Separata.Laboratorio de Ing. Mecánica II..pdf

8/18/2019 Separata.Laboratorio de Ing. Mecánica II..pdf

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Dr LEONCIO FERNANDO MEDINA PINTO

LABORATORIO DEINGENIERIA MECANICA II

DOCENTE:

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SENSORES Y

TR NSDUCTORES

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación

• Sensores y transductores

• Sensores de posición, distancia y desplazamiento

• Sensores de temperatura

• Sensores de velocidad

• Sensores de presión

• Sensores de proximidad• Reguladores

• Preaccionadores y actuadores

• Distintas tecnologías

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• Sistemas electrónicos de medida y regulación:

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Entradas Salidas

Variables deperturbación

Variables deestado

SISTEMA

Sistema: conjunto formado por una seriede elementos para realizar una funcióndada.Variable de entrada: son señales quellegan al sistema desde el exterior. Puedenser variables o fijasVariable de salida: es la respuesta delsistema.Variables de perturbación: Son señalesno deseadas y hay que tratar de minimizar sus efectos.

Variables de estado: son el conjuntomínimo de variables del sistema capacesde definir de manera única al sistema, en elsentido que permita conocer la variable desalida para cualquier variable de entrada.


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• Sistemas electrónicos de medida y regulación:

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Ejemplo:

Si se desea posicionar una antena mediante un mando

eléctrico, la variable de entrada sería la tensión eléctricasuministrada al motor de giro por un operador. Una

variable de perturbación sería el viento que podría

modificar la posición alcanzada. La variable de salida sería

la posición de la antena y las variables de estado lasdistintas posiciones del potenciómetro para cada posición

de la antena.


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• Sistemas de control continuo:

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CONTROL PROCESOE S

Control Proceso

Realimentación

Comparador E S

Sistemas de cadena abierta: noexiste vigilancia sobre la señalde salida. Problema: es incapazde resolver los problemas

causados por las posiblesperturbaciones

Sistema de cadena cerrada o

realimentada: recibeinformación desde la salida para

determinar si ésta se haejecutado correctamente. Paraello, se establece unarealimentación desde la salidahacia la entrada.


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Servosistema: sistema de cadena cerrada y entrada variable.

Servomecanismo: servosistema en el que la salida es una magnitudfísica como posición, velocidad, temperatura, etc. La estructura generalde un servosistema es el siguiente:

Detector de error

Regulador Accionador

Realimentación

Xe S

Proceso

Transductor desalida

Transductor deentrada

XsXc


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Ejemplo: Un ejemplo práctico de servomecanismo puede

ser un regulador de velocidad de un motor.

Regulador

Dinamotacométrica

Verr Vc

Motor

V


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• Sistemas de control continuo:• Función de transferencia: FDT

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A

B

Xe Xs+

-

Comparador

FDT total: relaciona la señal de salidacon la entrada. Indica laestabilidad del sistema.

FDT de error : relaciona la señal deerror con la señal de entrada. Se

utiliza para determinar la precisiónde un servosistema.

FDT de lazo abierto: es la función detransferencia que se obtiene si allazo cerrado se le desconecta la

red de realimentación.

B A

A

Xe

Xs

1 B A Xe

Xs B

Xe

Xr Xe

Xe

Xerr

1

11 B A

Xerr

Xr


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• Sistemas de control por ordenador: CPC

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Consiste en la introducción de un ordenador como

elemento constituyente del sistema de control. De loselementos que componen un servosistema, el másimportante era el regulador, ya que determinada muchasde las características del sistema. Se empieza a utilizar

un ordenador como elemento regulador de control. Estehecho da lugar a las técnicas de análisis y diseño desistemas de control digital, también denominadassistemas muestreados o discretos de control.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Xc Xs

Xr


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El ordenador asume la función del comparador y del regulador analógico. La distinta naturaleza de las señales implica que debeexistir otro bloque más, capaz de realizar la conversión entre ambostipos de señales. Estos bloques están implementados físicamente por los convertidores analógicos-digitales (A/D) o digital-analógico (D/A). A

estos bloques también se les denomina interfaces.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Vcn Vs(t)

Vr(t)

A/D D/A

D/A

Vin Ve(t)


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Ventajas:Mayor calidad: se pueden obtener señales de control muycomplejas a partir de las señales de error, sin necesidad decambiar ningún elemento del sistema.Mayor exactitud: esto se debe a la mayor capacidad de cálculodel ordenador.Control múltiple: Un mismo elemento puede ser utilizado pararealizar el control de varios procesos simultáneamente.Mayor versatilidad del sistema: se puede cambiar la acción decontrol sin más que cambiar el programa en ejecución.Acciones complementarias: es posible realizar una serie de

acciones complementarias como visualización instantánea detodas las variables de proceso, presentación, análisis estadístico,simulaciones, etc.


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Inconveniente:

Seguridad de funcionamiento. Es habitual que un

mismo ordenador realice esta función para distintosprocesos, por lo que una avería del mismo, dejará todoel sistema paralizado. Suele aumentarse la seguridadduplicando o triplicando la alimentación, la

programación, etc.


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Para evitar este problema se ha desarrollado el controlanalógico-digital o control de punto de referencia (DAC).El ordenador está encargado únicamente de la generación delas señales de referencia. Estas señales actúan sobrecomparadores de control continuo, que junto con los reguladoresmantienen íntegro el concepto de control continuo. Para asegurar

su funcionamiento, se realiza la conexión directa (by - pass) de lasvariables de entrada al comparador.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Ven

Vr(t)

A/D D/A

D/A

VinVer(t)

Regulador

BY-PASSComparador


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• Sensores de proximidad

• Reguladores



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• El transductor es un dispositivo que convierteuna señal de una forma física determinada enotra señal de forma física diferente. Es un

dispositivo que convierte un tipo de energía enotro.

