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SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 INTRODUCCION Ciertas etapas de los
procesos de fabricacin se realizan en ambientes nocivos para la
salud, como son los gases txicos, los altos niveles de ruido,
temperaturas extremadamente altas o bajas, etc., unidos a la
consideracin de productividad, llev a pensar en la posibilidad de
dejar ciertas tareas tediosas, repetitivas y peligrosas a un ente
al que no pudiera afectarle las condiciones ambientales adversas:
haba nacido la mquina y con ella la automatizacin. El desafo
constante que toda industria tiene planteado para ser competitiva
ha sido el motor impulsor del desarrollo de nuevas tecnologas para
conseguir una mayor productividad. Los procesos industriales exigen
de mayor control en cada una se las etapas; y quizs las que ms
recursos invierten en esos desarrollos tecnolgicos son:
Fabricas de productos derivados del petrleo
Fabricas de productos derivados de los alimentos
Industria qumica
Industria cermica
Energa
Siderurgia
Industria papelera
Industria azucarera y panelera
Industria textil
Medio ambiente
Industria espacial
Etc. De los concepto ms relevantes en estos avances es el que
conoce como Control, que abarca desde un simple interruptor que
gobierna el encendido de una bombilla o la llave que regula el paso
del agua en una tubera, hasta el ms complejo ordenador de procesos
como el piloto automtico de un avin. Se podra definir el control
como la manipulacin de las magnitudes o variables de un sistema
llamado planta. La grfica muestra un diagrama de bloques con los
elementos esenciales: Sistema de control y la planta.
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En todos los procesos de produccin, maquinaras y equipos es
necesario controlar, mantener y supervisar magnitudes como: Presin,
temperatura, caudal, nivel, pH, iluminacin, conductividad,
movimiento, posicin, velocidad, humedad, direccin, desplazamiento,
punto de rocio, etc. Los instrumentos de medicin y control permiten
el mantenimiento, la supervisin y el control de estas variables
mucho mejor que como podra hacerlo un operario. Acuerdence que al
inicio de la era industrial, el operario llevaba a cabo el control
de manera manual de estas variables utilizando instrumentos simples
como el manmetro, termmetro, vlvulas manuales, palancas,
engranajes, rels, etc. Control que era suficiente por la relativa
simplicidad del proceso. En la medida que la industria crece se
hace imperante mejorar la automatizacin de los procesos, gobernar
la respuesta de los equipos o de las plantas sin la intervencin
directa de los operarios, para ello se comenzaron a utilizar los
sistemas de control, que son un conjunto de equipos, programas y
accesorios que permiten controlar, manipular mquinas o procesos
productivos; teniendo como consecuencia la liberacin fsica y mental
del hombre que trabaja en ese ambiente, productos ms confiables, de
mejor calidad, mayores volmenes de produccin, disminucin de
riesgos. El sistema de control maneja magnitudes de baja potencia
llamadas usualmente saales. Estos sistemas de control responden a
las seales de entrada al proceso y de acuerdo con ellas toma una u
otra accin.
SISTEMA DE
CONTROL
PLANTA
MAGNITUDES
DE RESPUESTA
SET POINT O
PUNTOS DE CONSIGNA
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Existen dos tipos de sistemas de control:
Lazo abierto
Lazo cerrado Un sistema de control de lazo abierto es aquel que
ejecuta rdenes dadas a travs de las magnitudes de consigna y esta
actuacin se realiza sin recibir ningn tipo de informcacin del
comportamentiento de la planta. O
En este ejemplo se quiere calentar un recipiente con agua,
mediante una resistencia. El termostato hace las veces de
controlador y la resistencia hace las veces de elemento final de
control. Durante el proceso de calentamiento, solo se da la orden
manuel a la estufa mediante el termostato (bajo,medio alto). El
termmetro solo sirve como elemento indicador que muestra la
temperaatura del agua. El sistema se debe apagar manualmente cuando
el agua haya hervido por el tiempo que el operador lo estime. Este
esquema de lazo de control no posee realimentacin.
Punto de Consigna o Valores deseados
CONTROLADOR
PROCESO
ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA
ELEMENTO DE TRANSMISION DE MEDIDA
INDICADOR
REGISTRADOR
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Un sistema de control de lazo cerrado, es aquel que toma
decisiones ante determinados comportamientos de la planta;
verificando informacin de ella y as actuando de conformidad.
ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA (sensor de
temperatura)
PROCESO
(calentar agua)
CONTROLADOR (termostato
Temporizador
PLC, RTU)
VALORES DESEADOS PUNTOS DE CONSIGNA: Temperatura
Tiempo, presin
ELEMENTO FINAL DE CONTROL (electrovlvula
Resistencia
Rele)
INDICADOR
REGISTRADOR
SALIDA PRODUCTO
RESULTADO
Sensores
Control Elemento
Final de
Control
Proceso
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Para poder tomar decisiones el sistema requiere que parte de las
seales de salida retornen a la entrada del control; por esta razn
se denomina de lazo cerrado. Las ventajes de este tipo de sistema
de control son bsicamente: El sistema de control de lazo cerrado se
conforma de:
A estas cuatro unidades se les conoce como bucle de control.
Para que el sistema de control pueda responder a los cambios de
las variables en la planta, se requiere de instrumentos que
verifiquen el comportamiento de dicha planta, estos instrumentos
con los sensores o transductores y las interfaces que sirven para
adaptar las seales de los sensores a las entradas del sistema de
control. 2 SENSORES Y TRANSDUCTORES Los sensores cumplen una funcin
anloga a los cinco sentidos del ser humano encargados de tomar
decisiones frente a los estmulos del medio ambiente. Tenemos rganos
sensores en nuestro cuerpo desarrollados para captar diferentes
fenmenos fsicos como olor, gusto, sonido, visin y tacto. Y de
transmitir al cerebro informacin para poder tener control sobre el
comportamiento normal del cuerpo.
Verificacin y correcin de errores
Regulacin precisa y rpida
Elemento primario de medida
Unidad de control
Elemento final de control
Proceso
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Los sistemas de control utilizados en el medio ya sean
electrnicos o mecnicos son muy similares a los del ser humano,
tanto en el sistema de deteccin como en el de procesamiento y
correccin. El ser humano utiliza cinco tipos de sensores para
detectar los cambios y percibir los fenmenos naturales, los cuales
comnmente conocemos como los cinco sentidos. Los indicadores
sensitivos son los encargados de sensar la informacin del medio,
tanto externo como interno, en el que se desarrolla la vida de un
individuo.
El entorno posee una cantidad de cosas que llaman la atencin, la
variedad de estmulos que se reciben conscientemente, y los que
reciben sin darse cuenta. Esa informacin siempre provoca una
respuesta en el ser vivo, ms lenta o ms rpida, pero imprescindible
para mantener la vida. A sta le damos el nombre de ESTMULO. Los
sensores suelen ser neuronas; a veces son
como las de la piel, o en grupo como las del gusto. En ocasiones
son ayudadas por otras clulas y rganos ajenos al Sistema Nervioso,
llegando a constituir rganos muy complejos, como los de la vista o
el odo. Los receptores son capaces de captar estmulos muy variados,
desde la luz y el sonido, hasta calor y fro, presin, molculas
qumicas, niveles de O2 y CO2, azcar en sangre, la posicin en el
espacio, entre otros. Segn la procedencia del estmulo hay que
diferenciar entre: Indicadores Externos e Indicadores Internos.
Indicadores internos: Tienen la forma de terminaciones neuronales
que se encuentran distribuidas por todo el cuerpo, en todos los
rganos y tejidos,
De esta manera, el encfalo tiene una visin exacta de nuestro
funcionamiento de forma instantnea. Indicadores externos: son los
que comnmente llamamos ORGANOS DE LOS SENTIDOS, nos permiten vivir
en nuestro medio y relacionarnos con otros seres vivos. 2.1
Definicin Los sensores son los elementos encargados de captar las
magnitudes o variables de la planta; estn ubicados en el lugar
donde estn las
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manifestaciones fsicas. El sensor recibe la energa del medio y
da una seal transducible que es funcin de la variable medida. Estas
seales son muy pequeas imperceptibles por sentidos.
El trmino sensor o transductor se puede aceptar como sinnimos
sin embargo existen diferencias notorias. Dado que hay seis tipos
de seales: mecnicas, elctricas, trmicas, magnticas, pticas y
moleculares (qumicas), cualquier dispositivo que convierta una
seal
de un tipo a otra, debera ser considerado como un transductor.
