Sensores de Presion Temperatura y Caudal
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS
INSTRUMENTACION
SENSORES DE PRESION
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Los instrumentos de presión se clasifican en: P Mecánicos P Neumáticos P electromecánicos y electrónicos
Los elementos primarios elásticos mas
empleados son:
P Tubo de Bourdon P Elemento espiral P Helicoidal P Diafragma
P Fuelle
INSTRUMENTACION
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Transductor resistivo
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Transductor resistivo
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Transductor resistivo
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TRANSDUCTOR MAGNETICO
LVDT: Transformador diferencial de variación lineal
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TRANSDUCTOR MAGNETICO Inductancia variable
LVDT: Transformador diferencial de variación lineal
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Transductor magnetico
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Transductor capacitivo
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TRANSDUCTOR CAPACITIVO
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TRANSDUCTOR PIEZOELECTRICO
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Piezoelectrico
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Galgas extensométricas
Los elementos de galgas
extensiométricas se basan
en la variación de longitud
y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.
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Galgas extensométricas
Existen dos tipos de galgas extensiométricas:
Galgas cementadas: formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico.
Galgas sin cementar: donde los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.
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0 0
3
2
6
+
-
OUT
3
2
6
+
-
OUT
10k 100k
10k
3
2
6
+
-
OUT
100k
1k
1k
4.75V
3
2
6
+
-
OUT
Q1
Vcc
Vcc
Vcc
-Vcc
-Vcc
-Vcc+
-
V2
V1
Vref
Vcc
Vcc
-Vcc
LM 311
BUZZER
etapa de amplificacion etapa de alarma
Sensor
Vo
55 ohm
55 ohm
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Especificaciones de LVDTs y RVDTs
Las especificaciones típicas de los LVDT´s y RVDT´s
son las siguientes:
• a) Rangos de fondo de escala: Desde {0.0 a 0.050}
hasta {0.0 a 10} pulgadas
• b) Linealidad: Aproximadamente 0.25% de error
sobre el fondo de la escala.
• c) Resolución mínima: Entre 0.002 mm y 0.003 mm.
• d) Respuesta dinámica: Más baja que la frecuencia
de excitación (< 2.5 KH).
• e) Devanados secundarios: Se conectan con
marcas de polaridad invertida de tal forma que su
comportamiento sea bipolar (ver figura 2.18).
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LVDT
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LVDTs y RVDTs (transformadores diferenciales lineales y angulares)
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Curva de transducción para LVDTs y RVDTs
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Elementos de acondicionamiento para LVDTs y RVDTs
Fuente Oscilador LVDT o Entradade poder RVDT (Desplaza-
miento)
Salida Amp Filtro Demodulador
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Acondicionamiento de LVDT con circuito integrado dedicado
LVDT
Oscilador Amp
Amp
Filtro
Filtro Dem
odulador
AD598
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Acondicionamiento de LVDT con elementos discretos
LVDT
demodulador
filtro
Amplificador de
instrumentación
-
+
D1
D2
C R1
R2
Vex
Vsalida
+Vcc
-Vcc
Flecha
del núcleo
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Transmisor de presion manometrica por piezas
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Sistema de medicion por capacitancia
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Diagrama de la electronica tx capacitivo
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La formula de caudal obtenidos con los elementos de presión diferencial se basa en la aplicación del teorema de Bernouilli (altura cinética + altura de presión + altura
potencial = cte.) a una tubería horizontal.
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En la siguiente figura pueden verse los valores de las presiones a lo largo de la tubería en una placa de orificio o diafragma.
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Si Pa, Pc y Va, Ve son las presiones absolutas y velocidades en la zona anterior a la placa de donde el fluido llena todo el conducto y en la vena contraída respectivamente, y Sa, Sc son las secciones siguientes:
VcScVaSayPo
PcVc
Po
PaVa
22
22
siendo Por la densidad (masa por unidad de volumen) del fluido, habiendo supuesto que Po no varía en toda longitud estudiada de la vena.
De aquí se obtiene:
Po
PcPa
Sa
VcScVc 2
2
222
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WoPPgQ
QCjme
)(2)πD(100
21
2
Formula:
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1.0 LINEAL Con esta función, la relación entre entrada (variable medida expresada
en % del campo de calibración) y salida es lineal. Es decir, a una entrada del 0% le corresponde una salida del 0% (4 mA), al 50% le corresponde el 50% (12 mA), al 100% le corresponde una salida del 100% (20 mA).