• El sensor es un dispositivo que, a partir de laenergía del medio donde se mide, da una señalde salida transducible, que es función de lavariable medida.

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• El transductor es un dispositivo que convierte una señalde una forma física determinada en otra señal de formafísica diferente. Es un dispositivo que convierte un tipode energía en otro.

• El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía delmedio donde se mide, da una señal de salidatransducible, que es función de la variable medida.

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• El transductor es un dispositivo que convierte unaseñal de una forma física determinada en otra señalde forma física diferente. Es un dispositivo queconvierte un tipo de energía en otro.

• El sensor es un dispositivo que, a partir de la energíadel medio donde se mide, da una señal de salidatransducible, que es función de la variable medida.

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• Clasificación:

Señal de salida. Puede ser analógica o digital. En losanalógicos, la información variará de forma continua, lainformación está en la amplitud (por ejemplo unpotenciómetro). En una salida digital, la salida variará deforma discreta y hará que la transmisión de su salida seamás fácil (por ejemplo un codificador de posición).

Parámetro variable. Resistencia, capacidad, inductancia,añadiendo luego los sensores generadores de tensión,carga o corriente, y así se hablará de sensores de tiporesistivo, inductivo, capacitivo, etc.

Magnitud medida. Se habla así de sensores de posición,distancia, desplazamiento, temperatura, presión, fuerza,velocidad y presencia. Esta clasificación permite escogerel dispositivo correcto dentro de un sistema de control.

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• Elección de un sensor:

Magnitud a medir: conociendo cuál ha de ser el margende medida, la exactitud deseada, la estabilidad, eltiempo de respuesta y las magnitudes que puedeninterferir.

Características de alimentación: tensión, corriente,potencia disponible, frecuencia (si es alterna),estabilidad.

Características ambientales: teniendo en cuenta losmárgenes del fabricante.

Otros factores: vida media, coste de fabricación, costede mantenimiento, tiempo de instalación, situación encaso de fallo.

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• Sensores de velocidad• Sensores de presión


• Reguladores

• Preaccionadores y actuadores• Distintas tecnologías

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• Medida de grandes distancias: radar• Medida de distancias cortas: ultrasonidos• Medida de pequeños desplazamientos:

• Sensores de tipo resistivo:

• Potenciómetro• Galgas extensiométricas

• Sensores de tipo inductivo

• Sensores de tipo capacitivo

• Medida de ángulos

• Sensores inductivos: resolver• Sensores digitales:

• Codificadores incrementales

• Codificadores absolutos

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• Medida de grandes distancias: radar

• Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros.

• El radar es básicamente un transmisor de radiacioneselectromagnéticas a frecuencia muy elevada (5-20KHz) generadas porun oscilador modular a impulsos.

• Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplificalos ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea medir.

• Esta distancia se puede calcular como:

• El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos.

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2

t c D

.:

.,:

tan:

recibe sequehastaemitidaesondalaquedesdedotranscurritiempot

luzladelantehabitualmeondasden propagaciódevelocidad c

ciadis D


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• Medida de distancias cortas: ultrasonidos• Sensores que miden distancias entre 1 centímetro y 10

metros

• Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuenciasuperior a las audibles (20KHz). Toda radiación, al incidirsobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite yen parte es absorbida.

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Transmisor

Receptor

Generador depulsos

Detector

Contador

S

R

Q

Display

Objeto


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• Medida de pequeños desplazamientos:

• Sensores de tipo resistivo:• Potenciómetro• Galgas extensiométricas



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• Potenciómetro:

• Galgas extensiométricas:

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l

xR

)()( xl A

l A

R

.min:

sec::

:

:

fijoal ter otroel desderecorridadistamcoa x

l transversación Amaterial del ad resistivid

longitud l

aresistenci R

A

l R

l transversación A

longitud l

ad resistivid aresistenci R

sec:

:

::


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• Sensores de tipo inductivo:

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Consiste en la variación dela inductancia mutua entreun primario y cada uno de

los dos secundarios aldesplazarse a lo largo de suinterior un materialferromagnético, arrastradopor un vástago noferromagnético, unido a lapieza, cuyo movimiento sedesea medir.


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• Sensores de tipo capacitivo:

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Están formado por doscondensadores variablesdispuestos físicamente de tal

modo que experimentan el mismocambio pero en sentidos opuestos.Los sensores capacitivosdiferenciales se emplean paramedir desplazamientos entre 10y10mm, con valores de capacidaddel orden de 1 a 1000pF

Placas móviles

Placasfijas


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• Medida de grandes distancias: radar• Medida de distancias cortas: ultrasonidos• Medida de pequeños desplazamientos:


• Potenciómetro• Galgas extensiométricas




• Sensores inductivos: resolver• Sensores digitales:

• Codificadores incrementales

• Codificadores absolutos

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Sensores inductivos: resolver

Sensores digitales:

Codificadores incrementalesCodificadores absolutos

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• Sensores inductivos: resolver

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El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con lasbobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal resultante enéstas dependa del seno del ángulo de giro.


