Para poder conocer el nivel de prestaciones de un motor de una forma objetiva y precisa, resulta necesario disponer de equipos que midan de forma fiel y repetitiva los parámetros necesarios para cada caso particular. La aplicación más o menos reciente de la electrónica y de los ordenadores a la medida ha supuesto un avance vital. No obstante y a pesar de ello, medir bien sigue siendo muy complicado pe: cuanto que cada vez se
En el mundo de los motores, el empleo de sistemas de instrumentación en la
medida se utiliza con diversos objetivos:
Validación de modelos teóricos: Mediante la obtención de medidas experimentales sobre prototipos y por comparación con los resultados de los modelos teóricos, se podrán refínar o modificar dichos modelos.
Control de procesos: La variable medida se utiliza para controlar la magnitud que ésta representa, de manera que, actuando sobre el sistema, su valor iguale uno deseado.
Seguimiento de procesos (monitorizado permanente, alarmas): Predice el comportamiento anómalo de un motor mediante la comparación del valor medido en cada instante con un parámetro estándar, estimado representativo de su correcto funcionamiento.
Conocimiento del nivel de prestaciones de un motor: Estas prestaciones interesan bien porque sei necesario el cumplimento de normas que limiten ciertos parámetros (emisiones contaminantes. acústicas, etc), bien porque las prestaciones hagan referencia a aspectos cualitativos del motor (par efectivo,
potencia, consumo), o bien porque sirvan de ayuda en el análisis y/o diseño
del motor (rendimiento volumétrico, presiones, temperaturas, etc).
4.1.- La cadena de medida y su comportamiento estático.
Se denomina cadena de medida a las sucesivas etapas descritas entre la magnitud física que se desea medir y el resultado final de la medida. El diseño de la cadena de medida influye de forma directa sobre la fiabilidad de la medida. Las fases principales que constituyen una cadena de medida son:
La captación: Es la primera fase de toda cadena de medida. En ella se realiza el
proceso de transducción, es decir, la conversión de la magnitud física que queremos medir en otra que, por lo general, suele ser eléctrica.
El acondicionamiento: Es el proceso de amplificación y filtrado que se aplica a
la señal generada por el transductor y a la alimentación del mismo, si procede. La
amplificación se hace necesaria dado que, generalmente, la señal eléctrica que
proporciona un transductor, en tensión o corriente. es muy débil y necesita ser amplificada. La relación existente entre la señal de salida y la de entrada de un amplificador se denomina ganancia. El filtrado de la señal consiste en eliminar el ruido que dicha señal pueda llevar por estar el transductor sometido a interferencias eléctricas que proceden de diversas fuentes. El sistema de filtrado debe poseer una elevada
relación señal/ruido. La alimentación será precisa sólo en el caso de transductores
pasivos que requieren ser alimentados eléctricamente para su funcionamiento.
analógicos o digitales y, también, a través de la pantalla de un ordenador mediante un sistema de adquisición de datos. Si resulta procedente, el registro o
almacenamiento de la señal se puede efectuar con un registrador magnético analógico
o digital, un registrador de papel y, también, un ordenador, que utilice el correspondiente sistema de adquisición de datos. ■ El análisis: Esta es la última fase de la cadena de medida. La forma en la que se aborde dependerá del tipo de señal así:
- Las estáticas se analizarán estudiando directamente el valor de la medida. - Las dinámicas se analizarán en el dominio de la frecuencia.
- Los transitorios se analizarán estudiando la evolución de la medida entre dos estados.
- Las aleatorias se analizarán mediante procedimientos estadísticos o con valores eficaces (RMS).
A la hora de definir el comportamiento estático de un sistema o cadena de
medida se definen una serie de parámetros que caracterizan su bondad o adecuación
ante señales estáticas, esto es, señales que no varían en el tiempo o que su variación es suficientemente lenta.
En primer lugar se define la curva de calibración que representa en el eje de abscisas el parámetro físico de entrada y en el de ordenadas el valor de la medida visualizada. La determinación de esta curva se debe realizar con equipos patrón que tienen mayor precisión que el que se pretende calibrar.
