo a través de las coronas de álabes tiene que mantenerse en valores bajos, circunstancia que implica el que para una relación de compresión dada, un turbocompresor axial tenga muchos escalonamientos.

2.10.3.3 Clasificación de los turbocompresores

Los turbocompresores se clasifican, según la dirección del flujo, en los tres tipos siguientes a) Radiales; b) Diagonales (semiaxiales, radioaxiales ó de flujo mixto); c) Axiales

Los turbocompresores radiales y diagonales se denominan turbocompresores centrífugos; los turbocompresores diagonales no son muy corrientes y su teoría fundamental no difiere de la de los turbocompresores radiales. El diseño específico del rodete de doble curvatura, característico de las turbomáquinas diagonales, es análogo al empleado en las bombas helicocentrífugas.

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El turbocompresor diagonal puede suministrar un caudal 2 ¸ 3 veces mayor que un turbocompresor del mismo diámetro con un rendimiento un 5% mayor. Se utiliza para humos, gas de alto horno, plantas de desulfurización, industrias de productos farmacéuticos y alimenticios, túneles de aireación, etc.)

2.10.3.3.1 Comparación de los turbocompresores centrífugos y los axiales

El turbocompresor centrífugo tiene las siguientes ventajas sobre el turbocompresor axial:

a) Mayor robustez y, por tanto, mayor seguridad en la explotación b) Menor número de escalonamientos c) Mayor facilidad de alojamiento de los sistemas de refrigeración intermedia d) Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, por lo que respecta al fenómeno de bombeo

El turbocompresor axial ofrece las siguientes ventajas con relación al turbocompresor radial:

a) Mejor rendimiento b) Para un mismo gasto másico y presión, mayor número de revoluciones c) El turbocompresor axial tiene menor volumen, menor superficie frontal, y menor peso para igualdad de gasto másico y de relación de compresión. Esta ventaja es excepcionalmente importante en aviación, e históricamente constituyó el estímulo para la evolución del turbocompresor axial con destino a los turborreactores; la ventaja se hace patente en el campo de las relaciones de compresión elevadas y grandes potencias; por esta razón, los turbocompresores de los motores Turbina de gas de gran potencia suelen ser axiales y los de los motores Turbina de gas de pequeña potencia, radiales. Si la relación de compresión es pequeña, ésta se puede lograr con un turbocompresor radial de un solo escalonamiento, con lo cual el peso y volumen de la máquina será menor que si se empleara un turbocompresor axial, que necesariamente tendría que ser de varios escalonamientos. La relación de compresión por escalonamiento es: Escalonamiento turbocompresor radial: máxima realizable de, 3 5; valores normales de, 1,5 2,5 Escalonamiento turbocompresor axial: máxima realizable de, 1,5 2; valores normales de, 1,05 1,2

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2.11 Válvulas de control

En el control automático de de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.

El cuerpo de una válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y esta provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de control de paso de fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.

Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador.

2.11.1 Válvulas de movimiento lineal

Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación.

2.11.1.1Válvulas de globo

Estas pueden ser de simple asiento, de doble asiento o de obturador equilibrado. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre encontra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto se emplean cuando la presión del fluido baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de teflón. En la válvula de doble aciento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplean en válvulas de simple asiento.

2.11.1.2 Válvulas de ángulo

Esta válvula permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características de fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para fluidos que contienen sólidos en suspensión.

2.11.1.3Válvula de tres vías

Este tipo de válvulas se emplean generalmente para mezclar fluidos o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida. Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de la temperatura de intercambiadores de calor.

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2.11.1.4. Válvulas de jaula

Consiste de un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y por que éste puede incorporar orificios que permitan eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento.

2.11.1.5. Válvulas de compuerta Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición se adecuan generalmente para controlar todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearlas. Tiene la ventaja de presentar una gran capacidad de caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando se instala inclinada con un cierto ángulo. Se emplean usualmente en instalaciones criogénicas.

2.11.1.6. Válvulas de cuerpo partido Esta válvula es una modificación de la válvula de globo simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. A esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaría.

2.11.1.7. Válvula sunders En la válvula sunders el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servo motor es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revertirse fácilmente de goma o de plástico para trabajar confluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros a agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.