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• Sensores inductivos: resolver

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La bobina móvil excitadacon tensión V sen(wt) y

girada un ángulo Ø induceen las bobinas fijassituadas en cuadratura lassiguientes tensiones:

V1 = V sen(wt) sen ØV2 = V sen(wt) cos Ø


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• Sensores digitales: Codificadores incrementales

• Codificadores absolutos:

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Sectoresequidistantes

Cabezal delectura fijo

Disco

Regla

Acoplamiento Desplazamiento lineal

giro

Eje

El disco se divide en un número de sectores (potenciade 2) codificándose cada uno de ellos con un códigobinario.


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• Sensores y transductores• Sensores de posición, distancia y desplazamiento



• Sensores de presión• Sensores de proximidad

• Reguladores



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Sensores resistivos

RTD

Termistores

Sensores termoeléctricos

Efecto Seebeck

Efecto Thomson

Efecto Peltier

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• Sensores resistivos

RTD:(Resistance Temperatura Dependent). Detectores detemperatura basados en la variación de su resistencia eléctrica. Laresistencia aumenta con la temperatura. La dependencia seexpresa mediante:

Termistores: A diferencia de las RTD, que están basadas enconductores, los termistores se basan en semiconductores. Si sucoeficiente de temperatura es negativo, se denominan NTC(Negative Temperature Coeficient), mientas que si es positivo sedenominan PTC (Positive Temperature Coeficient )

36

)...1( 332

210

n

nT T T T R R

.:

::

0 referenciadeatemperatur laaaresistenci R

referenciadelaarespectoatemperatur deincrementoT aresistenci R


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• Sensores resistivos:

Los termistores tienen numerosas aplicaciones; entreellas se propone un termómetro digital. El sistema decontrol se basa en que la tensión entre los puntos A y Bdel puente de Wheatstone variará en función del NTC.

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37

+V

Amplificador

AB


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• Sensores termoeléctricos

Efecto SeebeckEfecto Thomson

Efecto Peltier

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T T+T

A

B

T T+T

A

B

T+T

A

B

T-TCede calor Absorbe

calor

Efecto Seebeck en un termopar:

aparece una corriente o una

diferencia de potencial cuando hay

dos uniones a diferente temperatura.

Efecto Peltier: al hacer circular

corriente por un circuito de

termopares, una unión se

enfría y la otra se calienta.


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• Reguladores



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• Sensores de velocidad: De tipo digital (tacómetro):

Por ultrasonidos: Efecto Doopler

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a partir de un codificador incremental obtiene mimpulsos por cada vuelta. Sise contabilizan N impulsosdurante un intervalo T, lavelocidad angular es:

Tm

N

2

cos2

c

v

f f f er e

n propagaciódedirección yvelocidad laentrerelativoángulo

sonidoradiaciónladen propagaciódevelocidad c

fluidodel velocidad v

recibida frecuencia f

emitida frecuencia f

r

e

:

)(:

:

:

:


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Sensores de velocidad

• Por ultrasonidos: Efecto Doopler

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Transmisor

Mezclador

Contador Filtro pasoalto

Base detiempos

Móvilft

fr

ft fr

Diseño en bloque de un radar de tráfico.


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• Reguladores



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• Sensores de presión:

Tubo Bourdon

• Piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico descubierto en 1881 por Jacques yPierre Curie, es un efecto que consiste en la aparición de una polarizacióneléctrica en un material al deformase bajo la acción de un esfuerzo.

Materiales piezoeléctricos naturales: cuarzo y la turmalina.

Sustancias sintéticas: cerámicas.

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Presiónalta

Presiónbaja

Tubo Bourdon

Potenciómetro

+V-

Tubo metálico de sección transversal nocircular, obtenido a base de aplanar untubo de sección circular, que tiende arecuperara dicha forma cuando se aplicauna diferencia de presión entre el interior yel exterior. La señal eléctrica se obtienemediante un sensor de desplazamiento.


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• Reguladores


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• Sensores de proximidad: Sensores de tipo resistivo

Sensores de tipo inductivo

Sensores de tipo óptico

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Sensores de tipo resistivo:

Fotorresistencias LDR. Las siglas inglesas corresponden a Light DependentResistor. Están basadas en la variación de la resistencia eléctrica de un

semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética conlongitud de onda entre 1mm y 10nm).

LDR

Vcc Vcc

Relé

R2

R1

V


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Sensores de tipo inductivo:

Basados en el fecto Hall: cuando por un conductor circula corriente y se

le aplica un campo magnético en dirección perpendicular a ésta, apareceuna diferencia de potencial transversal. A la tensión obtenida se ledenomina tensión Hall, y depende del grosor t del material en ladirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, delcampo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material,recogidas en el coeficiente A. Estos parámetros se relacionan mediante la

expresión:

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IB

t V A H

H

aplicadomagnéticocampo B

primariacorriente I

material del grosor t

Hall tensiónV H

:

:

:

:


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Sensores basados en uncambio de inductanciadebido a la presencia de

un objeto metálico


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Sensores de tipo óptico:

Sensores basados en el efecto fotovoltaico fotodiodos. Se basanen el efecto fotovoltaico (generación de un potencial cuando unaradiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial). Así,según sea la radiación incidente, se produce un cambio en elpotencial de contacto de la unión p-n o en la corriente decortocircuito.

Utilizados como detectores de presencia, se basan en la interrupcióndel haz de luz por parte del objeto. Tienen un alcance de hasta 50men condiciones ideales, pero puede verse disminuido este alcance sihay humo, polvo o si se acumulan partículas contaminantes sobres

las partes ópticas.

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• Reguladores


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Reguladores

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A

B

Ve Vs+

-

Comparador

BVs

Ve-BVs

B A

A

Ve

VsG

1

Si la variable de salida es un sistema mecánico, el sistema de controlrealimentado recibe el nombre de servosistema.

