Analogía Hidráulica-Eléctrica, Parte 2: Voltaje y Presión

La discusión del mes pasado ilustró cómo el voltaje y la presión alimentan sus respectivos elementos fundamentales: electrones y moléculas de fluido. El voltaje es una medida de la diferencia de energía potencial por unidad de carga entre dos puntos en un circuito u otro espacio eléctrico. La unidad de voltaje es voltios. El voltaje es la energía por unidad de carga, medida en Newton-metros por culombio. Lo que importa es el elemento fuerza (Newton).

El voltaje está representado por dos símbolos algebraicos diferentes: V y E. La fuente de V debería ser obvia, pero ¿de dónde viene E?El antiguo nombre de voltaje es fuerza electromotriz, que a veces todavía se abrevia como fem. Los primeros conceptos eléctricos utilizaron el flujo de fluidos como un proceso similar e idéntico. Solo después de que Georg Simon Ohm afirmara que la corriente y el voltaje están relacionados linealmente, los científicos entendieron que las propiedades eléctricas y de los fluidos son similares, pero no matemáticamente iguales.

Muchas personas generalmente reservan la letra E para fuentes de voltaje, como baterías y generadores, mientras que la V generalmente se reserva para pérdidas de voltaje, generalmente causadas por resistencia y otros factores de bloqueo. El uso de mayúsculas y minúsculas suele distinguir entre valores de estado estacionario (mayúsculas) y cantidades que varían con el tiempo (minúsculas).

Al igual que el voltaje, la presión es una medida de la diferencia de energía potencial entre dos puntos en un circuito o espacio. Se expresa como fuerza por unidad de área, por ejemplo lb/in.2(psi) o N/m2(Pascal). Los pascales tienen muy poca presión y lo solemos usar con el prefijo mega (MPa).

Con una simple manipulación de unidades, se puede pensar que la presión está relacionada con la energía potencial. Por ejemplo, multiplique tanto el numerador como el denominador de psi por pulgadas para obtener la energía por unidad de volumen:

psi × pulg./pulg.= lb-pulg/pulg.3

La palabra clave para presión es diferencia porque es una medida de la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito.

Medir voltaje y presión

El voltaje y la presión se midieron con un voltímetro y un manómetro, respectivamente. Ambos son dispositivos de doble terminal. Es decir, se deben realizar dos conexiones al instrumento. Este hecho a menudo se pierde en los manómetros debido a la forma en que están hechos y la forma en que elegimos enseñar a los estudiantes cómo usarlos.

Para ilustrar esto, primero considere un sensor de presión diferencial o un manómetro de presión diferencial. Los símbolos esquemáticos se muestran en la Figura 3. La estructura del transductor no está incluida en el símbolo. Puede ser un tubo de Bourdon para una pantalla puramente mecánica o un elemento de inducción electromagnética con un diafragma deflectable y salida de señal eléctrica. No lo sabemos, en este punto, no nos importa. Pero tiene dos conexiones de entrada porque la presión es una medida de la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito.

Si el terminal positivo está conectado al puerto de salida de la bomba en funcionamiento y el terminal negativo no está conectado a nada, la lectura de presión será una medida de la diferencia entre la presión de salida de la bomba y la presión atmosférica. Por otro lado, si la terminal negativa está conectada a un vacío casi perfecto, la lectura será una medida de la presión absoluta en la salida de la bomba. Si el terminal negativo está conectado al puerto de salida de una válvula de control, la lectura será la diferencia de presión entre la salida de la bomba y la salida de la válvula. Por lo general, esta será la caída de presión a través del elemento de medición de la válvula. El caso es que el instrumento tiene dos terminales, pero el usuario conecta ambos o solo uno. Si lo hace, determina lo que significa la lectura de presión diferencial.

Entonces, ¿cómo se convierte un manómetro de tubo de Bourdon ordinario de puerto único en un dispositivo de presión diferencial?Obviamente, no hay un segundo puerto de tubería. La clave para comprender su medición diferencial es considerar los aspectos mecánicos del elemento sensor del tubo de Bourdon. El puerto activo está conectado al circuito hidrodinámico y la presión dentro del tubo endereza la punta. Al mismo tiempo, la presión atmosférica actúa en el exterior del tubo, y si la atmósfera está a cierta presión absoluta, esa presión intentará empujar el tubo de vuelta a su estado relajado, tratando de eliminar lo que hace la presión interna. Si el tubo está rodeado por una carcasa sin fugas y la carcasa está equipada con accesorios externos,

Un sensor de presión absoluta es un dispositivo de detección diferencial. Sin embargo, un puerto siempre está conectado a la cámara interior casi completamente evacuada. Entonces lee la presión absoluta de cualquier puerto al que esté conectado un puerto.

Los voltímetros siempre tienen dos conexiones disponibles para el usuario. Los practicantes de electrohidráulica pueden usar un multímetro digital portátil. Una de las dos conexiones está etiquetada como +, V, A u O y va al cable rojo. El otro está etiquetado como «COMM» y conectado al cable negro. Esta práctica ayuda a mantener la notación algebraica correcta, lo cual es importante, especialmente si está utilizando un sistema de control automático. Lo más importante es que ambos cables deben estar conectados al circuito bajo prueba para obtener una lectura de voltaje utilizable. Un multímetro digital es el instrumento elegido en un juego de herramientas electrohidráulica bien equipado.