En la prctica no obstante, se consideran transductores aquellos que
ofrecen una seal de salida elctrica. Transductor: Es un dispositivo
capaz de convertir una variable o magnitud fsica en una seal
elctrica ya sea anloga o digital; o que convierte un tipo de seal
en otro.
DIAGRAMA EN BLOQUES DEL TRANSDUCTOR
Etapa de tratamiento Captador de seal Etapa de salida
VARIABLES
FISICAS
Sensor Filtro Amplificador
Los sistemas de medicin electrnicos ofrecen las siguientes
ventajas: 1. Debido a la estructura electrnica de la materia,
cualquier variacin de un
parmetro no elctrico de un material viene acompaada por la
variacin de
SALIDA ESTANDAR 1 a 5 V 0 a 10 V 4 a 20 mA
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un parmetro elctrico. Eligiendo el material adecuado, esto
permite realizar transductores con salida elctrica para cualquier
magnitud fsica no elctrica.
2. Dado que en el proceso de medida no conviene extraer energa
del sistema donde se mide, lo mejor es amplificar la seal de salida
del transductor, con amplificadores electrnicos, que pueden obtener
ganancias de potencia de 1010 en una sola etapa, a baja
frecuencia.
3. Existe una gran variedad de recursos, en forma de circuitos
integrados, para acondicionar o modificar las seales elctricas.
4. Existen muchos recursos para ver la informacin en forma
grfica, impresa o textual.
5. La transmisin de seales elctricas es ms verstil que la
transmisin de seales mecnicas, hidrulicas o neumticas. Sin embargo
estos otros mtodos se siguen utilizando por cuanto en determinadas
situaciones su uso es ms adecuado.
2.2 Acondicionamiento La seal de salida del sensor de un sistema
de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para
la siguiente etapa de la operacin. La seal puede ser:
Demasiado pequea, se debe amplificar
Podra tener interferencia que eliminar
Ser no lineal y requerir su linealizacin
Ser anloga y requerir su digitalizacin o viceversa
Ser un cambio en el valor de resistencia y cambiarla a
corriente
Consistir en un valor de voltaje y convertirlo a corriente o
viceversa 2.2.1 Para que se realiza el acondicionamiento de seal
Proteccin: Para evitar daos en el siguiente elemento como
consecuencia de voltajes o corrientes elevados. Para tal efecto se
colocan resistencias limitadoras de corriente, fusibles, circuitos
de proteccin de polaridad y limitadores de voltaje. Conversin a una
seal adecuada: Sera el caso cuando es necesario convertir una
magnitud fsica a un voltaje de dc o una corriente. Por ejemplo el
cambio de la resistencia de una RTD, se necesita de un puente de
Wheatstone para aprovechar el voltaje de desbalance; o cambiar una
seal anloga a digital o viceversa. Obtencin del nivel adecuado de
seal: En un termopar la seal de salida es de unos milivoltios, si
se desea alimentarla a un convertidor anlogo a digital para
inyectarla al micro, se necesita amplificarla en forma
considerable.
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Eliminacin o reduccin de ruido: Mediante la utilizacin de
filtros. Manipulacin de la seal: por ejemplo convertir una variable
en una funcin lineal, por ejemplo los medidores de flujo son
alinales y se requiere de linealizarlos para que puedan ser
inyectados a otro elemento o equipo. El acondicionamiento es la
adecuacin de la seal de salida de un dispositivo para conseguir un
mejor funcionamiento de la siguiente etapa de operacin de un
sistema de medicin. Por ejemplo: La salida de un termopar es muy
pequea es un voltaje de unos cuantos milivoltios. Por lo tanto es
necesario utilizar un mdulo de acondicionamiento de seal para
modificar dicha salida y convertirla en una seal de corriente de
tamao adecuado, contar con un medio para rechazar ruido, lograr una
linealizacin y una compensacin de la unin fra (es decir cuando la
unin fra no est a 0 grados). 2.3 Caractersticas Generales de los
Sensores Un transductor ideal sera aquel en que la relacin entre la
magnitud de salida y la variable de entrada fuese puramente
proporcional y de respuesta instantnea e idntica para todos los
elementos de un mismo topo. Sin embargo, la respuesta real de los
transductores nunca es del todo lineal, tienen un campo limitado de
validez, suele estar afectado por perturbaciones de entorno externo
y tiene un cierto retardo a la respuesta. Todo hace que la relacin
salida/entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una
familia de curvas, para transductores de un mismo tipo y modelo.
Para definir el comportamiento real de los transductores se suele
comparar estos con un modelo ideal de comportamiento o con un
transductor "patrn" y se definen una serie de caractersticas que
ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo. Estas
caractersticas pueden agruparse en dos grandes grupos:
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Caractersticas estticas
Caractersticas dinmicas Las caractersticas estticas, describen
la actuacin del sensor en rgimen permanente o con cambios muy
lentos de la variable a medir. Las caractersticas dinmicas,
describen la actuacin del sensor en rgimen transitorio, a base de
dar su respuesta temporal ante determinados estmulos estndar o a
base de identificar el comportamiento de transductor con sistemas
estndar e indicar las constantes de tiempo relevantes. La presencia
de inercia (masas, inductancias, etc.), capacidades (elctricas,
trmicas, fluidas, etc) y, en general, de elementos que almacenan
energa, hacen que la respuesta de un sensor a seales de entrada
variables sea distinta a la que presenta cuando las seales de
entrada son constantes. Debe tenerse en cuenta que todas las
caractersticas suelen variar con las condiciones ambientales. Por
ello uno de los parmetros esenciales a comprobar al elegir un
transductor es el campo de validez de los parmetros que se indican
como nominales del mismo y las mximas desviaciones provocadas por
dichas condiciones ambientales. 2.3.1 Caractersticas Estticas Campo
de medida o rango de medida (range): Es el conjunto de valores
comprendidos entre los limites (Superior e Inferior) que es capaz
de medir el instrumento, dentro de los lmites de exactitud que se
indican para el mismo. Se indica por los valores Superior e
Inferior, antes mencionados. p.e.: Un sensor de temperatura mide
entre 100 y 300 C, por lo tanto el rango es: Alcance (span): Es la
diferencia algebraica entre el mximo y el mnimo de medida del
instrumento, p.e.: para el caso anterior
Max Mn = 300 100 = 200C.
Mn = 100C
Mx = 300C
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Resolucin: Es el menor cambio en la variable del proceso capaz
de producir una salida perceptible por el instrumento. Se expresa
en general como un porcentaje del Lmite Superior de medicin del
instrumento (valor a fondo de escala del mismo). Se mide por la
mnima diferencia entre dos valores prximos que el sensor es capaz
de distinguir. Se puede indicar en trminos del valor absoluto de la
variable fsica medida o en porcentaje respecto al fondo de escala
da la salida, p.e.: el sensor de temperatura muestra en el
despliegue un cambio de 130C a 131C., por lo tanto la resolucin del
instrumento es de 1C. Por ejemplo, supongamos que el span de un
sensor de presin es 150psi, el fabricante dice que la resolucin es
del 0.5%: Entonces para el caso: Precisin (Accuracy): Es la
tolerancia de medida o de transmisin del instrumento (intervalo
donde es admisible que se site la magnitud medida). Cuanto mayor es
la precisin menor es la dispersin de los valores de la medicin
alrededor del valor medido. Podra suceder que ese valor no fuese
exacto pero la dispersin ser chica, en ese caso el instrumento es
preciso pero no exacto. La precisin est asociada a estadsticas como
la varianza y el desvo estndar. Formas de expresar la precisin: 1.
Tanto por ciento del alcance: p.e. +-0.5%de una temperatura TC
medida
de 150C. 150+-(200*0.5/100)=150+-1 es decir 149C y 151C 2. En
unidades de la variable medida, p.e.: +-1C
(Span * % de repetibilidad) = (150*0.5) = 0.75psi 100% 100
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3. Tanto por ciento de la lectura efectuada: p.e. 1% de 150C es
decir 1.5C 4. Tanto por ciento del campo de medida, p.e.: +- 0.5%
de 300C es +-1.5C 5. Tanto por ciento de la longitud de la escala:
p.e. si la longitud de la escala
es de 150 mm, entonces la precisin de +-0.5% representar +-0.75
mm en la escala.