Si la entrada permanece constante y lo que varía es la ganancia Bdel lazo de realimentación, el sistema se denomina regulador. Lafunción del regulador es mantener constante la salida, mientras quela función del servosistema es conseguir que la salida siga a laentrada.


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Reguladores:

Se realiza un control automático por existir un control en el propiosistema. Para ello se utiliza un regulador. Todo regulador consta de untransductor de entrada, otro de salida y de un sistema deestabilización. Es estable si ante cualquier perturbación la salida esacotada y no se produce una oscilación. Se realiza una compensaciónde ajuste de ganancia, de adelanto de fase o retarde de fase paracompensar las variaciones. Esto implica una acción proporcional,integral, derivativa o PID.

La regulación con ordenador consta, además del ordenador, de unconvertidos D/A y de otro A/D y de una serie de captadores osensores. Básicamente responde al siguiente diagrama de bloques:

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Ordenador D/A

Proceso

Captador A/D

Entrada Salida


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Reguladores. Los controles que se pueden emplear en lazo

cerrado son:

Control P o control proporcional: se debe estudiar la respuesta a laentrada en escalón y se debe estudiar el parámetro Kp y la constantede tiempo.

Control PI, Control PD y control PID o controles donde se introducela acción proporcional, la acción integral y la acción derivativa,respectivamente.

En la acción proporcional, la actuación es proporcional a la variaciónde la salida respecto al punto de referencia. En la acción integral, la

actuación está en función del tiempo en que la salida ha sido distintaa la esperada. En la acción derivativa, la actuación está en función dela velocidad con la que la salida cambia respecto a la tomada comoreferencia.

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• Reguladores



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Preaccionadores y actuadores:

En todo control de potencia, por una parte se encuentran loscircuitos de control y por otra los de potencia. La unión entreambos la realizan unos elementos intermedios, como por

ejemplo relés, relés de estado sólido y contactores, entreotros. Estos elementos intermedios se conocen tambiéncomo Preaccionadores. En un control de arranque de unmotor trifásico, los Preaccionadores son los relés y elactuador el motor. Lo mismo ocurre con elementosneumáticos e hidráulicos.

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• Reguladores



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Distintas tecnologías:

El sistema de medida y regulación para conseguir uncontrol automático estable puede usar un lazo derealimentación y un control analógico, pero tambiénpuede usar un control por ordenador formando parte del

lazo de realimentación. La señal analógica se muestrea yse convierte a un valor digital con la cual el ordenadorrealiza el procesado. La salida se convierte nuevamente aun valor analógico con un convertido D/A. En lugar deutilizar un ordenador se puede realiza el control con unmicrocontrolador o un PIC.

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Lubricantes

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Generalidades:

En los distintos órganos en movimiento de las maquinas,existen rozamientos en las superficies de contacto quedisminuyen su rendimiento. Este fenómeno se debe a diversosfactores, el mas característico de los cuales es el coeficiente de

rozamiento, cuya causa principal reside en las irregularidadesde las superficies de las piezas en contacto.

Se llama lubricante la sustancia capaz de disminuir elrozamiento entre dos superficies en movimiento. Sus fines son,

principalmente, dos:1) Disminuir el coeficiente de rozamiento.

2) Actuar como medio dispersor del calor producido.

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Además, con el se consiguen los siguientes objetivossecundarios:

a) Reducir desgastes por frotamiento.

b) Disminuir o evitar la corrosión.

c) Aumentar la estanqueidad en ciertos órganos (cilindros,segmentos, juntas, etc.).

d) Eliminar o trasladar sedimentos y partículas perjudiciales.

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Características:

Para cada lubricante, dentro de su gran variedad deaplicaciones, hay unas características que, en mayor o menor grado, deben cumplir.

Las principales son: viscosidad, punto de combustión, punto

de inflamación, punto de congelación y punto dedescongelación.

Las secundarias son: poder anticorrosivo, poder antioxidante, poder antiespumante, poder detergente y resistencia a elevadas presiones.

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Viscosidad:

Es la característica mas importante para la elección de los aceites y

se define como la resistencia de un liquido a fluir. Es la inversa dela fluidez y se debe a la fricción de las partículas del liquido. Laviscosidad se valora según los métodos usados para sudeterminación, y las unidades, en orden decreciente a su exactitud,son:

Viscosidad dinámica o absoluta. La unidad de viscosidadabsoluta es el poise, que se define como la viscosidad de un fluidoque opone determinada fuerza al deslizamiento de una superficiesobre otra a velocidad y distancia determinadas.

Corrientemente se emplea el centipoise, que es la centésima partedel poise y equivale a la viscosidad absoluta del agua.

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Viscosidad cinemática. Es la relación entre la viscosidad

dinámica y la densidad del liquido. La unidad es el stoque (St),aunque prácticamente se emplea el centistoke, que equivale a lacentésima parte de aquel y es aproximadamente la viscosidadcinemática del agua a 20 °C.

Viscosidad relativa. En la practica, la medición de laviscosidad se hace en aparatos denominados viscosímetros, enlos cuales se determina el tiempo que tarda en vaciarse unvolumen fijo de aceite a determinada temperatura y por un tubo

de diámetro conocido. Los mas empleados son los Engler,Redwood y Saybolt.

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Los grados de viscosidad así determinados debenacompañarse siempre de la inicial del viscosímetro y de latemperatura de ensayo; por ejemplo: 5 °E a 50 °C, 25 S.S.U. a210 °F, etc.