2.11.1.8. Válvula de compresión

Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, por ejemplo un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplican fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en suspensión

2.11.2 Válvulas de movimiento de obturador

Las válvulas en las que el obturador tiene un movimiento circular se clasifican como se detalla a continuación.

2.11.2.1 Válvulas de obturador excéntrico rotativo

Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles. El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por un vástago de un servo motor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador.

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La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas de mariposa y a las de bola y por su elevada pérdida de de carga admisible.

2.11.2.2. Válvulas de obturador cilíndrico excéntrico

Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula es de bajo coste y tiene una capacidad relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o contienen sólidos en suspensión.

2.11.2.3. Válvula de mariposa.

El cuerpo esta formada por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente a un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su para máximo cuando la válvula esta totalmente abierta, siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de cierre; se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en el caso de una presión elevada. Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluido de baja presión.

2.11.2.4. Válvulas de bola

El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola. La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la curva característica de la válvula y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada de líquidos o gases y en regulación de caudal.

2.11.2.5. Válvula de orificio ajustable

El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que está perforada con dos orificios uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede así fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo. La válvula es adecuada es los casos que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo de fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general.

2.11.2.6. Válvula de flujo axial

Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado neumaticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime el fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. De este modo el obturador se expansiona para cerrar el flujo anular del

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fluido. Este tipo de válvulas se emplean para gases y es especialmente silencioso. Otra variedad de la válvula de flujo axial es la válvula de manguito que es accionada por compresión exterior del manguito a través de un fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se utiliza también para gases.

2.11.3. Tipos de acciones de las válvulas de control

Según su acción, los cuerpos de las válvulas se dividen en válvulas de acción directa, cuando tienen que bajar para cerrar, e inversa cuando tienen que bajar para abrir. Esta misma división se aplica a los servomotores que son de acción directa cuando aplican aire, el vástago se mueve hacia abajo, e inversa cuando aplicando aire, el vástago se mueve hacia arriba. Al combinar estas acciones se considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diagrama, con el resorte manteniendo el diagrama y por tanto la válvula en una de sus posiciones extremas. Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debida a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa)Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula sin aire cierra o aire para abrir (acción inversa). Consideraciones análogas se aplican a las válvulas con servomotor eléctrico:

Acción directa: con el servomotor desexcitado la válvula esta abierta. Acción inversa: cuando el servomotor desexcitado la válvula está cerrada.

Al seleccionar la válvula es importante considerar estos factores desde el punto de vista de seguridad. Ninguna instalación está exenta de averías y una de ellas puede ser el fallo de aire o de corriente de alimentación con lo cual la válvula pasa naturalmente a una de la posiciones extremas y ésta debe ser la más segura para el proceso. En las válvulas de acción inversa en las que el resorte del servomotor neumático o eléctrico asienta el obturador en el asiento, cerrando la válvula es importante consultar las tablas del fabricante para comprobar la presión diferencial máxima con lo que la válvula podría cerrar.

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CAPITULO 3 SOLUCIÓN AL PROBLEMA

La simulación de inflado de neumáticos se realizo con el software LOGO!Soft Comfort versión 5.0.19 de Siemens. Las funciones que se utilizaron son las siguientes

Un comparador analógico Dos Conmutadores analógicos de valor de umbral Una compuerta lógica AND Tres textos de aviso Dos entradas analógicas

La explicación de estas funciones se explica en el anexo

En la Fig. 3.1 Se muestra el diagrama general y sus parámetros de estas funciones

Fig. 3.1 Diagrama General y Parámetros de las funciones

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FuncionamientoLa entrada analógica AI 2 representa el valor de la presión deseada en este caso es 110 psi el cual es la presión ideal para un tracto con carga, la entrada analógica AI 1 representa la presión que el sensor detecta del conjunto de neumáticos como una presión única. A continuación se presenta los tres casos posibles

Caso 1 La presión del conjunto de neumáticos es mayor que la presión de 110 psi Caso 2 La presión del conjunto de neumáticos es menor que la presión de 110 psi Caso 3 La presión del conjunto de neumáticos es igual cero