Se denomina histéresis (Gráf. VI.4.1) a la máxima diferencia entre la curva de calibración que se obtiene en sentido creciente del parámetro físico y la obtenida en sentido decreciente.
La curva de calibración ideal es una recta. El error de Iinealidad (Gráf. VI. 4.1) indica el grado de separación de ella y se define como la máxima desviación entre la curva de calibración y la recta que une sus dos extremos.
La sensibilidad (Gráf. VI. 4.1) es la pendjente_en_cada punto de la curva de calibración. En el caso de transductores que no necesitan alimentación eléctrica
(pasivos) la sensibilidad viene expresada por el cociente a fondo de escala entre la
tensión eléctrica de salida y la magnitud física de entrada que se pretende medir (mV/bar, mV/°C, etc). En los sensores que sí necesitan alimentación eléctrica (activos), la sensibilidad se obtiene dividiendo a la tensión eléctrica de salida, además, entre la tensión eléctrica de alimentación (mV /(barV), mV/(°C∙V), etc).
La resolución es el incremento mínimo del valor de entrada necesario para que se detecte un cambio en la salida del sistema de medida.
La repetibilidad es la capacidad de un instrumento para reproducir el mismo
valor de salida ame una misma entrada.
La precisión se define como el cociente porcentual entre el error total de la medida y el rango dei instrumento. Si una cadena de medida resulta ser repetitiva, se dice que es fiel. Por otra parte, si este valor se aproxima al valor real de la magnitud física, se dice que es precisa.
Un sistema de medida es estable si mantiene invariable su curva de calibración a lo largo detiempo. Si presenta variaciones en su señal de salida mientras que la entrada permanece constante, se dice que presenta deriva. La temperatura ambiente puede afectar a los equipos y ocasionar derivas.
Los errores que pueden aparecer cuando empleamos sistemas de instrumentación son, en genera! de dos tipos:
• Sistemáticos: Son errores propios de la medida: calibración, montaje de la cadena de medida : posicionamiento del transductor, alimentación, ruido, etc. Se pueden reducir mejorando la cadena.
• Aleatorios: Son más difíciles de eliminar que los sistemáticos pudiendo llegar a ser ineludibles. N: obstante, al repetir la medida en las mismas condiciones varias veces y calcular su promedio, los errores aleatorios tienden a cero.
4.2.- Aspectos fundamentales de los transductores.
Según se ha visto en el apartado anterior, durante el proceso de transducción, los
transductores transforman la magnitud física que se desea medir en otra
correspondiente a aquella pero de forma física distinta y que, generalmente, suele ser de tipo eléctrico. Estos deben modificar de forma inapreciable la energía del sistema que se quiere medir y para ello se requiere una elevada impedancia de entrada.
Todo transductor posee un elemento sensor cuyos parámetros físicos, bien sean mecánicos c eléctricos, varían proporcionalmente con la variación de la magnitud a medir. Por ejemplo, una banda extensométrica hace las veces de sensor cuando se emplea para medir esfuerzos en una célula de carga mientras que cuando se utilizan para
Atendiendo a si requieren o no alimentación eléctrica para su funcionamiento, pueden existir dos tipos de transductores:
• Activos: La variable física a medir les proporciona la energía necesaria para generar por sí mismos la señal eléctrica de salida, sin necesidad de una alimentación externa.
• Pasivos: Necesitan energía de alimentación para que pueda verificarse el proceso de transducción. En estos puede regularse la sensibilidad variando la tensión de alimentación de entrada. En ambos tipos de transductores suele ser necesario amplificar la señal de salida.
Atendiendo al tipo de señal de salida, pueden existir dos tipos de transductores:
• Analógicos: La señal de salida puede representarse como una función continua en el tiempo.
• Digitales: La señal de salida se presenta en forma de variaciones discretas. Dado que el proceso de transducción se basa en la variación de un parámetro eléctrico con la correspondiente magnitud física que deseamos medir, atendiendo al tipo
de parámetro eléctrico empleado, los transductores pueden clasificarse en: Resistivos,
potenciométricos, capacitivos, inductivos, de efecto Hall, piezoeléctricos, fotoconductores, foto voltaicos, termoeléctricos, etc.