Cero absoluto de presión y tensión

La idea de una condición de estrés cero absoluto es concebible, si no es posible en la práctica. Si pudiera eliminar por completo todas las moléculas de gas en un recipiente hermético, la presión dentro del recipiente sería absolutamente cero. Para todos los propósitos prácticos, se pueden eliminar suficientes moléculas de gas para lograr un vacío perfecto práctico y se pueden construir instrumentos de presión absoluta.

Los voltajes son diferentes, y ahí es donde la analogía empieza a fallar. No existe una condición de voltaje cero absoluto. La consecuencia más importante de esta realidad es que no existe cavitación en el circuito. Para satisfacer las leyes físicas de la electricidad, el voltaje puede ser negativo. El estrés no es así. Si un área en el circuito hidráulico baja lo suficiente, comienza a salir gas del fluido (desgasificación) y la presión nunca cae por debajo del cero absoluto. El gas en el aceite hidráulico puede causar fallas graves en todo tipo de máquinas hidráulicas.

En cambio, el voltaje alcanzará el valor negativo requerido para satisfacer todas las leyes físicas relevantes. Los conceptos de entrada medida y salida medida básicamente no tienen sentido en los circuitos. Si desea apagar el motor, puede colocar un interruptor en cualquiera de las dos terminales del motor, no así con los motores hidráulicos.

La figura 5 contiene un circuito de motor de CC simple y un circuito de motor hidráulico igualmente simple. El circuito del motor eléctrico tiene dos interruptores de control y el circuito del motor hidráulico tiene dos válvulas de encendido y apagado. La idea es comparar cómo se detienen los dos motores y cómo difiere la elección de interruptores o válvulas en los dos circuitos.

Comencemos con las dos fuentes de alimentación energizadas, el interruptor y la válvula en las posiciones que se muestran y el eje del motor girando. Como se muestra, ambos interruptores eléctricos están en la posición cerrada (conducen) y ambas válvulas hidráulicas están en la posición abierta (también conducen). Entonces, un interruptor eléctrico cerrado es similar a una válvula hidráulica abierta y viceversa.

Válvulas e interruptores

Ahora, asumiendo que ambos interruptores están cerrados y que el motor está encendido y funcionando normalmente, abrimos el interruptor 1. Es decir, el circuito se interrumpe al mover la parte móvil del interruptor. Esta acción elimina la energía del motor para que se detenga por inercia. Cuando se detiene por inercia, el motor funciona como un generador con energía almacenada a partir de la inercia del rotor y/o la inercia de la carga. Cuando se disipa toda la energía de inercia, el motor se detendrá. Si encendemos el Switch 2 en lugar del Switch 1, el resultado es el mismo. El motor se apaga y, cuando se disipa toda la energía de inercia, el motor se detiene por inercia. Si necesitamos detener el motor repentinamente, debemos usar un método más robusto llamado frenado dinámico. El frenado dinámico recupera la energía eléctrica de un motor que gira, creando una carga que reduce la velocidad del motor.

Detener un motor hidráulico es mucho más complicado: la válvula 1 se llama acelerador de entrada porque está en el circuito de entrada de energía del motor. La válvula 2 se llama acelerador de salida porque está ubicada en la salida del motor. Ahora, con el motor funcionando normalmente y la válvula en la posición que se muestra, cambiar abruptamente la válvula 1 a su posición bloqueada (cerrada) cortará la alimentación al motor. Debido a la inercia del motor (baja comparada con la inercia del rotor del motor) y su carga, el motor continuará girando y la presión en la línea entre la válvula 1 y el motor caerá bruscamente, acercándose a condiciones de vacío. La baja presión hace que la parte superior del circuito se desinfle a medida que su fluido se extrae de la línea mientras el motor de la montaña rusa funciona como una bomba por inercia.finalmente,

El papel externo de un motor hidráulico es similar al de un motor eléctrico. Sin embargo, se debe evitar la desgasificación porque el aire extraído de la solución puede entrar en el depósito donde la bomba puede aspirarlo y causar daños por cavitación. La desgasificación se puede evitar mediante el uso de una solución simple llamada circuito anticavitación.

Pero, ¿qué pasa si llevamos la válvula 2 a su posición de bloqueo?La respuesta del motor no se puede predecir por completo sin saber más sobre el circuito. Sin embargo, alguna idea ayuda a señalar el problema. Si la válvula se bloqueara repentinamente, la presión en el «lado bajo» del motor aumentaría repentinamente porque la carga y la inercia del motor harían que el motor funcionara como una bomba. El desplazamiento positivo del motor ahora en modo de bombeo hará que el lado bajo suba a un nivel que podría dañar el motor y/o el circuito. Cuando la inercia de la carga es alta, el posible daño podría ser un eje del motor roto o una ruptura del llamado tubo del «lado bajo». El punto es que la comparación uno a uno entre los circuitos eléctricos e hidráulicos crea problemas en los circuitos hidráulicos.

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