Caso 1 La presión del conjunto de neumáticos es mayor que la presión de 110 psi

Como el conmutador analógico B006 esta parametrizado con un valor de umbral ON de 111 y un valor de umbral OFF de 110; Cuando la entrada AI 1 se detecta un valor mayor de 110, el conmutador analógico B006 manda un pulso a su salida la cual simula la apertura de la válvula de escape, este mismo pulso sirve para mandar el mensaje a la pantalla del PLC logo que la presión es alta. La válvula de llenado se mantiene cerrada por el conmutador analógico B005 el cual esta parametrizado con un valor de umbral ON de 0 y un valor de umbral OFF de 110. El comparador analógico se mantiene inactivo debido a que esta parametrizado para que se active cuando la diferencia de AI 1 menos AI 2 sea igual a cero Esto se puede observar en la figura 3.2

Fig. 3.2 Presión mayor que 110 psi

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Caso 2 La presión del conjunto de neumáticos es menor que la presión de 110 psi

Cuando la presión que detecta el sensor esta por debajo de 110, el conmutador analógica B006 se mantiene inactivo debido a que esta parametrizado con un valor de umbral ON de 111 y un valor de umbral OFF de 110 por lo que la válvula de escape se mantiene cerrada, el comparador analógico esta inactivo debido a que la diferencia de presiones en sus entradas es diferente de cero, mientras que el comparador analógico B005 se activa por que su valor de umbral ON es igual a cero y el valor de umbral OFF es igual a 110 en consecuencia la válvula de llenado se activa

Fig. 3.3 Presión menor que 110 psi

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Caso 3 La presión del conjunto de neumáticos es igual cero

Este caso es muy extraño que se presente sin embargo cuando la presión es muy alta o muy baja el circuito de regulación en conjunto con el sensor forzaran al sistema para llegar a la presión de 110 psi cuando esto sucede, la válvula de escape y la válvula de llenado estarán cerradas de acuerdo a sus parámetros.

Fig. 3.4 Presión de 110 psi

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CAPITULO 4 CONCLUSIONES

Los resultados arrojados en el capitulo 3 para los 3 casos se puede observar que el programa de simulación si cumple con las expectativas para lo que fue programado, sin embargo como el presente trabajo solamente se realizo la simulación se deja abierto la modificación del programa de a cuerdo a las necesidades que pueden surgir durante su implementación.

RECOMENDACIONES

Durante la simulación se menciona el uso de válvulas, una de llenado y otra de escape, se recomienda utilizar válvulas de solenoide de 2 vías marca MINDMAN series MU.

Fig. 4.1 Válvula Solenoide 2 vías

En el caso del sensor se recomienda utilizar sensores de presión Veris serie PG

Fig. 4.2 Sensor Veris serie PG

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Para poder realizar el llenado de los 6 neumáticos se recomienda construir un cilindro como el que se muestra en la Fig. 4.3

Fig.4.3 Cilindro para 6 neumáticos

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CAPITULO 5 ANEXO

5.1 Características generales de LOGO!

Conocer LOGO! Esto es LOGO! LOGO! es el módulo lógico universal de Siemens. LOGO! lleva integrados

ControlUnidad de manejo e indicación con iluminación de fondo Fuente de alimentación Interfaz para módulos de ampliación Interfaz para módulo de programación (Card) y cable para PC Funciones básicas muy utilizadas preprogramadas, p.ej. para conexión

retardada, desconexión retardada, relés de corriente, e interruptor de software Temporizador Marcas digitales y analógicas Entradas y salidas en función del modelo.

LOGO! puede hacerlo

El LOGO! se resuelven tareas enmarcadas en la técnica de instalación y el ámbito doméstico (p.ej. alumbrado de escaleras, luz exterior, toldos, persianas, alumbrado de escaparates, etc.), así como en la construcción de armarios de distribución, de máquinas y de aparatos (p.ej. controles de puertas, instalaciones de ventilación, bombas de agua no potable, etc.). Asimismo, LOGO! se puede utilizar para controles especiales en invernaderos o jardines de invierno, para el procesamiento previo de señales en controles y, mediante la conexión de un módulo de comunicaciones (p. ej., ASi), para el control descentralizado ”in situ” de máquinas y procesos. Para las aplicaciones en serie en la construcción de máquinas pequeñas, aparatos y armarios de distribución, así como en el sector de instalaciones, existen variantes especiales sin unidad de operación y de visualización.