Exactitud: Capacidad de un instrumento de dar valores de error
pequeos. Si un instrumento est calibrado correctamente los errores
aleatorios inevitables harn que los resultados de la medicin tengan
una cierta dispersin, si el promedio de las mediciones coincide con
el valor verdadero el instrumento es exacto. La estadstica (media
en este caso) nos podr acercar al valor verdadero. La exactitud se
puede especificar en porcentaje del valor medido o bien en
porcentaje del valor a fondo de escala del instrumento. En el caso
de los instrumentos destinados a procesos industriales en general
esa exactitud especificada corresponde a todo el rango de medicin
del mismo. Repetibilidad: Caracterstica que indica la mxima
desviacin entre valores de salida obtenidos al medir varias veces
un mismo valor de entrada con el mismo sensor y en las mismas
condiciones ambientales. Se da en tanto por ciento del Alcance:
m
4.2
3.9
4 7 m
(Max Mn)*100 = (4.2 -3.9)*100 = 4.2% Alcance 7
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Histresis: El amortiguamiento mas el rozamientos hace que haya
un consumo de energa en la carga y descarga de los instrumentos. Es
debido a eso que la curva de calibracin ascendente no coincida con
la descendente y eso es llamado Histresis Baja Histresis es la
capacidad de un instrumento de repetir la salida cuando se llega a
la medicin en ocasiones consecutivas bajo las mismas condiciones
generales pero una vez con la medicin de la variable en un sentido
(por ejemplo creciente) y en la siguiente con la variable en
sentido contrario (por ejemplo decreciente). Como otros parmetros
de especificacin de los instrumentos se acostumbra a especificar la
histresis como un valor porcentual de la medicin o bien del fondo
de escala del instrumento. Linealidad: Un transductor es lineal
cundo existe una constante de proporcionalidad nica que relaciona
los incrementos de la seal de salida con los correspondientes
incrementos de la seal de entrada en todo el campo de medida o
tambin la aproximacin a una curva de calibracin a una lnea recta
especificada. En control clsico la linealidad se toma como un
requisito puesto que toda la teora se basa en ese tipo de dinmica
de sistemas (ecuaciones diferenciales lineales). Si bien esto ha
sido superado la falta de la linealidad siempre representa
complicaciones por lo que: la linealidad de los instrumentos de
medicin y control siempre es una caracterstica buscada. Si el
proceso es lento respecto de la dinmica del instrumento se puede
pensar que el mismo se establece en el valor de la medicin a una
velocidad mucho mayor que los cambios que puede efectuar la
variable medida. En estas condiciones se puede considerar que el
instrumento tiene una alinealidad esttica es decir no tengo en
cuenta su dinmica. As puedo tener una curva de calibracin levantada
en condiciones estticas y usarla para compensar las alienealiades
del instrumento.
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En la prctica las compensaciones del sistema de
acondicionamiento de seales llega a eliminar en gran medida los
errores por alinealidad, pero en una cierta persisten, y se suelen
expresar en valor porcentual de la mxima desviacin respecto de la
salida lineal en todo el rango del instrumento respecto del valor
del fondo de escala del mismo.
El inters de la linealidad est en que la conversin lectura-valor
medido es ms fcil si la sensibilidad es constante, pues entonces
basta multiplicar la indicacin de salida por un valor constante
para conocer el valor de la entrada. En instrumentos lineales la no
linealidad equivale a inexactitud. Actualmente, con la posibilidad
de incorporar un microprocesador en los sistemas de medida,
interesa ms la repetibilidad que la linealidad, pues siempre es
posible crear una tabla conteniendo valores de entrada que
corresponden a los valores de salida detectados. Si la
caracterstica del sensor el lineal esta debe ser de la forma Donde
y = variable dependiente x = variable independiente a = coeficiente
de m m = pendiente o sensibilidad del sistema b = corte sobre el
eje y
y = am + b
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Sensibilidad: Es la variacin en la salida del instrumento por
unidad de variacin de la variable del proceso (entrada), en
definitiva se puede decir que es la ganancia del instrumento. El
ideal es que la misma se mantenga constante. En general los
elementos primarios presentan derivas de la sensibilidad con otras
variables, fundamentalmente la temperatura, por lo que el
acondicionamiento de seal que realiza el instrumento se debe
encargar de compensar esas derivas. En muchos instrumentos
industriales se mide tambin a la temperatura para realizar esta
compensacin. Caracterstica que indica la mayor o menor variacin de
salida por unidad de la magnitud de entrada. Un sensor es ms
sensible cuanto mayor sea la variacin de la salida producida por
una determinada variacin de entrada. Se mide por la relacin:
2.3.2 Caractersticas Dinmicas de los Sensores Estas
caractersticas dependen de la variable tiempo, de la frecuencia.
Respuesta Dinmica Los diagramas de la respuesta del instrumento a
frecuencias de entrada variables recorriendo todo el espectro
presentados en forma logartmica (Diagramas de Bode) dan una idea
acabada de la capacidad del instrumento a responder con una
magnitud de salida razonable (ganancia constante) y sin un retraso
de fase notable. Tengamos en cuenta que el retraso de fase tiende a
inestabilizar los lazos de control.
Sensibilidad = m = magnitud de salida/ magnitud de entrada
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Al rango de frecuencias donde se cumplen las condiciones arriba
mencionadas se lo denomina Ancho de banda. Evidentemente si las
seales a medir son de frecuencias muy bajas no interesar la
caracterstica de la respuesta dinmica del instrumento. En procesos
donde las constantes de tiempo de las transferencias son grandes
respecto de las de los instrumentos habituales no hace falta
preocuparse por la respuesta dinmica de los mismos. En control de
servomecanismos, ciencia espacial, robtica etc. comienza a aparecer
la importancia de estas caractersticas. Error: Es la diferencia
algebraica entre el valor transmitido o ledo por el instrumento y
el valor real de la variable medida:, p.e.: Los sistemas absorben
energa del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para
ser transmitida, lo que retarda la lectura. Se expresa en tanto por
ciento del alcance. Error de Cero: Aun cuando el valor de la
variable del proceso est en el mnimo del rango, donde la salida del
instrumento debe ser el valor asociado al cero del rango (en
corriente por ejemplo 4mA), el instrumento marca a su salida un
valor distinto de cero. Ese valor es el error de cero. En general
existen en los instrumentos sistemas para anular, o compensar el
error de cero, estos sistemas pueden ser ajustes mediante
movimientos en el instrumento o bien por software. Velocidad de
respuesta: Mide la capacidad de un transductor para que la seal de
salida siga sin retraso las variaciones de la seal de entrada.
Tienen que ver con la velocidad de respuesta: Tiempo de retardo: El
tiempo transcurrido desde la aplicacin de la seal de entrada hasta
que la salida alcanza el 10% de su valor permanente. Tiempo de
subida: Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el
10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90%
de dicho valor. Tiempo de establecimiento al 99%: Tiempo
transcurrido desde la aplicacin de la seal de entrada hasta que la
respuesta alcanza el rgimen permanente, con una tolerancia de +-1%
Respuesta frecuencial: Relacin entre la sensibilidad y la
frecuencia cuando la entrada es una excitacin senoidal. Est muy
relacionada con la velocidad de respuesta. Estabilidad y derivas:
Caracterstica que indica la desviacin de salida del sensor al
variar ciertos parmetros exteriores distintos del que se
pretende
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medir, tales como condiciones ambientales, alimentacin, u otras
perturbaciones.