Números SAE. Establecidos por la Society of Automotive Engineers para especificar gamas de viscosidades de aceites para automóviles. Los números de invierno (SAE 0 W, 5W,

10W, 15 W, 20W, 25 W ) se determinan a temperaturas bajocero, y los de verano (SAE-20, 30, 40, 50, 60) a 100 °C.

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Ensayo de viscosidad

Para el ensayo de viscosidad a 60ºC (140ºF) se emplea un viscosímetro de

tubo capilar. Los dos tipos más comunes en uso son: el viscosímetro de vacíodel Asphalt Institute (Fig. 3.47) y el viscosímetro de vacío de Cannon-Manning(Fig. 3.48). Se calibran con aceites normalizados. Para cada viscosímetro seobtiene un "factor de calibración", cuyo uso se describe luego. Generalmente,los viscosímetros vienen calibrados por el fabricante quien suministra estosfactores.

Fig. 3.47 Viscosímetro de

vacío del Asphalt Institute

Fig. 3.48 Viscosímetro de vacío de

Cannon-Manning 65


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El viscosímetro se monta en un baño de agua a temperatura

constante, controlado termostáticamente (Fig. 3.49). Sevuelca aceite precalentado en el tubo grande hasta quealcanza el nivel de la línea de llenado. El viscosímetro llenose mantiene en el baño por un cierto tiempo hasta que elsistema alcance la temperatura de equilibrio de acuerdo al

ensayo 20ºC, 60ºC (140ºF).

Se aplica un vacío parcial en el tubo pequeño para inducir elflujo, cuando el aceite es muy viscoso para fluir fácilmente através de los tubos capilares del viscosímetro. En la figura

3.49 se muestra un dispositivo para el control del vacío.También se conecta al sistema una bomba de vacío.

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Luego que el baño, viscosímetro y el asfalto se han estabilizado, seaplica vacío y se mide con un cronómetro el tiempo, en segundos,

que tarda el cemento asfáltico en fluir entre dos de las marcas.Multiplicando este tiempo por el factor de calibración delviscosímetro se obtiene el valor de la viscosidad en poises, launidad patrón para medir viscosidad absoluta.

Fig. 3.49 Viscosímetro en el “baño”

Ensayo de Penetración


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Ensayo de Penetración

La consistencia del asfalto puede medirse con un método antiguo y empírico,como es el ensayo de penetración, en el cual se basó la clasificación de loscementos asfálticos en grados normalizados. En la figura 3.52 puede verseel ensayo de penetración normal. Consiste en calentar un recipiente concemento asfáltico hasta la temperatura de referencia, 25ºC (77ºF), en unbaño de agua a temperatura controlada. Se apoya una aguja normalizada,de 100 g de peso sobre la superficie del cemento asfáltico durante 5segundos. La medida de la penetración es la longitud que penetró la agujaen el cemento asfáltico en unidades de 0,1 mm.

Fig. 3.52 Ensayo de Penetración

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Índice de viscosidad. La viscosidad de los lubricantes

disminuye al elevarse la temperatura. Y es necesario conocer los grados de variación, principalmente cuando loslubricantes se van a emplear en maquinas o motores quetrabajan a altas temperaturas.

La escala de los índices de viscosidad fue establecidatomando aceites de diferentes procedencias y clasificándolosdesde 0 (mucha variación) hasta 100 (muy poca variación).En la practica, se consideran:

Bajo: menos de 40Medio: de 40 a 80

Alto: mas de 80

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Untuosidad

Es la capacidad que tienen los aceites de adherirse a lasuperficie de los órganos lubricados. No se valora porque noexiste una unidad de medida ni aparatos normalizados que

permitan su medición.

Punto de inflamación

Es la temperatura a la cual, bajo ciertas condiciones, hay que

calentar un lubricante para que los vapores emitidos se inflamenal aproximar una llama.

7

E d t d i fl ió


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Ensayo de punto de inflamación

Cuando se calienta un aceite, libera vapores que son combustibles. El puntode inflamación, es la temperatura a la cual puede ser calentado con seguridadun aceite, sin que se produzca la inflamación instantánea de los vaporesliberados, en presencia de una llama libre. Esta temperatura, sin embargo,está bastante por debajo, en general, de la que el material entra en combustiónpermanente. Se la denomina punto de combustión (fire point).

Fig. 3.53 Ensayo de punto de inflamación"vaso abierto Cleveland"

El ensayo más usado para medir el punto

de inflamación del aceite es el de "vasoabierto Cleveland" (COC), que consiste enllenar un vaso de bronce con undeterminado volumen de aceite, ycalentarlo con un aumento de temperaturanormalizado. Se pasa una pequeña llama

sobre la superficie del aceite a intervalos detiempo estipulados. El punto de inflamaciónes la temperatura a la cual se handesprendido suficientes volátiles como paraprovocar una inflamación instantánea.

7


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Punto de combustión

Es la temperatura que debe alcanzar un lubricante para que

empiece a arder ininterrumpidamente. Se considerara llegado al punto de combustión cuando el lubricante arda durante cincosegundos por lo menos.

Porcentaje de coquización

Los aceites que son sometidos a temperaturas demasiadoelevadas y que no disponen del aire suficiente para arder

debidamente se carbonizan, produciendo una especie de coqueque perjudica la superficie lubricada. Para determinar latendencia a la coquizacion, se calcula el porcentaje de coque

producido en una atmósfera limitada.

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Punto de congelación

Es la temperatura a la cual los aceites dejan de fluir,solidificándose. Se determina enfriando progresivamente ellubricante en un tubo de ensayo hasta que este se pueda

poner horizontal sin que el aceite se derrame.