¿Qué modelos existen?

LOGO! Basic está disponible para dos clases de tensión: Categoría 1 ± 24 es decir, 12 V DC, 24 V DC, 24 V AC Categoría 2 > 24 V, es decir 115...240 V AC/DC

Y a su vez: Variante con pantalla: 8 entradas y 4 salidas. Variante sin pantalla (”LOGO! Pure”): 8 entradas y 4 salidas.

Cada variante está integrada en 4 unidades de división (TE), dispone de una interfaz de ampliación y le facilita 36 funciones básicas y especiales preprogramadas para la elaboración de su programa.

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¿Qué módulos de ampliación existen?

LOGO! módulos digitales DM8... para 12 V DC, 24 V AC/DC y 115...240 V AC/DC con 4 entradas y 4 salidas. LOGO! módulos digitales DM16... para 24 V DC y 115...240 V AC/DC con 8 entradas y 8 salidas. LOGO! módulos analógicos para 24 V DC y en parte para 12 V DC, con 2 entradas analógicas o con 2 entradas Pt100 ó con 2 salidas analógicas.

Los módulos digitales y analógicos están integrados en 2 ó 4 TE y disponen de dos interfaces de ampliación respectivamente, de modo que se puede conectar otro módulo a cada uno de ellos.

¿Qué módulos de comunicación existen?

LOGO! módulo de comunicación (CM) Interfaz AS, que se describe con mayor detalle en una documentación propia. El módulo de comunicación dispone de 4 entradas y salidas virtuales y funciona como interfaz entre una interfaz AS y el sistema LOGO!. Con ayuda del módulo es posible transferir 4 bits de datos de LOGO! Basic al sistema de la interfaz AS y/o en dirección inversa.

LOGO! módulo de comunicación (CM) EIB/KNX, que se describe con mayor detalle en una documentación propia. CM EIB/KNX es un módulo de comunicación (CM) para la conexión de LOGO! a EIB.Como interfaz con EIB, el CM EIB/KNX permite la comunicación con otras estaciones EIB. Para ello se define una configuración en el CM EIB/KNX, que especifica qué entradas/salidas de LOGO! deben establecerse con el bus EIB.Las entradas y salidas correspondientes pueden conectarse con las funciones de LOGO!.

Usted tiene la elección

Las diversas variantes Basic, los módulos de ampliación y de comunicación permiten una adaptación muy flexible y precisa a cada aplicación especial. LOGO! le ofrece soluciones que abarcan desde una pequeña instalación doméstica hasta funciones complejas en combinación con un sistema de bus (p.ej. módulo de comunicación AS-Interface), pasando por pequeñas tareas de automatización.

Atención

Cada LOGO! Basic se puede ampliar únicamente con módulos de ampliación de la misma clase de tensión. Mediante una codificación mecánica (pernos en la carcasa) se impide que se puedan conectar entre sí dispositivos con una clase de tensión diferente.

Excepción: la interfaz izquierda de un módulo analógico o de un módulo de comunicación presenta un aislamiento galvánico. De este modo, estos módulos de ampliación se pueden conectar a dispositivos de diferente clase de tensión. Cada LOGO! Basic disponen de las

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siguientes conexiones para la elaboración del programa, independientemente de los módulos conectados:

Entradas digitales I1 hasta I24 Entradas analógicas AI1 hasta AI8 Salidas digitales Q1 hasta Q16 Salidas analógicas AQ1 y AQ2 Marcas digitales M1 hasta M24, M8: marcas de arranque Marcas analógicas AM1 hasta AM6 Bits de registro de desplazamiento S1 hasta S8 4 teclas de cursor 16 salidas no conectadas X1 hasta X16.

La fig. 5.1 Muestra la estructura del LOGO! en 2 versiones diferentes una con pantalla y otra sin pantalla

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Fig. 5.1 Estructura de LOGO

Reconocer LOGO!