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3 MATERIALES EMPLEADOS EN SENSORES Los sensores se basan en
fenmenos fsicos o qumicos y en materiales donde dichos fenmenos se
manifiestan de una forma til, es decir, con sensibilidad,
repetibilidad y especificidad suficiente. Los fenmenos pueden ser
relativos al material en s o a su disposicin geomtrica, y muchos de
ellos son conocidos desde hace tiempo. Las mayores novedades en
sensores se deben al descubrimiento de nuevos materiales, la forma
de prepararlos y ambas cosas. Los materiales (slidos, lquidos o
gases) estn constituidos por tomos, molculas o iones (tomos que han
perdido o ganado electrones). Los tomos pueden unirse para formar
molculas y redes de tomos, gracias a distintas fuerzas de cohesin o
enlaces: inico, metlico, y covalente. Enlace ionico: est formado
por atraccin electrosttica entre iones de cargas opuestas. Enlace
metlico: est determinado por los electrones de valencia (los
electrones de la capa ms exterior del tomo) cuyo campo elctrico
estabiliza una red compacta de iones metlicos positivos a travs de
la cual se desplazan libremente aquellos, constituyendo el
denominado gas electrnico. Los electrones libres ocasionan la alta
conductividad elctrica y trmica de los metales, y sus fuerzas
electrostticas, a lo largo y ancho de toda la estructura
cristalina, mantienen la cohesin y permiten deformar el metal sin
que se fracture. Enlace covalente: est formado por el solapamiento
de pares de electrones orbitales atmicos, aportando uno por cada
tomo y que no pueden orbitar ms all de los tomos a los que
pertenece. El enlace covalente puede existir tanto en las molculas
como entre los tomos de una red cristalina dota al material de una
alta resistividad elctrica. En cada tomo los niveles de energa estn
cuantificados, es decir, cada electrn puede ocupar uno de varios
niveles de energa especficos, tanto en su estado normal como si ha
sido excitado energticamente. Para sensores interesan los efectos
sobre las propiedades elctricas de los materiales, y la propiedad
bsica es la conductividad elctrica. Atendiendo a esta los
materiales se clasifican en:
Conductores
Semiconductores
Dielctricos (aislantes) La diferencia entre ellos se aprecia
representando sus bandas de energa:
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Conductores Hay dos tipos de conductores: los electrnicos, que
son los metales y sus aleaciones y los inicos, que son los
electrolitos (sales, acuosas o no, de cidos, bases o sales). Los
metales y sus aleaciones se emplean como sensores por sus
propiedades termoelctricas, por la variacin de su conductividad con
la temperatura y la deformacin o simplemente porque su alta
conductividad elctrica facilita la formacin de circuitos donde una
variable a medir produce cambios detectables. Tambin se emplean
como sensores primarios, por ejemplo en bimetales o elementos
deformables (diafragma, clulas de carga). Algunos metales se
emplean por sus propiedades magnticas, mientras que otros se
emplean como electrodos y catalizadores de reacciones qumicas. Los
electrolitos se emplean en reacciones qumicas. Semiconductores Son
el grupo de materiales cuyo uso en sensores que ha experimentado
ltimamente el mayor crecimiento. Tienen enlaces covalentes y su
conductividad elctrica viene afectada por la temperatura, la
deformacin mecnica, la luz, los campos elctricos y magnticos, las
radiaciones nucleares y electrnicas, y la absorcin de sustancias
diversas. Estos efectos son controlables mediante la adicin de
impurezas. Por otra parte el silicio es el material mejor conocido
gracias a su extenso uso en electrnica, permite integrar junto al
sensor diversas funciones de procesamiento de la seal detectada y
se presta a tcnicas de fabricacin a gran escala. Aun se puede aadir
que el silicio es mecnicamente tan fuerte como el acero y no tiene
histresis mecnica. Otros semiconductores empleados son: germanio y
diversos compuestos, cristalinos o amorfos, como el AsGa, SbIn,
SCd, SPb, SeCd y el SePb. Dielctricos Formados por enlaces
covalentes y por ello se emplean, ante todo, como aislantes
elctricos. Adems se emplean para la deteccin, por ejemplo en
condensadores variables donde la composicin afecta la constante
dielctrica. Otros se emplean por sus propiedades higroscpicas como
sensores de humedad, que afecta su conductividad y su constante
dielctrica. Los ms empleados son las cermicas, los polmeros
orgnicos y el cuarzo.
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La cermica resiste la corrosin, la abrasin y las altas
temperaturas. Por ello han sido tradicionalmente le material de
soporte de otros materiales sensores clsicos y en las tecnologas de
pelcula gruesa y fina. Desde hace algunos aos viene creciendo el
uso de cermicas como elementos detectores, basados en las
propiedades del cristal. (NTC), en propiedades de la granularidad y
de disociacin entre granos (PTC de conmutacin, cermicas piezo y
piroelctricas, ferritas), y en propiedades superficiales (en
sensores de humedad, oxigeno y gases). Los polmeros orgnicos son
macromolculas formadas al unirse entre s, mediante enlaces
covalentes, un gran nmero de molculas iguales o monmeros. Estos
pueden ser: Producto flexible, elstico y termoplstico (recupera su
estado viscoso al aumentar la temperatura). Termoplsticos
cristalinos: Naylos, polietileno o polipropileno. Amorfos:
Poliestireno, policarbonato, cloruro de polivinilo Los plsticos son
los aislantes por antonomasia, hay al menos cuatro tipos de
polmeros que se emplean por sus propiedades sensoras: de humedad,
piro y piezoelctricas y elastmeros y polmeros conductores. Los
elastmeros: neopreno SBR, uretano, son polmeros que al someterlos a
una presin experimentan una deformacin acompaada a veces de cambios
de conductividad elctrica. Los polmeros se usan como membranas de
soporte en sensores selectivos de ion y en biosensores. Otros
materiales usados en sensores son los magnticos, dadas las
caractersticas de estos, son usados en sensores para diferentes
aplicaciones de medida. Combinados con otros elementos y electrnica
se arman complejos sistemas de medicin como peso, fuerza, masa,
conmutacin.
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4 CLASIFICACION DE LOS SENSORES Y TRANSDUCTORES Dadas las
diferentes formas y mecanismos de deteccin de variables fsicas, los
transductores se clasifican de diferentes maneras dependiendo del
fabricante, investigador o autor. De acuerdo con nuestra necesidad
los sensores los clasificamos de la siguiente manera:
1. De acuerdo con la seal de salida:
Anlogos
Digitales
2. De acuerdo con el requerimiento de energa
Activos
Pasivos 3. De acuerdo con la variable fsica a medir 4. De
acuerdo con el principio de medida
4.1 DE ACUERDO CON LA SEAL DE SALIDA Sensores con salida anloga
Se refiere a los sensores que entregan en su salida un valor de
tensin o corriente variable en forma continua dentro del campo de
medida. Normalmente la seal de salida suministrada es de:
0 a 10 Voltios
1 a 5 Voltios
a 20 mA Ejemplo
Sensores de nivel
Sensores de presin
Sensores de temperatura
Sensores de peso Sensores con salida Digital Se refiere a los
sensores que entregan en su salida una seal codificada en binario,
BCD u otro sistema. Generalmente estos sensores se los conoce como
inteligentes por cuanto posen un microcontrolador para la
realizacin del proceso de deteccin, anlisis o transmisin de
informacin.
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Dentro de los sensores con salida digital se encuentran aquellos
cuya seal de salida solo entrega uno de dos valores (uno o cero),
normalmente llamado Todo o Nada o ON OFF. Ejemplo
Sensores Inductivos
Sensores capacitivos
Sensores ultrasnicos
Sensores magnticos 4.2 DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS DE
ENERGIA Sensores Pasivos Se basan en la modificacin de la
impedancia elctrica o magntica de un material bajo determinadas
condiciones fsicas o qumicas (resistencia, capacitancia,
inductancia, etc). Estos sensores debidamente alimentados provocan
cambios de tensin o de corriente en un circuito, cuando son
instalados en el circuito de acondicionamiento, o sea que requieren
de energa para su funcionamiento. La energa suministrada al sensor
se lleva a travs de hilos diferentes a los de la seal de deteccin
de la variable. Ejemplo: RTD, termistor, potencimetro, LVDT, etc
Sensores Activos Son generadores de pequea seal. La energa generada
por el sensor proviene del estmulo dado por la magnitud medida por
el sensor. Por ello no requiere de alimentacin externa para
funcionar, aunque si necesita de la etapa de condicionamiento para
adecuar la seal. Ejemplo: piezoelctricos, fotovoltaicos, termopar,
etc
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4.3 DE ACUERDO CON LA VARIABLE FISICA A MEDIR
MAGNITUD SENSOR POSICION
DISTANCIA DESPLAZAMIENTO
VELOCIDAD ACELERACION VIBRACION
TEMPERATURA PRESION CAUDAL NIVEL FUERZA HUMEDAD
RESISTIVO Potencimetro Galgas Magnetorresistencia
Galga + masa resorte
RTD Termistor
Potencimetro + Tubo de Bourdon
Anemmetros de hilo caliente Galga +Voladizo Termistor
Potencimetro + flotador
Galga Humistor
CAPACITIVO Condensador diferencial
Condensador variable + Diafragma
Condensador variable
Galgas capacitivas
Dielctrico variable
INDUCTIVOS Y ELECTROMAGNETICOS
LVDT, Corrientes de Foucault, Resolver, Efecto Hall
Ley de Faraday, Corrientes de Foucault, Efecto Hall
LVDT + masa resorte
LVDT + diafragma, Reluctancia variable + diafragma,
Piezoelctricos
LVDT + rotmetro, Ley de Faraday
LVDT + flotador, Corrientes de Foucoult
Magnetorresistivo, LVDT + celda de carga, Piezoelctricos
GENERADORES Piezoelctricos + masa resorte
Termopares, Piroelctricos
Piezoelctricos
Piezoelctricos
DIGITALES Codificadores incrementales y absolutos
Codificadores incrementales
Osciladores de cuarzo
Codificador + tubo de Bourdon
Vtices
UNIONES P-N Fotoelctricos Diodo transmisor Convertidores T/I
Fotoelctricos
ULTRASONICOS Reflexin Efecto Doppler Efecto Doppler, Tiempo de
Trnsito, Vrtices
Relexin
Mtodos de deteccin ordinarios para las medidas ms frecuentes
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4.4 DE ACUERDO CON EL PRINCIPIO DE MEDIDA
Resistivos o Potenciometrito o Galgas extensomtricas o
Termoresistivos
RTD (Detectores Trmicos resistivos) Termistores
o Fotorresistencias o Higrmetro resistivo o
Magnetorresistencias
Capacitivos Inductivos Magnticos Magntico inductivos Ultrasnicos
pticos
5 SENSORES RESISTIVOS Son una de las clases de sensores ms
usados ya que son muchas las magnitudes fsicas que afectan el valor
de la resistencia elctrica de un material, ofreciendo una solucin a
muchos problemas de medida. Los transductores resistivos convierten
un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la resistencia
elctrica, este cambio es debido a:
1. Calentamiento y/o enfriamiento
2. Aplicacin de una fuerza mecnica (efecto piezoelctrico)
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3. Humidificacin o deshumidificacin de sales electrolticas
4. Movimiento en el brazo o escobilla del potencimetro
5. Incidencia de la intensidad de luz
6. Aplicacin de un campo magntico
5.1 Tipos de Sensores Resistivos
Potenciomtricos Galgas extensomtricas Fotorresistencias
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Termorresistencias o RTD (Detectores Trmicos Resistivos) o
Termistores
Piezoelctricos Magnetorresistencias Higrmetro resistivo
5.2 Sensor Potenciomtrico
.