4.2.1.- Transductores resistivos.
Transductores pasivos que basan su funcionamiento en la variación de resistencia eléctrica que experimenta un conductor cuando se tracciona (aumenta su longitud y se reduce su sección -Ilustr. VI. 4.1)-). En la actualidad, más del 50% de los transductores se basan en este principio (células de carga, bandas extensométricas, termistores, piezorresistencias, termorresistencias, etc.) y son empleados en medidas tanto estáticas como dinámicas. Se puede demostrar que, siendo C una constante propia del material del conductor, la variación unitaria de la resistencia eléctrica es proporcional a la variación unitaria de longitud:
4.2.2. - Transductores potenciométricos.
Este tipo de transductores posee un cursor que desliza a lo largo de una resistencia alimentada eléctricamente y denominada pista (Ilustr. VI.4.2). La pista está constituida por un conductor eléctrico, adherido a un soporte aislante, que le confiere rigidez. El
deslizamiento del cursor sobre la [pista provoca su desgaste por rozamiento y su degradación progresiva. Puede demostrarse fácilmente que la tensión de salida es proporcional a la tensión de alimentación y al grado de avance del cursor.
La resolución depende de las dimensiones y de la
granulometría de la pista. En ocasiones, la pista conductora se sustituye por una de hilo bobinado sobre una pieza aislante (Ilustr. VI. 4.3) aunque la resistencia mecánica y la resolución, que depende del número de espiras, se reducen drásticamente.
Los transductores potenciométricos son pasivos al igual que los resistivos y se emplean, normalmente, para medidas de magnitudes que varían lentamente (desplazamientos, presiones, fuerzas, etc.).
Pueden clasificarse, atendiendo a la ley de variación de la resistencia de la pista con el desplazamiento del cursor. Así existen transductores potenciométricos
lineales, logarítmicos y trigonométricos (Gráf. VI.4.2).
Otro tipo de clasificación atiende al modo de desplazamiento del cursor: lineales y
angulares, (Ilustr. VI.4.4).
Un condensador está formado por dos placas separadas por un dieléctrico interpuesto entre ellas. Su capacidad resulta proporcional a )la constante del dieléctrico
(6) y a algún parámetro geométrico que dependerá del tipo de condensador. Así, la
variación de capacidad puede deberse al movimiento relativo entre las placas (Ilustr.
VI.4.5 -A y B-) ó, manteniendo fijas las placas, a la modificación del dieléctrico
interpuesto entre ellas (Ilustr. VI.4.5 -C-).
Este tipo de transductores presenta muy buena relación señal/ruido y están encuadrados dentro de tipo de transductores pasivos. Se alimentan con corriente alterna de una frecuencia que oscila entre decenas de KHz y 1 Mhz. Se emplean para la medida de desplazamiento, posición, aceleración, fuerza-presión, nivel y ruido. Los transductores capacitivos más frecuentes son:
a) De placas planas (Ilustr. VI.4.5. A):
b) Cilíndrico (Ilustr. VI.4.5.B):
c) Cilíndrico de dieléctrico variable (Ilustr. VI.4.5.C): Muy usados en la medida de
nivel de líquidos
4.2.4.- Transductores inductivos.
En una bobina en la que el devanado tiene N espiras, el núcleo una sección AF y una
donde μF y μ0 son las permeabilidades magnéticas del núcleo y del entrehierro. El
denominador de esta expresión recibe el nombre de reluctancia del circuito magnético,
R.
En este caso la transducción se consigue modificando la autoinducción de una bobina. Para ello, puede variarse la longitud del circuito magnético (l) o el entrehierro
(d), (Ilustr. VI.4. 7). Las aplicaciones de este tipo de transductores son muy extensas,
pudiéndose medir velocidad de giro, desplazamiento, aceleración, fuerza y presión. En
medidas dinámicas, este transductor es activo ya que la variación de flujo magnético,
producida por cualquiera de los dos procedimientos anteriores, genera una corriente eléctrica. En medidas estáticas, el transductor es pasivo y deberá alimentarse mediante una corriente alterna de modo que la tensión (v) y la intensidad (i) queden ligadas por la autoinducción de la bobina.