Punto de descongelación

Es la temperatura a la cual, en el calentamiento, deja de estar

bloqueada una pieza que había quedado sujeta por ellubricante al congelarse este.

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Poder anticorrosivo

Es la propiedad de un lubricante de proteger a los órganos

mecánicos contra la corrosión. Puede mejorarse añadiendoagentes anticorrosivos

Poder antioxidante

Es la propiedad de mantenerse estable a altas temperaturas, conla cual, al no oxidarse el lubricante, tampoco aumenta su acidez,y no se forman en su seno partes insolubles que con el tiempooriginarían lodos.

Poder antiespumante

Es la propiedad de impedir la retención de burbujas de aire en elaceite. Se mejora añadiendo agentes que reducen la tendencia aformar espuma.

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Poder detergente

En los motores de explosión se producen residuos en el procesode la combustión y de la descomposición del lubricante quecontribuyen al rápido desgaste de sus distintos órganos. Por estarazón se añaden al lubricante productos detergentes quearrastran los posibles sedimentos y los mantienen en suspensión

en el aceite.

Poder lubricante a elevadas presiones

Es la capacidad de mantener la película lubricante entre lassuperficies de las piezas aun en el caso de someterlas a elevadas

presiones untadas.

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Clasificación

Según su consistencia, los lubricantes se pueden clasificar en:

Sólidos.

Pastosos.

Líquidos.

Dentro de cada clase, pueden ser de origen mineral, vegetal yanimal.

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Lubricantes sólidos:


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Los lubricantes sólidos se emplean cuando las piezas han defuncionar a temperaturas muy extremadas y cuando

intervienen elevadas presiones unitarias.Los mas empleados son el grafito y el bisulfuro demolibdeno, que sirven para fabricar cojinetes auto lubricadosy como aditivos de aceites y grasas. También se emplean para

el mismo fin materiales tan variados como talco, mica,azufre, parafinas, etc.

Tratamiento Lubsec

Es un tratamiento que tiene por objeto recubrir con una capade lubricante seco las superficies de fricción de las piezas. Serealiza dando a la pieza un fosfatado al magnesio o al zinc yaplicando encima una capa de polvo impalpable demolibdeno disperso en una resina termoestable.

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L b i t t


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Lubricantes pastosos – grasas

Las grasas son dispersiones de aceite en jabón. Se emplean

para lubricar zonas imposibles de engrasar con aceite, bien por falta de condiciones para su retención, bien porque laatmósfera de polvo y suciedad en que se encuentra lamaquina aconseja la utilización de un lubricante pastoso.

Una de las características mas importantes de las grasas es elpunto de goteo , es decir, la temperatura mínima a la cual lagrasa contenida en un aparato especial empieza a gotear por un orificio situado en la parte inferior. Es muy importante, yaque permite conocer la temperatura máxima de empleo.

Según el jabón que las forma, las grasas pueden ser cálcicas,sódicas, al aluminio, al litio, al bario, etc. Y suscaracterísticas y aplicaciones son las siguientes:

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Grasas cálcicas. Tienen un aspecto mantecoso, son insolublesen agua, resisten 80 °C y son muy económicas. Se emplean

para lubricar rodamientos situados en los chasis de losautomóviles y rodamientos de maquinas que trabajen a pocavelocidad y a menos de 70 °C.

Grasas sódicas. Tienen un aspecto fibroso, son emulsionablesen agua, resisten 120 °C. Se emplean para rodamientos en queno haya peligro de contacto con el agua.

Grasas al aluminio. Son de aspecto fibroso y transparente,

insolubles en el agua, muy adhesivas y muy estables. Resistenhasta 100 °C. Se emplean en juntas de cardan, cadenas,engranajes y cables.

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Grasas al litio. Son fibrosas, resisten bastante bien el aguay pueden utilizarse desde — 20 hasta 120°C. Se emplean para aplicaciones generales (rodamientos, pivotes demangueras en automóviles), conteniendo, si es necesario,

bisulfuro de molibdeno.

Grasas al bario. Son fibrosas y mas resistentes al agua quelas de litio, y su máxima temperatura de empleo es de180°C. Se emplean para usos generales.

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Lubricantes líquidos:

Llamados en general aceites lubricantes, se dividen en cuatrosubgrupos:

Aceites minerales. Obtenidos de la destilación fraccionadadel petróleo, y también de ciertos carbones.

Aceites de origen vegetal y animal. Son denominadostambién aceites grasos y entre ellos se encuentran: aceite delino, de algodón, de oliva, de tocino, glicerina, etc.

Aceites compuestos. Formados por mezclas de los dos primeros, con la adición de ciertas sustancias para mejorar sus propiedades.

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Aceites sintéticos. Constituidos por sustancias liquidas

lubricantes obtenidas por procedimientos químicos. Tienenla ventaja sobre los demás de que su formación decarbonillas es prácticamente nula; su inconveniente consisteen ser mas caros.

Entre los subgrupos mencionados, merecen especialatención los aceites minerales, por ser los lubricanteslíquidos mas empleados. Se obtienen por la destinación del

petróleo bruto. Una vez destilados, son convenientementetratados para purificarlos y mejorar sus propiedades básicascon aditivos.

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Selección de lubricantes

Actualmente están desapareciendo en la industria losllamados lubricantes para uso general, que han sidodesplazados por los adecuados a cada aplicación especifica.Según sea esta, se pueden citar los siguientes:

• Para cojinetes a fricción. • Para rodamientos a bolas y rodillos

.• Para engranajes. • Para automóviles.