Este cambio de tensin se debe a un cambio en la posicin de un
contacto mvil (escobilla) sobre un elemento resistivo en cuyos
bordes se ha aplicado una tensin elctrica. La relacin dada por la
posicin de la escobilla es bsicamente una relacin de
resistencia.
Estos elementos de medida consisten bsicamente en una
resistencia de hilo bobinado o una pista de material conductor
distribuido a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor
solidario a un eje de salida y que puede deslizarse sobre dicho
conductor.
+ V -
+ Vo - Escobilla
Convierte un cambio de la variable a medir en un cambio de
tensin
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Existen potencimetros con carrera lineal o con varias vueltas
(helicoidales de precisin). Algunos potencimetros son con tope, en
este caso el ngulo comprendido entre el tope y el contacto mvil se
denomina Angulo de Giro y entre los dos topes se llama E.
Los potencimetros estn construido de:
Metal (cobre) Pelcula de carbn Pelcula metlica Pelcula de metal
y cermica (carmet) Semiconductor
5.3 Consideraciones
Podemos decir que la resistencia es proporcional al recorrido
del cursor, esto es cierto siempre y cuando:
La resistencia del conductor sea uniforme en toda su longitud El
contacto del curso o escobilla da una variacin de resistencia
continua
y por lo tanto una resolucin infinita No hay variacin de
temperatura, ya que los conductores cambian su
comportamiento al cambiar la temperatura T o Al aumentar T
ambiente o Al aumentar la T, cuando el conductor maneja potencia
mayores
a las de su capacidad
V
Vo
RxVo V
RT
E
E
Vo V
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Si la potencia disipada por el potencimetro es P y este se
alimenta con
una tensin V, el valor eficaz en los bornes debe cumplir: *V P R
El rozamiento del cursor es despreciable y mantiene un buen
contacto. El potencimetro puede generar ruido debido al polvo,
humedad,
oxidacin y desgaste Para garantizar una alta resolucin y una
larga vida del dispositivo, se
prefieren potencimetros basados en pelcula de carbn depositada
en base o aglomerado de plstico y un cursor de metal noble.
5.4 Caractersticas de modelos comerciales
Parmetro Potencimetro Lineal Potencimetro Angular
Margen 2 mm a 8 m 10 a 60 vueltas
Linealidad 0.002% al 0.1 % fondo de escala
Resolucin 50m 2 a 0.2 Potencia 0.1 w a 50 w
Coeficiente de temperatura
20 a 1000 partes 2 10
6
Vida til Hasta 4 * 108 ciclos
5.5 Aplicaciones
Palancas de mando (joystick), para movimientos en cuatro
cuadrantes
El potencimetro logartmico para el control de volumen en
audfonos para sordos.
Para la medida de posicin, distancia y desplazamiento
Medida de la variable Presin Para la medida de la variable nivel
Potencimetro de plato sonda Sensor de ngulo de mariposa Sensor de
posicin del pedal
acelerador Sensor de nivel de combustible
5.6 Las ventajas de estos sensores son:
Estructura sencilla, fcil de comprender Margen de medicin
elevado tanto en recorrido como en tensin a
utilizar No se requiere electrnica de adaptacin Buena
resistencia a tensiones parasitas Amplia gama de temperaturas de
funcionamiento (
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Amplio campo de medicin (cubre casi 360) Ejecucin de redundancia
sin problemas Facilidad de calibrado (por lser, etc.) Montaje
flexible (sobre superficie plana o curvada) Numerosos
fabricantes
5.7 Desventajas:
Desgaste mecnico, abrasin Errores de medicin a causa de restos
de abrasin Problemas en caso de utilizarlo dentro de un liquido
Variacin de la resistencia de contacto entre cursor y pista de
medicin Levantamiento del cursor en caso de fuertes aceleraciones o
vibraciones Miniaturizacin limitada Produccin de ruido
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6 Sensor de Temperatura RTD (DETECTOR TERMICO RESISTIVO) Los
conductores elctricos presentan en general un aumento de la
resistencia elctrica con el aumento de temperatura, segn una ley
que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente
ecuacin: RT = Resistencia del conductor a la temperatura T =
Coeficiente Trmico Resistivo Ro = Resistencia del conductor a T =
25 C Aprovechando esta cualidad se construyen sondas de temperatura
cuyo material presentan coeficiente relativamente constante y que
den una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen
construir a base de Platino, material cuyo coeficiente trmico es de
0.00385 /C. Estas sondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0 C
de donde se deriva el nombre de PT100, que sirven como sonda de
temperatura cuyo rango es de -250C a 950C, con excelente linealidad
entre 200 y 500 C
Figura 1 Detector Trmico Resistivo
RT = Ro (1 + T)
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El smbolo de la RTD es una resistencia que la atraviesa una lnea
recta que indica que la variacin es lineal y que cambia con la T,
que adems posee coeficiente de temperatura positivo.
+ t
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Ventajas de los sensores de temperatura RTD
Sensibilidad 10 veces mayor que la de los termopares Alta
repetibilidad Estables a largo plazo Exactitud en el caso del
platino Precisin entre el 0.1% y el 1% del rango de medida
Generalmente se usan con termo poso
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Aplicaciones
En la industria de electrodomsticos Automovilismo:
En el convertidor cataltico de combustin, si este alcanza una T
< 250C se contamina. La RTD es inmune a los gases de escape y
puede utilizarse para medir y controlar dicha temperatura. Para
medir la temperatura de entrada al motor Para controlar el aire
acondicionado
En edificios se utilizan para controlar el consumo de agua
caliente y gases de la chimenea
Regular la combustin de las calderas Reducir la contaminacin y
la formacin de holln
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7 Sensores Inductivos Estos sensores cuyo principio de
funcionamiento se basa en la variacin de la inductancia de acuerdo
a la variacin de la variable que miden. El cambio de la variable
genera un cambio elctrico a la salida del sensor que es
proporcional a dicha variacin. La salida del sensor es analgica o
digital dependiendo de la aplicacin. 7.1 Transformador Diferencial
de Variacin Lineal (LVDT)
Las letras LVDT son un acrnimo de transformador diferencial de
variacin lineal, un tipo comn de transductor electromecnico que
puede convertir el movimiento rectilneo de un objeto al que se
acopla mecnicamente en una seal elctrica correspondiente.
El dispositivo mas utilizado mediante acoplamiento variable es
la LVDT. Se basa en la variacin de la inductancia mutua
(acoplamiento inductivo) entre un primario y cada uno de dos
secundarios, al desplazarse a lo largo de su interior un ncleo
ferromagntico, arrastrado por un vstago no ferromagntico, acoplado
a la pieza cuyo movimiento se desea medir.
Esquema bsico del transformador diferencial de variacin lineal.