2.0 RAÍZ CUADRADA (X) Con esta función, la salida (en % del alcance) es proporcional a la raíz
cuadrada de la entrada, expresada en % del campo de calibración. Es decir, el instrumento puede entregar una señal analógica de salida proporcional a la medida de caudal. Tal función, sin embargo, tiene la característica de una ganancia “salida/entrada”
muy alta para la entrada cercana a cero, con consiguiente posibilidad de inestabilidad de la salida.
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Para impedir este inconveniente, en el primer tramo de la función el transmisor produce una salida modificada con respecto a la teórica, lineal en lugar de cuadrática. Asimismo, esto facilita el ajuste de cero del instrumento y reduce los errores de cero para las variaciones de la temperatura ambiente.
La característica “lineal” es operativa para valores de entrada de
hasta el 4% del campo con la posibilidad de elección (mediante un configurador) de las siguientes soluciones ofrecidas por el transmisor.
Para convertir los valores de presión, en el intervalo del campo de calibración, en los correspondientes valores de caudal, primero expresar los valores de presión en porcentaje y luego extraer la raíz cuadrada multiplicándola por 10. Por ejemplo:
Transmisor calibrado en 0 - 400 mbares, con presión de entrada
igual a 196 mbares. El caudal, en porcentaje, se determina como sigue: 196/400 X 100 = 49% (Presión, en % de su campo de calibración) √ 49 x 10 = 70% (Caudal, en % de su campo de calibración) Para convertir el valor del caudal (%) en el correspondiente valor de
salida del transmisor (corriente), primero se debe dividir el valor de caudal por 100 y luego, multiplicar el valor obtenido por 16 mA, agregando el “cero vivo” de 4 mA (ver también las figuras):
70% (Caudal)/100 x 16 mA + 4 mA. = 15,2 mA c.c.
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El instrumento se compone de dos unidades funcionales: - Transductor Primario - Transductor Secundario El Transductor Primario incluye el sensor y la interfaz hacia el proceso, el
Transductor Secundario incluye la electrónica, la bornera y el estuche. Las dos unidades están unidas entre sí con un acoplamiento roscado. Las electrónicas del Transductor Secundario están basadas sobre componentes integrados en un único circuito denominado ASIC (sigla proveniente de Application Specific Integrated Circuit), Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas.
A continuación se explica el principio de funcionamiento del Transductor Primario. El fluido de proceso (líquido, gas o vapor) actúa con una presión sobre la
membrana de medida del sensor a través de las membranas de separación, los tubos capilares, el fluido de llenado (ver la Fig. 2a) y el sensor inductivo. La membrana de medida se flexiona en función de la presión diferencial aplicada, modificando así, el espacio "disco (móvil) / núcleo de bobina (fijo)" de los dos circuitos magnéticos que se hallan en los dos costados de la membrana de medida. Lo anterior provoca un cambio del valor inductivo de cada bobina.
![Page 62: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/62.jpg)
La unidad también incluye un sensor de temperatura. La electrónica del transductor primario elabora la señal de temperatura ST, junto con los dos valores inductivos, L1 y L2, para producir una señal propietaria estándar. Durante el proceso productivo, los datos característicos de cada Transductor Primario, junto a los coeficientes de compensación obtenidos mediante la comparación a varias temperaturas y presiones, se ingresan y almacenan en la memoria de la Electrónica primaria.
Siempre manteniendo la modularidad en la construcción, se
puede adoptar un sensor diverso del inductivo. Se trata de un sensor piezoresistivo. El módulo se suelda en su
totalidad en un sistema de cámaras-gemelas con un diafragma integral
![Page 63: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/63.jpg)
de sobrecarga, un sensor interno de presión absoluta y un sensor de silicona de presión diferencial. El sensor de presión absoluta, expuesto solamente a la presión del lado positivo, actúa como valor de referencia para compensar el valor de presión estática. El sensor de presión diferencial está conectado al lado negativo mediante un tubo capilar. La presión diferencial aplicada (dp) / la presión absoluta (pabs) es transferida a los diafragmas del sensor de silicona de presión a través de las membranas de separación y el fluido de llenado.