• Para compresores frigoríficos. • Para compresores de aire.

• Para la industria textil. • Para turbinas hidráulicas.• Para maquinas de vapor. • Para mandos hidráulicos.

• Para mecanizado de metales. • Para transformadores eléctricos.

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Lubricantes para cojinetes a fricción

Para esta aplicación interesa fundamentalmente la viscosidaddel aceite, la cual deberá elegirse de acuerdo con lascondiciones de trabajo, carga que actúe sobre el eje,velocidad de giro y temperatura de funcionamiento, con

objeto de poder mantener un espesor mínimo de película. Enla tabla II se exponen las viscosidades mas genéricas.

Todos los lubricantes tienen su nivel de viscosidad, medidosiempre en grados Engler a 50° de temperatura, que indicansu aplicación.

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Cargas kg/cm2 Veloc.lineal

m/seg

Temperatura de Viscosidadtrabajo °C Engler 50°

MuyligerasLigerasMediasPesadas

hasta 2de 2 a 10

de 10 a 80mas de 80

de 0,2 a 10de 5 a 10de 0,2 a 5de 0.l a 1de 1 a 2,5

de 2,5 a 10

hasta 50°hasta 50°hasta 50°hasta 50°

de 1,6 a 2de 4,3 a 6

de 4,12de 10, 8

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Lubricantes para rodamientos

En general, los rodamientos se lubrican con grasa que los protege de la oxidación y la corrosión, así como contra la penetración de polvo. Debido a que las grasas son menosfluidas que los aceites, permanecen durante mucho tiemposin tener que reponerse. Las mas utilizadas son las sódicas.

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Lubricantes para engranajes


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Lubricantes para engranajes

Al seleccionar lubricantes para engranajes, deben

considerarse los siguientes factores:• Tipo de engranaje (cilíndrico, cónico, etc.).

• Velocidad de funcionamiento.

• Potencia transmitida.

• Temperatura de trabajo.

• Régimen de funcionamiento (con o sin cheques).

• Procedimiento de engrase (inmersión, chorro).

La viscosidad de estos aceites debe estar en proporcióndirecta con la potencia, temperatura y régimen defuncionamiento, y en proporción inversa con la velocidad.

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Fluidos para mandos hidráulicos


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Las características que deben reunir los fluidos para mandos hidráulicos sonlas siguientes:

• Propiedades antiespumantes, desemulsionantes, antioxidantes yanticorrosivas.

• Punto de inflamación elevado.

• Estabilidad al batido al cual se los somete.

• No atacar al caucho o a los materiales de las juntas.

• Viscosidad apropiada.

Para los circuitos hidráulicos, suelen adaptarse y emplearse dos tipos defluidos: aceites de petróleo y fluidos sintéticos, siempre con los aditivos

necesarios para que cumplan las especificaciones.En los circuitos hidráulicos es muy importante que una de lasespecificaciones, como es la antiespumosidad se verifique, ya que si formaseespuma, esta contendría aire y habría que purgar continuamente loscircuitos, con las consiguientes repercusiones en el trabajo.

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Lubricantes para automóviles:

Debido al gran consumo de lubricantes originado por elautomóvil, se ha desarrollado una gama completa de ellos quecubre todas las necesidades determinadas por las condicionesespeciales a que son sometidos.

Aceites para motores

Son aceites con aditivos contra la corrosión y oxidación, por las altas temperaturas a que deben funcionar. Respecto de sus

propiedades, estos aceites se dividen, según la SAE, en trescategorías principales:

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Aceite Regular (normal o ML). Mineral, sin aditivos y para trabajosligeros y moderados corrientes.

Aceite Premium (de primera o MM). Con aditivos antioxidantes yanticorrosivos y con un ligero poder detergente.

Aceite Heavy Duty (detergente, HD o servicio pesado MS). El cualademás de antioxidante y anticorrosivo, es detergente. Se emplea paramotores destinados a trabajos fuertes. A esta categoría pertenecen

también los aceites especiales para motores Diesel, de gran poder detergente. (Servicio DG), para esfuerzos y temperaturas normales.

Suplemento 2 (Servicio DS), para esfuerzos muy duros y temperaturasmuy elevadas. La viscosidad de los aceites para motores se indicamediante los numero SAE, siendo mas alta cuanto mas lo es el numero:

• SAE-5W, SAE-10W, SAE-20W (para frió riguroso)

• SAE-20W, SAE-30, SAE-40, SAE-50

Multigrado9


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Aceites para las cajas

de cambio y el diferencial

Contienen aditivos (cloro, azufre, fósforo) para mantener la película de aceite mínima a las elevadas presiones de trabajode los engranajes de cambio y del diferencial. La clasificaciónSAE de las viscosidades es la siguiente: SAE-75, SAE-80,SAE-40, SAE-140, SAE-240

No deben emplearse para motores, ya que los aditivos quecontienen son adecuados única y exclusivamente para lasaplicaciones especificas del aceite, y podrían originar gravesaverías.

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Fluidos de corte:

Los aceites empleados para el mecanizado de los metalesofrecen las siguientes ventajas:

Lubrican el corte, aumentando la duración de la herramienta.

Refrigeran la herramienta, prolongando la duración del filo.

Protegen las piezas contra la corrosión y la oxidación.

Limpian las piezas de partículas y virutas, arrastrándolas.

Actualmente se emplean tres clases de fluidos de corte:aceites puros, aceites solubles y fluidos de corte sintéticos.

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Aceites puros. Son aceites minerales o grasos, o bienmezclas de los dos. Poseen un elevado poder lubricante, perono refrigeran tanto como los líquidos acuosos.