Los dos secundarios suelen conectarse en oposicin serie, aunque a
veces se dispone de los cuatro terminales independientes para
conectarlo de otra forma. Cuando el ncleo se encuentra en la
posicin media (acoplamiento entre el primario y los secundarios) ,
las tensiones inducidas en L2 y L3 son iguales y la tensin de
salida es cero (Usal = U2 U3 = 0)
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Cuando se mueve el ncleo, la tensin inducida en el secundario
(ver grfica siguiente) con mayor cobertura por parte del ncleo
tendr una tensin inducida mayor y la tensin de salida tendr la
direccin de U3.
En este caso siguiente la tensin de salida tendr el sentido de
U2. En conclusin, la tensin de salida tendr valores alrededor de 0
en funcin del desplazamiento del vstago entre las bobinas.
7.1.1 Aspectos elctricos de la LVDT
Aunque un LVDT es un transformador elctrico, que requiere de
corriente alterna de una amplitud y frecuencia muy diferente de
lneas de energa ordinarias para funcionar correctamente (tpicamente
de 3 V rms a 3 kHz). El suministro de esta excitacin es una de
varias funciones de la electrnica de apoyo al sensor, conocida
normalmente como circuito de acondicionamiento de seal.
Otras funciones incluyen la conversin del nivel de tensin de
salida de CA en seales de alto nivel de DC que son ms convenientes
de usar.
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7.1.2 Acoplamiento variable
El comportamiento de la tensin de salida en funcin de la
distancia recorrida por el vstago en uno u otro sentido es lineal
en cierto rango. La salida del transformador diferencial debe
interpretarse como una onda modulada en amplitud en funcin del
desplazamiento del vstago. Esto lo diferencia de los otros sistemas
en los que era principalmente la impedancia la que variaba. Si bien
tambin la impedancia varia, esta impedancia esta determinada por el
nivel de acoplamiento entre los devanados y este finalmente
responde a la posicin relativa del vstago en el sistema. Obviamente
tambin este sistema tiene sus limitaciones:
En dispositivos reales, en la posicin central la tensin de
salida no es cero, pero si es la tensin mnima del sistema, esto se
debe a las capacidades parasitas y a inhomogeneidades en las
bobinas.
Se presentan seales armnicas de la seal del primario en la
salida, sobre todo la tercer armnica, debido a la saturacin de los
materiales magnticos.
Se presentan variaciones por temperatura, pues las resistencias
varan con estas. Esto se puede mejorar alimentando el sistema a
corriente constante.
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Las ventajas del LVDT son mltiples:
Su resolucin puede llegar al 0,1% Tiene un rozamiento muy bajo
entre ncleo y devanados, por lo que
imponen poca carga mecnica y una expectativa de vida til
expresada en tiempo medio entre fallas de 228 aos.
Ofrecen aislamiento elctrico entre el circuito del primario y
del secundario, con lo que pueden tener referencias o puestas a
tierra distintas.
Ofrecen tambin aislamiento elctrico entre el circuito elctrico y
el vstago que esta acoplado al elemento cuyo movimiento se quiere
determinar.
Tienen alta repetibilidad debido a su simetra, as como
sensibilidad unidireccional, alta linealidad, alta sensibilidad
(aunque esta ultima depende de la frecuencia de alimentacin).
Existen sensores con alcances entre 100m hasta 25 cm, con
tensiones es de 1 a 24Vrms y frecuencias entre 50Hz y 20kHz.
Los sensores de posicin LVDT lineales son capaces de medir los
movimientos tan pequeos que van desde unas cuantas millonsimas de
centmetro hasta varios centmetros, pero tambin son capaces de medir
las posiciones de hasta 50 cm.
La figura muestra los componentes de un LVDT tpica. La
estructura interna del transformador consiste en un bobinado
primario centrado entre un par de arrollamientos secundarios
idnticos, simtricamente espaciados sobre el primario. Las bobinas
se enrollan en una sola pieza de forma hueca rellena de polmeros de
vidrio reforzado con el fin de que sea trmicamente estable,
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encapsulado contra la humedad, envuelto en un escudo magntico,
que se sujeta a un cilindro de acero inoxidable. Este conjunto de
bobina es generalmente el elemento fijo del sensor de posicin.
El elemento mvil de un LVDT es un armazn tubular denominado
ncleo, que es libre de moverse axialmente dentro de una cavidad en
la bobina, y mecnicamente acoplado al objeto cuya posicin est
siendo medido. Esta cavidad es normalmente lo suficientemente
grande como para proporcionar espacio radial adecuado entre el
ncleo y dio a luz, sin ningn contacto fsico entre l y la
bobina.
Durante el funcionamiento el devanado del LVDT primario es
energizado con corriente alterna (excitacin primaria). La seal
elctrica de salida del LVDT es el voltaje de CA diferencial entre
los dos devanados secundarios, que vara con la posicin axial del
ncleo dentro de la bobina LVDT. Normalmente esta tensin de salida
de CA se convierte por los circuitos electrnicos adecuados a nivel
de CC de alta tensin o de corriente que es ms cmodo de utilizar.
7.1.3 Porqu utilizar la LVDT
Los LVDTs tienen ciertas caractersticas y beneficios
significativos:
Funcionamiento sin friccin
Una de las caractersticas ms importantes de un LVDT es su
funcionamiento sin friccin. En un uso normal, no hay contacto
mecnico entre el ncleo del LVDT y el conjunto de la bobina, por lo
que no hay roce, arrastrando u otra fuente de friccin. Esta
caracterstica es particularmente til en los ensayos de materiales,
las mediciones de desplazamiento de vibracin, y de alta
resolucin.
Resolucin Infinita
Como el LVDT opera segn los principios de acoplamiento
electromagntico en una estructura libre de friccin, este puede
medir infinitesimalmente pequeos cambios en la posicin central.
Esta capacidad infinita de resolucin slo est limitada por el ruido
en el acondicionador de seal del LVDT y la resolucin de la pantalla
de salida
Vida mecnica ilimitada
Normalmente no hay ningn contacto entre el ncleo del LVDT y la
estructura de la bobina, por lo tanto no hay desgaste. Esto
significa que un LVDT presenta una vida mecnica ilimitada.
Instalaciones de este factor es especialmente
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importante en aplicaciones de alta fiabilidad, tales como
aviones, satlites y vehculos espaciales, y nucleares. Tambin es muy
conveniente en control de procesos industriales y sistemas de
automatizacin en fbricas.
Robustos al medio ambiente
Son sensores robustos y duraderos a una variedad de condiciones
ambientales, resistentes a la humedad, as como la capacidad para
soportar cargas de choque importante y altos niveles de vibracin en
todos los ejes. Y el interior de escudo de alta permeabilidad
magntica minimiza los efectos de los campos externos de CA.
Tanto el casco y el ncleo estn hechos de metal resistente a la
corrosin; el casco tambin acta como un escudo magntico
suplementario. Y para aquellas aplicaciones donde el sensor tiene
que soportar la exposicin a los vapores inflamables o corrosivos, u
operar en el lquido a presin, el casco y el montaje de la bobina
puede ser sellado hermticamente con una variedad de procesos de
soldadura.
Los LVDTs pueden operar en rangos de temperatura muy amplios; en
casos especiales pueden ser producidos para operar a temperaturas
criognicas, o bien, utilizando materiales especiales, funcionan a
las elevadas temperaturas y a niveles de radiacin altos.
Rpido de Respuesta Dinmica
La ausencia de friccin durante el funcionamiento normal del LVDT
permite responder muy rpidamente a los cambios en la posicin
central. La respuesta dinmica del sensor LVDT slo est limitada por
los efectos de inercia de la masa pequea del ncleo. Sin embrago, la
respuesta del sensor est determinada por las caractersticas del
acondicionador de seal.
7.1.4 Aplicaciones en la industria Automatizacin de Mquinas
1. Medicin del dispositivo para moldes cilndricos en post
procesos 2. Medicin de fugas en pinzas de frenos 3. Comprobar la
longitud final de la tubera en el serpentn del condensador
en mquinas de aire acondicionado automtico 4. Operaciones de
rectificacin en mediciones de procesos automatizados 5. Confirmacin
de la instalacin de contactos en el montaje automtico de
conectores. 6. Medicin del espesor del acero en la operacin de
montaje mediante el
uso de dos LVDTs diferencial. 7. Corte automtico de tubo y
verificacin de su dimetro
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Ingeniera Civil
1. Medicin de desplazamiento de las anclas de hormign, prueba de
resistencia a la traccin, compresin, resistencia a la flexin y al
crecimiento de grietas en el hormign.