Una mínima flexión del diafragma de silicona cambia la salida de tensión del sistema de captación (pick-up). La tensión es proporcional a la presión, convertida por una unidad de cálculo y amplificadores en una señal eléctrica. En base al modelo, el transmisor está conectado al proceso a través de bridas ovales con fijaciones roscadas según DIN 19213 (M10/M12) o bien 7/16 - 20 UNF, 1/4 - 18 NPT Hembra roscado o bien separadores remotos.
Luego, los valores de medida y los coeficientes de compensación se transfieren al Transductor Secundario, donde se produce, mediante el microprocesador, la elaboración y la conversión en la señal de transmisión. Esto es matemáticamente compensado para responder a las prestaciones de linealidad requeridas en varias condiciones ambientales (temperatura) y de ejercicio (presión estática). En la memoria del Transductor Secundario se almacenan informaciones específicas del instrumento:
![Page 64: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/64.jpg)
El microprocesador recibe los datos del módem interno y administra la comunicación digital bidireccional con el dispositivo de configuración, es decir el comunicador portátil o el configurador sobre la computadora personal.
![Page 65: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/65.jpg)
![Page 66: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/66.jpg)
MEDIDOR DE TURBINA
![Page 67: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/67.jpg)
DB
EKQresultavQ s
4
πD2
La formula de caudal que da la ley de Faraday es la siguiente:
Es = K B l v Es = tensión generada en el conductor K = constante B = densidad del campo magnético L = longitud del conductor V = velocidad del movimiento
MEDIDOR ELECTROMAGNETICO
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D
ttgaCV
2
2
t
a).- (haz único) En uno de los modelos más sencillos la velocidad del
fluido esta determinada por la siguiente formula:
en la que:
V = velocidad del fluido
C = velocidad del sonido en el fluido
= ángulo de haz del sonido con relación al aje longitudinal de la tubería
= diferencia entre los tiempos de tránsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.
MEDIDOR ULTRASONICO
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Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenomenos que son influidos Por la temperatura y entre los cuales figuran:
Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos ( solidos , liquidos o gases ) Variacion de resistencia de un conductor.( sondas de resistencia ) Variacion de la resistencia de un semiconductor ( termistores ) F.e.m. Creada en la union de dos metales distintoos ( Termopares ). Intencidad de la radiacion total emitida por el cuerpo.
TEMPERATURA
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Termometros de vidrio
Mercurio - 35 a 280˚C Pentano -200 a 20 ˚C Alcohol -110 a 50 ˚C
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Termometro de bulbo
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Termometro bimetalico
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Clase I : Term. Actuados por liquidos Clase II :Term. Actuados por vapor. Clase III : Term. Actuados por gas. Clase IV : Term. Actuados por mercurio
Termometros de bulbo
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TERMOMETROS DE BULBO
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RTD
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t = Temp.°C Rt = Resistencia temp. T en Ω Ro = resistencia a 0 °C R100 = Resistencia a 100 °C δ = Constante de calentamiento ( aprox. 1.50 )
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La relación entre resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión: Rt = Roe
β en la que: Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt Ro = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia To Β = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas B = E/K E = Nivel de energia K = Constante de boltzmann = 8.625 E-5 e V/K
TERMISTOR
( 1/Tt – 1/To )
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TERMISTORES
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UNION DE JUNTA FRIA
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Materiales de Unión Rango de temperatura
en º C
Variación de
voltaje en rango de
mv.
Designación ANSI
Cables
Colores
+ --
Platino 6%
radio / platino 30% 38…1800º C 13.6 B
Clomel / constantan 0…982º C 75.0 E Púrpura Rojo
línea:Purpura
Hierro / constantan -184…760º C 50.0 J Blanco Rojo
Clomel / alumel -184…1230º C 56.0 K
Platino / platino
radio 13% 0…1593 18.7 R Negro
Rojo
línea: azul
Cobre / constantan -184…400º C 26.0 T
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MEDICION DE pH
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En 1909, el químico danés Sorensen definió el potencial hidrógeno ( pH ) como el logarítmo negativo de la concentración molar ( mas exactamente de la actividad molar ) de los iones hidrógeno. Esto es: pH = - log [H + ] Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando asi el manejo de cifras largas y complejas. Por ejemplo, una concentración de [H+] = 1x10-8 M ( 0.00000001) es simplemente un pH de 8 ya que : pH= - log[10-8] = 8 La relación entre pH y concentración de iones H se puede ver en la siguiente tabla, en la que se incluyen valores típicos de algunas sustancias conocidas:
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![Page 113: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/113.jpg)
La determinación del pH en el agua es una medida de la tendencia de su acidez o de su alcalinidad. No mide el valor de la acidez o alcalinidad ( vea el método de determinación de alcalinidad ). Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación industrial. El valor del pH en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante, y en las plantas de tratamiento de agua. Este método determina el pH , midiendo el potencial generado ( en milivolts ) por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivolts generados hacia al circuito de medición.