Aceites solubles o taladrinas. Emulsiones de aceitesminerales a base de agua, que adquieren un color blancolechoso. Según sea la proporción aceite-agua (1:5 a 1:150),

predomina el poder lubricante o el refrigerante.

Fluidos de corte sintético. Líquidos a base de agua que no

incluyen derivados del petróleo. Contienen jabones para lalubricación convencional, aditivos sintéticos lubricantes,nitratos, fosfatos, etc.

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ADITIVOS EN LUBRICANTES Y COMBUSTIBLES

Los aditivos son sustancias químicas que se añaden en pequeñas cantidades a los aceites lubricantes para

proporcionarles o incrementarles propiedades, o parasuprimir o reducir otras que le son perjudiciales.

Podemos mencionar que la misión de un aditivo es misión deapostolado, pues no es preciso ni suficiente el que al ser mezclado con las masas o volumen total del aceite continúe

preservando sus buenas cualidades, por el contrario la debetransferir a toda ella ennobleciéndola.

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Bases de Aceite

Existen las bases minerales y las bases sintéticas.

Las bases minerales son obtenidas mediante la destilación del

crudo, mas que nada del crudo parafínico. Las bases sintéticasse hacen mediante procesos sintéticos preparando las moléculasde sustancias simples para tener propiedades de precisiónrequerida.

Las principales clases de material sintético usado para mezclar el lubricante son:

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Tipos Aplicación Principal

Oligomeros de olefinas (PAOs) Automotriz e Industrial

Esterol bibásico Aviación y Automotriz

Polioles de esterol Aviación y Automotriz

Alquilatos Automotriz e Industrial

Polialquilenos Industrial

Fosfato-Esterol Industrial

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Polialfoleinas: Son las bases sintéticas mas usadas, tienen


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buena estabilidad térmica, pero requieren antioxidantes, y tienencapacidad limitada para disolver algunos aditivos.

Esterol Dibásico: Tienen buena estabilidad térmica y excelentesolvencia. Fluyen limpiamente y tienden a disolver barniz ysedimentos, no dejan depósitos. Deben proveerse de aditivosselectos para evitar la hidrólisis y proveer una estabilidad deoxidación.

Polioles de esterol: Tienen estabilidad térmica excelente yresisten la hidrólisis.

Alquilatos: Tienen buenas propiedades a baja temperaturas yson muy solubles con los aditivos.

Glicoles polialquilenos: Tienen buena estabilidad a altastemperaturas y altos índices de viscosidad, pueden usarse enrangos amplios de temperaturas.

Fosfato-esterol: Tienen estabilidad térmica, con índice deviscosidad bajos que limita sus capacidades a altas temperaturas

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Aditivos para Lubricantes

Los aditivos pueden dividirse en dos grandes grupos, según losefectos que producen:

Inhibidores destinados a retardar la degradación del aceiteactuando como detergente-dispersantes, antioxidantes,anticorrosivos, agentes antidesgaste, agentes alcalinos y agentesanti emulsificadores.

Aditivos que mejoran las cualidades físicas básicas con acciónsobre el índice de viscosidad, el poder antiespumante, el sellado, laoleosidad, la extrema presión y la rigidez dieléctrica.

La clasificación anterior no quiere decir que para conseguir cadacualidad sea preciso la mezcla de un aditivo diferente, ya que en elmercado existen productos que proporcionan varias ventajassimultáneamente.

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ACEITES SINTÉTICOS


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ACEITES SINTÉTICOS

Producto elaborado a partir de una reacción química entre varios

materiales de bajo peso molecular para obtener otro de alto pesomolecular con ciertas propiedades especificas superiores a loslubricantes derivados del petróleo

Todas las cadenas de moléculas son iguales, del mismo tipo ytamaño.

Se hacen con cadenas de hc , por lo que sufrirán los mismosproblemas que los minerales (oxidación, efectos de latemperatura y reacciones químicas)

Se crean a la medida, o sea resistentes a altas temperaturas,

buena fluidez a bajas temperaturas, etc.

Estos lubricantes antes dañaban los sellos, ahora al mezclarse,por ejemplo las pao con diesteres, se producen lubricantes queno dañan sello

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100/103

Características y ventajas

Elevado índice de viscosidad . Mayor de 100

Excelente estabilidad térmica

Buena resistencia a la oxidación (altas temperaturas, gases,catalizadores como el cobre)

No son inflamables

Producen protección contra la corrosión

Baja tendencia a la formación de espuma

Alta adhesividad a las superficies metálicas Conservación de la energía: reducen el consumo de la energía

(roce produce calor, y la temperatura elevada desperdiciode energía)

100


101/103

Desventajas

Son mas costosos (4-8 veces el aceite mineral)

No se deben mezclar

Algunos se evaporan fácilmente (no se debe chequear periódicamente)

101


102/103

Clasificación

Su clasificación es igual que los de base mineral (iso) ylas grasas (nlgi)

Polialfaolefinas (pao) aceite súper refinado

•Índice de viscosidad alto > 135

•Excelente fluidez a bajas temperaturas

•Posee gran estabilidad térmica

•Excelente resistencia a la oxidación

102


103/103

Aplicaciones

Se usan ampliamente en la formulación de aceites automotores(motor, engranajes e hidráulicos)

Características pao parafinas

Viscosidad cst 100 º c 10.75 5.15

cst 40 ºc 29.50 29.7

Índice de viscosidad 140 100

Punto de fluidez, ºc -60 +5

Punto de inflamación, ºc 235 218

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