2. Medicin de la deformacin de paredes de hormign utilizado para
muros de contencin en instalaciones de tuberas para gas.
3. Medicin dinmica de la fatiga de los grandes componentes
estructurales utilizados en los puentes suspendidos.
Generacin de energa
1. LVDTs grandes y medianas son usadas en vlvulas de vapor de
admisin para medir la posicin del centro de la turbina de
precalentamiento y funcionamiento.
2. Vlvulas de acondicionamiento de turbinas de vapor de gran y
mediano tamao.
3. Posicionamiento de la vlvula del acelerador de turbinas de
vapor. 4. Posicionamiento de la vlvula de la bomba para el
suministro de agua de
alimentacin de calderas 5. Posicionamiento de la vlvula de las
turbinas para el control del
suministro de combustible de gas natural 6. Gua de las paletas
de las turbinas de gas para el control de posicin del
actuador de sistema de suministro de gas. 7. Expansin de la
shell de turbina. 8. Seguimiento nivel de fluido hidrulico en el
depsito de bombas de agua
de alimentacin en el ncleo de un reactor nuclear. Fabricacin de
productos
1. Medida de la altura del sistema de inyeccin para motores
diesel. 2. Medir el movimiento de la base de la espuma utilizada en
el proceso de
fundicin de espuma. 3. Medida de la altura de los tornillos que
sujetan la puerta en el automvil 4. Medida del espesor en varios
puntos del volante para asegurar su
equilibrio. 5. Controlar la profundidad de perforacin durante el
proceso de
transferencia de rotacin de una mquina 6. Medida de la altura de
partes de compresores de aire acondicionado. 7. Verificacin de la
compresin de los cojinetes de los ejes de rodamientos
en camiones y ferrocarriles. 8. Como indicador para la
sustitucin de las pastillas de los freno de disco
cuando su espesor ha disminuido
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9. Para la comprobacin de agujeros demasiado pequeos durante el
proceso de deteccin con una sonda de proximidad en la placa trasera
de la almohadilla de freno de disco.
Pulpa y Papel
1. Como actuador de la placa de pulpa que sirve para mantener la
placa de carga variable de material
2. Para controlar el espesor de pegamento aplicado a los
materiales utilizados para el corrugado de cajas de empaque.
3. Para el desplazamiento angular del brazo que facilita la
tensin del rollo de papel
Vlvulas Industriales
1. El desplazamiento de monitor de vlvulas neumticas en el
proceso de los productos qumicos
Investigacin y Desarrollo
1. Para la medida de presin en procesos industriales 2. Resorte
LVDT utilizados en mquina de pruebas de traccin para medir
el material que se comprime. 3. Para medir la expansin y
contraccin de los desplazamientos durante
las pruebas de fatiga en la fabricacin de tanques de combustible
en el sector del automovilismo
4. Posicin de la vlvula de combustible en las pruebas de las
turbinas de gas (en lugares peligrosos).
5. Radial / axial de expansin y contraccin de las muestras de
suelo.
Carrera de autos
1. En I + D para medir el rendimiento de la suspensin y los
perfiles (desplazamiento lineal)
2. Para la medida de posicin del acelerador 3. Sistemas de
suspensin activa 4. Indicacin del engranaje de la transmisin
Otras aplicaciones
1. Medida de desplazamiento del vstago de la vlvula termostato
para el sistema de control de camiones con motor diesel.
2. Desplazamiento del diafragma en equipos automatizados de
procesamiento de la sangre. (Presin de base transductor LVDT)
3. Como actuador lineal de posicin usado en sistemas de
calderas.
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4. Para la medicin del desplazamiento de las clulas en la sangre
cuando estas se contraen. Otro uso clnico, es en el diagnstico de
trastornos de la sangre.
5. Como control de la posicin del pedal del freno para el
sistema con cable.
6. Medida del desplazamientos muy pequeos en el eje del cigeal
para el equilibrio de la mquina, en sistemas de alto rendimiento de
automviles e
7. Medida del desplazamiento de la punta de diamante cuando se
quiere determinar la dureza de un material.
8. Para medir el desplazamiento del pistn de cavado de la bomba
(presiones de hasta 1500 psi)
9. Medicin de desgaste del motor de equipos de inyeccin de alta
velocidad
10. Posicin del alimentador de sistemas de control automatizados
de soldadura
11. Unidad especial, utilizada en la posicin del actuador lineal
de retroalimentacin de los alerones del avin.
Ejemplo de LVDT El lazo de dos hilos de la serie 4-20 mA de GHSI
750 accion los sensores de posicin por resorte de DC-LVDT
Descripcin
Los sensores macros series GHSI 750 de dimetro de 3/4 pulgada
por resorte, LVDTs lazo-accionado se disean para la supervisin de
una amplia gama de posibilidades. Estos sensores sellados
hermticamente se construyen enteramente del acero inoxidable, son
pensados para uso industrial en general. Las bobinas estn
protegidas de ambientes hostiles a IEC IP-68 estndar. Las
conexiones de la entrada-salida se hacen a travs de un conector
axial sellado, y un enchufe de acoplamiento.
El sensor consiste en un eje por resorte que funciona en un
cojinete liso de la precisin y conectado con el eje un LVDT. El uso
de un cojinete liso permite una precisin a la capacidad de
repeticin de la medida de 0.0001 pulgadas (m 2.5) o mejor. El eje
de la punta de prueba se ampla completamente por un resorte que
ejerce una fuerza nominal de 6 a 20 onzas dependiendo de gama
total.
Los transmisores de 750 series de GHSI ofrecen una operacin sin
friccin, alta resolucin, capacidad de repeticin excelente, y una
histresis baja asociada a tecnologa de LVDT, junto con la
conveniencia y la simplicidad de operacin viene precalibrado a
corriente de 4-20 mA. La electrnica incorporada funciona
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sobre una amplia gama de voltajes de alimentacin, estn diseados
para conectarse a muchos PLCs, indicadores digitales, los
convertidores del A/D, PC industriales y a varios sistemas de
recoleccin de datos.
Disponible en radios de accin de 0.100 pulgadas (2.5 milmetros)
para 4.00 pulgadas (100 milmetros), el mximo error de las
linealidad para un sensor de 750 series de GHSI es de 0.10% del
rango de salida
Para simplificado el montaje de las 750 series de GHSI tiene un
soporte hilo con rosca de 1/2-20 UNF-2A en el frente de la
cubierta, permitiendo que el usuario instale el LVDT en una parte
roscada, para acoplar la estructura del sensor se usan dos tuercas
de sujecin montadas con el sensor. Esto da lugar a un paquete listo
para ser utilizado en medidas de posicin y usos que requieran de ms
alcance.
Caractersticas
Movimientos desde de 0.100 pulgadas a 4.00 pulgadas
Conectador en lnea, enchufe de acoplamiento incluido
Salida de 4 a 20 mA
Capacidad de repeticin de 0.0001 pulgadas
Linealidad de el 0.10%
Bobina ambientalmente sellada a IEC IP-
68
Caractersticas tcnicas
Voltaje de fuente del lazo 10V a C.C. 28V Resistencia de lazo
(mnima) 50 ohmios
Corriente de salida 4 a 20 mA, lazo de dos hilos Ruido y
ondulacin de la salida
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Gama nominal Milmetro 2.5 6.3 12.5 25 50 100
Factor de posicionamiento mA/Inch 160 64 32 16 8 4
Factor de posicionamiento mA/Millimeter 6.4 2.6 1.28 0.64 0.32
0.16
Pretravel Pulgada 0.12 0.13 0.10 0.10 0.05 0.02
Pretravel Milmetro 3.0 3.3 2.5 2.5 1.3 0.5
Sobreactuacin Pulgada 0.12 0.13 0.10 0.10 0.05 0.02
Sobreactuacin Milmetro 3.0 3.3 2.5 2.5 1.3 0.5
Dimensione A Pulgadas 5.46 6.10 6.86 11.36 13.82 21.75
Dimensione A Milmetro 139 155 174 289 351 553
Dimensin B Pulgadas 4.36 4.99 5.75 9.87 11.40 17.19
Dimensin B Milmetro 111 127 146 251 291 437
Dimensin C Pulgadas 2.82 3.44 4.20 6.70 8.20 11.71
Dimensin C Milmetro 72 87 107 170 208 297
Peso Onzas 3.1 3.6 4.3 6.4 6.7 10.5
Peso Gramos 85 102 170 180 185 296
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Resistencia de lazo contra voltaje de fuente mnimo del lazo
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7.2 Sensor Inductivo de Proximidad
7.2.1 Principio de Funcionamiento Se basan en el uso de
osciladores, cuya amplitud de oscilacin se ve afectada por la
aproximacin de un objeto metlico. Para general la oscilacin
sinusoidal, se utilizan osciladores LC (bobina y condensador)
Objeto metlico
La bobina del oscilador LC se halla en un ncleo magntico de
medio cuerpo. Oscila a una frecuencia tpica que se halla en el
rango de 100 a 1000 Khz. El oscilador genera un campo
electromagntico de alta frecuencia. La amplitud del oscilador se
atena o disminuye si se aproxima un objeto metlico al ncleo de
medio cuerpo o alo que se llama zona activa de deteccin que
corresponde a la zona del campo magntico.