4.2.5.- Transductores de efecto Hall.
El efecto Hall, descubierto en 1879 por Edward H. Hall, consiste en que cuando una placa conductora por la que circula una corriente eléctrica se somete a un__cajnpjo, magnético perpendicular a ella, aparece un desplazamiento de los electrones que atraviesan la placa hacia sus extremos, apareciendo una diferencia de potencial entre los mismos.
También puede producirse el efecto inverso: desplazando la placa se genera en ella una corriente.
4.2.6.- Transductores piezoeléctricos.
El efecto piezoeléctrico consiste en que cuando ciertos materiales son sometidos a un esfuerzo mecánico según ciertas direcciones, generan una carga electrostática
(Ilustr. VI.4.9). Así, el cristal piezoeléctrico se comporta como un condensador cuya
capacidad es proporcional a su área (S) e inversamente proporcional a su espesor (e). Siendo (Xy € constantes del material, se puede demostrar que la tensión generada entre los extremos del cristal es directamente proporcional a la fuerza a la que está sometido:
Si la fuerzan aplicada se mantiene constante, aparecerá entre las superficies una tensión eléctrica. Con todo, al pretender medir esta tensión y debido a la intensidad eléctrica que aparece en el medidor para poder efectuar la medida, la carga del cristal va desapareciendo y, consecuentemente, la tensión decreciendo (Gráf. VI. 4.5). Esto justifica que este tipo de transductores no sean válidos para medidas estáticas ya que la tensión cae rápidamente.
Estos transductores son del tipo activo, pues generan una tensión de salida sin necesidad de ser alimentados externamente. Los materiales empleados son tanto naturales (cuarzo, turmalina) come artificiales (sal de Rocchelle, titanato de bario o de plomo). Los parámetros mecánicos que suelen medirse con este tipo de transductores son: presiones, aceleraciones, fuerzas, ruido y vibraciones.
4.2.7.-Transductoresfotoconductores. (Ilustr. VI.4.10)
Se basan en la conversión del parámetro físico a medir en la variación de la resistencia de un semiconductor producida por un cambio en la iluminación que incide sobre éste. Estos transductores suelen utilizarse para la medida de la posición y, de forma indirecta, de la velocidad de giro.
4.2.8.- Transductoresfotovolíaicos. (Ilustr. VI.4.11)
Este tipo de transductores detecta las variaciones de la magnitud física a medir mediante las variaciones de tensión eléctrica producidas cuando cambia la iluminación incidente sobre una unión semiconductora entre ciertos materiales. Se utiliza en el mismo tipo de medidas que el anterior y, además, para la medida de la opacidad de humos.
4.2.9.- Transductores termoeléctricos (Ilustr. VI.4.12).
El efecto termoeléctrico consiste en que la unión de dos metales conductores diferentes produce una diferencia de potencial que es función de la temperatura de la unión (efecto
Seebeck). Este tipo de transductores se utiliza para la medida de temperaturas.
4.3.- Los equipos de medida.
El ensayo de motores térmicos lleva asociado infinidad de medidas que, evidentemente, no pueden ser tratadas en un curso como el que nos ocupa. No obstante, conviene conocer algunas de ellas por su mayor frecuencia o por su mayor sencillez. Éstas se realizan con una serie de medidores que basan su funcionamiento, en muchos de los casos, en los sistemas de transducción vistos en el apartado anterior.
Los medidores que se van a tratar son los utilizados para la medida de la temperatura, la presión, el gasto másico y volumétrico de gases y líquidos, la velocidad de giro y el
par motor.
4.3.1.- Medidores de temperatura.