La identificación de LOGO! proporciona información acerca de las diversas propiedades:

12/24: versión de 12/24 V 230: versión 115...240 V R: salidas de relé (sin R: salidas de transistor) C: Temporizador semanal integrado o: variante sin pantalla (”LOGO! Pure”) DM: módulo digital AM: módulo analógico

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CM: módulo de comunicación (p.ej. módulo EIB/KNX)

5.2 Programar LOGO!

Primeros pasos con LOGO!

Con el término Programación se hace referencia a la Elaboración de un programa. Básicamente, un programa de LOGO! no es más que un esquema de conexión eléctrica representado de una forma diferente. LOGO!Soft Comfort: el software de programación para LOGO!, con el que puede crear, probar, simular, modificar, guardar e imprimir programas fácil y cómodamente.

Advertencia

Las variantes de LOGO! sin pantalla, LOGO! 24o, LOGO! 12/24RCo, LOGO! 24RCo y LOGO! 230RCo, no disponen de unidad de manejo e indicación. Éstas variantes están pensadas principalmente para aplicaciones en serie en la construcción de máquinas pequeñas y aparatos. Las variantes LOGO!...o no se programan en el dispositivo. El programa se transmite al aparato desde LOGO!Soft Comfort o desde módulos de programa (Cards) de otros dispositivos LOGO! 0BA5. Los módulos de programa (Cards) no pueden describirse con una variante de LOGO! sin pantalla.

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Explicación de las funciones utilizadas en el capitulo 3

Comparador analógico Descripción breve La salida se conecta y desconecta en función de la diferencia Ax -- Ay y de dos valores umbral parametrizable.

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Interruptor analógico de valor umbral Descripción breve La salida se activa y desactiva en función de dos valores umbral parametrizables.

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Textos de mensaje Descripción breve Visualización de un texto de aviso parametrizable en el modo RUN.

Entradas analógicas

En las variantes de LOGO! LOGO! 24, LOGO! 24o, LOGO! 12/24RC y LOGO! 12/24RCo existen las entradas I7 y I8, que, dependiendo de la programación, también pueden utilizarse como AI1 y AI2. Si se emplean las entradas como I7 y I8, la señal aplicada se interpreta como valor digital. Al utilizar AI1 y AI2 se interpretan las señales como valor analógico. Si se conecta un módulo analógico, la numeración de las entradas se realiza de acuerdo con las entradas analógicas ya disponibles. Para las funciones especiales, que por el lado de las entradas sólo pueden conectarse con entradas analógicas, para la selección de la señal de entrada en el modo de programación se ofrecen las entradas analógicas AI1...AI8, las marcas analógicas AM1...AM6, los números de bloque de una función con salida analógica o las salidas analógicas AQ1 y AQ2.

Salidas:Salidas digitales Las salidas digitales se identifican con una Q. Los números de las salidas (Q1, Q2, ... Q16) correspondan a los números de los bornes de salida de LOGO! Basic y de los módulos de ampliación conectados en el orden de montaje. También existe la posibilidad de utilizar 16 salidas no conectadas. Estas salidas se identifican con una x y no pueden volver a utilizarse en un programa (a diferencia p.ej. de las marcas). En la lista aparecen todas las salidas no conectadas

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programadas y una salida no conectada todavía no programada. El uso de una salida no conectada es útil p.ej. en la función especial “Textos de aviso”

Compuerta lógica AND (Y)

La salida de AND sólo ocupa el estado 1 cuando todas las entradas tienen estado 1, es decir, están cerradas. Si no se utiliza una entrada de este bloque (x), para la entrada se aplica: x = 1.

Tabla de valores lógicos para la función Y:

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Bibliografía

Sensores y acondicionadores de señal Tercera EdiciónRamón Pallas Areny

Electrónica Industrial Moderna Tercera Edición Timothy j Maloney Prentice Hall.

Instrumentación Industrial 6 EdiciónAntonio Creus Alfaomega Marcombo

Manual LOGO! No de parte A5E00228104-01

Sensores en la técnica de fabricación Autor Stefan Hesse

Editorial Festo AG & Co

Control automático de presión de Neumáticos Diseño y funcionamiento Programa autodidáctico 219 de Audi

Manual de información Técnica de neumáticos Dirección de Transporte CONAE

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