![Page 114: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/114.jpg)
La cadena electroquímica de este sistema de medición es : Hg / Hg2Cl2-Sol Sat KCl // Vidrio/HCl 0.1N/Ag-AgCl En el siguiente esquema se muestran los electrodos utilizados:
P viene de potencial H es el símbolo del hidrogeno. DEFINICION Es el grado de medida de la acidez como el grado de medida de la
temperatura. ACIDEZ O ALCALINIDAD Están determinados por la cantidad de iones de Hidrogeno H + Hidroxilo OH-
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R = Cte, de gases perfectos = 8314 J/mol.° K. F = N° de faraday = 96493 C/mol. n = Valencia del metal. [ Mn + ] = Concentración de iones metal.
T = Temperatura absoluta (.° K). Eo = Potencial normal. Para H+
E = E o + 0.05916 ( pH int, - pH ext. )
![Page 116: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/116.jpg)
La relación entre [ H + ] y [O H - ] es constante y el pH = al logaritmo negativo de la concentración de iones [ H + ] .
pH = - log [ H + ] y la concentración ( actividad ) se expresa en MOLES POR LITRO en una solución es de 10 E -7 Molar.
COMO DE MIDE EL PH En un sistema básico para la medida de pH esta
formado por: ELECTRODO DE MEDIDA construido con un vidrio
sensible a los iones [ H + ] y denominado comúnmente ELECTRODO.
ELECTRODO DE REFERENCIA para su comparación, pHMETRO que es
esencialmente un voltímetro sensible y preciso.
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Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación industrial.
![Page 118: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/118.jpg)
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El valor del pH en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante, y en las plantas de tratamiento de agua. Este método determina el pH, midiendo el potencial generado (en milivolts) por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivolts generados hacia al circuito de medición.
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* M h M n
La ABSORCIÓN de luz por una sustancia tiene lugar cuando la luz posee la energía precisa para provocar los cambios precisos. Estos cambios ( siempre discretos), pueden ser: •Electrónicos (átomos y (o) moléculas) •Vibracionales (sólo moléculas) •Rotacionales ( sólo moléculas)
ABSORCIÓN DE RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
PROCESO POR EL CUAL UNA ESPECIE EN UN MEDIO
TRANSPARENTE, CAPTA SELECTIVAMENTE CIERTAS
FRECUENCIAS DE LA RADIACIÓN
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![Page 125: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/125.jpg)
visualización
amarillo-verde 520 - 550 violeta 380 - 420
amarillo 550 - 580 azul-violeta 420 - 440
anaranjado 580 - 620 azul 440 - 470
rojo 620 - 680 verde-azul 470 - 500
púrpura 680 - 780 verde 500 - 520
verde 500 - 520 púrpura 680 - 780
verde-azul 470 - 500 rojo 620 - 680
azul 440 - 470 anaranjado 580 - 620
azul-violeta 420 - 440 amarillo 550 - 580
violeta 380-420 amarillo-verde 520 - 550
color l (nm)
complementario
color l (nm)
ESPECTRO VISIBLE Y COLORES
COMPLEMENTARIOS
![Page 126: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/126.jpg)
Están basados en el efecto fotoeléctrico, en el que la incidencia de un haz fotónico sobre un metal es capaz de generar energía eléctrica
![Page 127: Sensores de Presion Temperatura y Caudal](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022032105/55cf8f7c550346703b9cd5cb/html5/thumbnails/127.jpg)
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
colector
Cada dinodo se conecta a
una fuente externa de 90 V
generando en el colector
una avalancha de 106 a 107
electrones por cada fotón
incidente para el caso de un
tubo fotomultiplicador de 9
dinodos
DETECTOR