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El objeto metlico que se acerca a la zona activa de deteccin
extrae energa del campo magntico, debido a la formacin de
corrientes parsitas (corrientes de Eddy) en el objeto. Ello hace
que se aumento la carga en el sensor, disminuyendo la amplitud del
campo magntico. El circuito de deteccin monitorea la amplitud del
oscilador. 7.2.2Tipos de salida elctrica de los sensores inductivos
El sensor inductivo puede tener salida anloga o digital. En el caso
del sensor con salida anloga, la salida del dispositivo es
proporcional a la distancia del objeto al sensor. Esto quiere decir
que cuando el objeto se acerca ms al sensor, este absorbe ms energa
y por lo tanto reduce ms la amplitud de la seal del oscilador.
El diagrama en bloque de este sensor con salida anloga sera:
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El diagrama en bloque de este sensor con salida digital sera: En
el caso del sensor con salida digital, el circuito de disparo
monitorea la amplitud del oscilador y a un nivel determinado
conmuta el estado de salida del sensor que puede ser alto (24V) o
bajo (0 V). La salida conmuta cuando hay presencia de un objeto
metlico dentro de la zona activa de deteccin.
OSCILADOR GENERADOR
DEMODULADOR AMPLIFICADOR ETAPA LINEALIZACION
ETAPA ACONDICIONAMIENTO DE SEAL
TENSION EXTERNA
TENSION INTERNA
CONSTANTE BOBINA ZONA ACTIVA DE DETECCION
SALIDA CORRIENTE O
TENSION
OSCILADOR GENERADOR
DEMODULADOR DISPARO ETAPA DE SALIDA
TENSION EXTERNA
TENSION INTERNA
CONSTANTE BOBINA ZONA ACTIVA DE
DETECCION
SALIDA TENSION
ALTO O BAJO
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7.2.3 Distancia de conmutacin El voltaje o corriente de salida
(sensor inductivo con salida anloga) o la distancia de conmutacin o
cambio de la salida de alto a bajo o de bajo a alto (sensor
inductivo con salida digital), depende de la conductividad elctrica
del material a detectar. Se pueden alcanzar distancias hasta de 250
mm. La siguiente tabla muestra la conductividad de diferentes
materiales metlicos:
CONDUCTOR CONDUCTIVIDAD m/(mm2) FA CTOR DE REDUCCION
Acero Dulce 1
Niquel cromo 0.70 - 0.90
Cobre 56 0.25 0.40 Aluminio 33 0.35 0.50
Latn 15 0.35 0.50
La tabla indica que las mayores distancias se alcanzan con
materiales magnticos, las distancias son menores con materiales
metlicos no magnticos. El Factor de Reduccin es la relacin entre la
distancia detectada por un material metlico y la distancia
detectada por una lmina de hierro dulce Fe 306 de 1 mm de espesor
(segn el euroestndar 25 y 27 o ISO 630). La lmina de acero dulce es
ms ferromagntica que cualquier otro metal, por lo tanto puede
quitar ms energa al campo magntico del sensor y por lo tanto se
pueden detectar mayores distancias que con cualquier otro
material.
tan
tan
Dis Detecc MaterialFR
Dis Detecc AceroDulce
7.2.4 Caractersticas Tcnicas Esta tabla solo representa una
informacin general ms tpica de los sensores de proximidad
inductivos:
Materiales que detecta Metlicos
Tensin de funcionamiento Tpica de 10 a 30 Vdc 20 a 220 Vac
Distancia de conmutacin nominal Tpica 0.8 a 10 mm Mx 250 mm
Intensidad mxima 75 mA a 400 mA
Temperatura de funcionamiento -25C a +70C
Vibracin 10 50 Hz
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1 mm amplitud
Sensibilidad a la suciedad Insensible
Vida til Larga vida
Frecuencia de conmutacin Tpica 10 a 5000Hz Mx 20000Hz
Construccin Cilndrica y rectangular
Tamao 4mm a 30 mm 25mm*40mm*80mm
Proteccin IEC529, DIN40050 Hasta IP 67
Proteccin elctrica Inversin de polaridad Cortocircuitos Picos de
tensin Rotura de cable
7.2.5 Blindaje Los sensores de proximidad posen bobinas
enrolladas en ncleo de ferrita y estas pueden ser blindadas y no
blindadas. Los sensores inductivos no blindados pueden medir una
mayor distancia que los blindados.
El sensor inductivo blindado tiene las siguientes
caractersticas
El ncleo de ferrita tiene como funcin concentrar el campo
radiado en la direccin de la deteccin. Un anillo alrededor del
ncleo metlico sirve para restringir la radiacin lateral del
campo.
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7.2.6 Tipo de montaje Cuando los sensores son instalados en
alojamientos metlicos se deben conservar unas distancias mnimas de
sujecin, tal como se indica en el dibujo, mnimo una distancia d
igual al dimetro del sensor, Esta distancia permite que los
sensores no influyan unos con otros. Este tipo de sujecin es los
que se conoce como montaje enrasado.
Tcnica de montaje para determinar la mejor distancia de deteccin
de metales. El montaje no enrasado se puede montar sobre
superficies metlicas que pueden afectar el comportamiento del
sensor. Este tipo de instalacin requiere
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unas distancias mnimas para que no se vea afectado el
funcionamiento del sensor.
Estos sensores no tienen anillos de metal rodeando el ncleo para
restringir la radiacin lateral del campo
Estos sensores no se pueden montar a ras de un metal Deben tener
un rea libre de metal alrededor del ncleo
7.2.7 Grosor de los objetos para su sensado La distancia de
sensado es constante para objetos estndar; sin embargo para
materiales no ferrosos como por ejemplo el aluminio, el latn, el
bronce, aluminio o el cobre, ocurre un fenmeno conocido como efecto
epitelial, que consiste en una disminucin de la distancia de
sensado cuando el objeto aumenta de grosor.
7.2.8 Mtodos de conexin de los sensores inductivos de proximidad
Estos dispositivos vienen en tres formatos de acuerdo con su salida
elctrica; y pueden ser PNP y NPN Dos hilos: Positivo y
referencia
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Tres hilos: Positivo, referencia y seal de salida Cuatro hilos:
Positivo, referencia, seal de salida y seal de salida inversa
Conexin a 2 hilos
Conexin a tres hilos con salida PNP Un hilo es para la
alimentacin en positivo Un hilo para la referencia o negativo Un
hilos par la seal de salida. Seal que puede ir al PLC o al PC
industrial, etc
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Conexin a tres hilos con salida NPN Un hilo es para la
alimentacin en positivo Un hilo para la referencia o negativo Un
hilos par la seal de salida. Seal que puede ir al PLC o al PC
industrial, etc
Conexin a 4 hilos Un hilo es para la alimentacin en positivo Un
hilo para la referencia o negativo Un hilos par la seal de salida.
Seal que puede ir al PLC o al PC industrial, etc
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7.2.9 Simbologa estndar a 3 hilos
7.2.10 Cdigo de colores segn la DIN IEC 757; EB 50044
Terminal Color Abreviatura
Alimentacin + Marrn BN (Brown)
- Azul BL (Blue)
Salida (carga) Para 3 hilos Negro BK (Black)
Para 4 hilos
Normalmente abierto Negro BK
Normalmente cerrado Blanco WH (White)
7.2.11 Aplicaciones
Deteccin del embolo de un cilindro neumtico o hidrulico Deteccin
de piezas metlicas en cintas transportadoras Deteccin de un rbol de
levas por medio de sensores de proximidad
inductivos Medicin de la velocidad y sentido de rotacin Deteccin
de posicin de un actuador giratorio neumtico Deteccin lateral de
cuerpos de vlvulas Deteccin de la posicin final de la matriz de una
prensa
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Mediante la deteccin del filamento del bombillo con el sensor
inductivo se verifica la existencia del bombillo dentro del
empaque.