Para medir la temperatura de un sistema se debe establecer un equilibrio termodinámico entre el sistema y el dispositivo utilizado. Los sistemas de medida de temperaturas
a) Termómetros de líquido y de gas: (Ilustr. VI.4.13) La temperatura del sistema
produce, por transmisión de calor, la dilatación de un líquido que se desplaza por un tubo capilar o el aumento de presión de un gas.contenido en una ampolla o bulbo que se visualiza en un medidor de presión. Pueden medir temperaturas entre los -200 °C y los 500°C según el líquido o gas utilizado. Estos medidores se caracterizan por su simplicidad y bajo coste aunque adolecen de baja precisión y resolución si el rango es amplio.
b) Bimetales: Se trata de dos metales de diferente coeficiente de dilatación soldados
entre sí que se deforman al variar la temperatura a la que se encuentran (Ilustr. VI 4.14). Aunque pueden ser usados como termómetros, se utilizan más como termostatos y termocontactos para sistemas de aiarma o control.
c) Resistencias variables con la temperatura: Basan su funcionamiento en la variación
de la resistencia eléctrica con la temperatura. Pueden ser de dos tipos: termorresistencias y termistores.
Las termorresistencias son conductores formados por metales da alta pureza (cobre, níquel o platino) que incrementan su resistencia al crecer la temperatura. Son precisas, sensibles y estables. El campo de aplicación de las termorresistencias de platino es de - 200 a 850 °C y las de níquel de -60 a 180 °C.
Los termistores son semiconductores que reducen su resistencia eléctrica al aumentar su temperatura.
Tanto las termorresistencias como los termistores son transductores pasivos. Para medir la variación de su resistencia se utiliza un puente de Wheatstone en el que uno de sus lados está constituido por la resistencia de variable con la temperatura. Las termorresistencias y termistores pueden alojarse en una vaina protectora o bien pegarse a una pieza para medir su temperatura superficial, según convenga.
uno de sus extremos. La diferencia entre la tensión U1 generada en dicha unión (unión
caliente o de medida) y la que aparecería en otra unión similar U2 (unión fría o de
referencia) sometida a una temperatura fija, varía de forma casi lineal con la
temperatura existente en la unión de medida. Los tres tipos de termopares más utilizados son:
Hierro (Polo +) y Constantan (55% Cu y 45% Ni: Polo -y. Mide temperaturas hasta
900 ºC.
Niquelcromo (90% Ni y 10% Cr: Polo +) y Níquel (95% Ni, 3% Mn y 2% Al: Polo -):
Mide temperaturas hasta 1 200 °C.
Platinorrodio (90% Pt y 10% Rh: Polo +) y Platino (Polo -): Mide temperaturas hasta
1600 °C. Es el más exacto de los termopares utilizados.
e) Pirómetros y termógrafos: Los pirómetros basan su funcionamiento en que la
longitud de onda de la radiación emitida por un cuerpo caliente depende directamente de su temperatura. Comparándola con la de un cuerpo negro de temperatura conocida, es posible determinar la temperatura a distancia. Los termógrafos transforman la radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente en una señal eléctrica proporcional a la temperatura del cuerpo.
4.3.2.- Medidores de presión.
Antes de comenzar a comentar los diferentes procedimientos de medida de presión debe tenerse claro que la presión a medir puede ser absoluta y relativa. La presión absoluta es aquella que toma como referencia el vacío, mientras que la presión relativa es aquella que toma como referencia la presión ambiente. Para medir la presión absoluta se utilizan los barómetros y para medir la presión relativa, los manómetros. Estos últimos son los más utilizados en la industria, aunque su principio de
no difiere sustancialmente de los barómetros. Al igual que en la medida de la temperatura, existen procedimientos de medida mecánicos (manómetros de columna de líquido y basados en la deformación de un elemento elástico) y eléctricos.
a) Manómetros de columna de líquido: Un manómetro de líquido consiste en un
tubo de cristal doblado en forma de U o similar con sus ramas calibradas y en el que se deposita un líquido cuya densidad es mayor a la del fluido al que se va a medir la presión (Ilustr. VI.4.16-izda-J, Los líquidos más empleados son el agua, el mercurio y el aceite. Denominando γ al peso específico del fluido, por hidrostática, fácilmente se puede demostrar que:
Una variante del tubo en U es el denominado manómetro inclinado (Ilustr.