Ingeniería Electrónica. Por : Avid Roman Gonzalez

Transcripción

1 Por : Avid Roman Gonzalez

2 INTRODUCCIÓN Los sensores permiten la adquisición del a información necesaria para el control del robot. En el estudio de los sensores debe involucrarse la medida del as magnitudes y su representación en forma compatible paras u procesamiento. En la tomad e medidas siempre existe un cierto grado de incertidumbre. En principio, el incremento del a información hace posible la reducción del a incertidumbre. Para ellos e trata de tomar mas medidas o de emplear sensores redundantes. Existen diferentes portadores de información basados en distintos principios físicos y químicos. Así, entre los principios y parámetros involucrados cabe mencionar: - Mecánica: Posición, velocidad, tamaño, fuerza, etc. - Termotecnia: Temperatura, calor, etc. - Electricidad: Voltaje, intensidad, resistencia, capacidad, etc. - Magnetismo: Intensidad de campo, densidad de flujo, etc. - Química: Concentración de un material, estructura cristalina, etc. - Radiación de todas las frecuencias: Intensidad, frecuencia, fase, etc. Con respecto al procesamiento y transmisión del a información, pueden emplearse también distintas tecnologías con limitaciones físicas diferentes: - Hidráulica mediante el empleo de componentes fluidicos. En este caso, existe el limite del a velocidad del sonido en un fluido. - Eléctrica y electrónica. En la actualidad se emplea circuitos electrónicos. El limite de velocidad viene dado por l amovilidad del as cargas en un material semiconductor. - Radiante empleando componentes ópticos. El limite es la velocidad del a luz en la guía. En la actualidad, se emplea casi con exclusividad el procesamiento electrónico. Paras u emplee s necesario traducir las magnitudes a señales eléctricas. En numerosas aplicaciones, además del as propias magnitudes, interesa conocer sus derivadas ene l espacio o ene l tiempo. Para ello puede procederse a la medida del a magnitud ya l calculo del a derivada mediante procesamiento. También es posible la medida directa del a derivada, tal como la velocidad de giro de un eje mediante un tacómetro.

3 SENSORES Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad una cantidad física cualquiera, por ejemplo la temperatura en otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y procesamiento. En un sentido mas amplio, e luso del os sensores no se limita solamente a la medición ola detección de cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas. Asimismo, la salid ano siempre tiene que se runa señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lamina bimetalica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal mecánica) proporciona la temperatura (señal térmica). Estructura y principio de funcionamiento: Todos los sensores utilizan uno o mas principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada el tipo de variable de salid amas adecuado para el controlo monitoreo de cada proceso particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del materia len si os u disposición geométrica. Ene l caso de sensores cuya salida e suna señal eléctrica, la obtención de esta ultima implica generalmente e luso de un transductor primario y opcionalmente, uno o mas transductores secundarios. La función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en otra mas fácil de manipular. Esta ultima no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica. El transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente. Una vez obtenida. Esta ultima es sometida aun proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades del a carga exterior o del a circuiteria de control. Sistema generalizado de medición: Podemos decir que la mayoría de los sistemas de medición se pueden dividir en tres partes: 1. Etapa detectora-transductora, la cuál detecta la variable física y efectúa una transformación, ya sea mecánica o eléctrica para convertir la señal a una forma más manejable. Generalizando el concepto, un transductor es un dispositivo que transforma un efecto físico en otro, y en la gran

4 mayoría de los casos, la variable física se transforma en una señal eléctrica, ya que ésta es la forma de señal más fácilmente medible. 2. La etapa intermedia. la cuál modifica la señal que proviene del transductor, ya sea por amplificación, filtrado u otros medios para tener una salida deseable. 3. Una etapa final o terminal, en la cuál se indica, graba o controla la variable que va a ser medida. Para citar un ejemplo consideremos un manómetro de tubo de Bourdón; éste medidor ofrece un ejemplo de un sistema generalizado de medición. En éste caso el tubo de Bourdón es la etapa detectoratransductora porque convierte la señal de presión en un desplazamiento mecánico del tubo. La etapa intermedia consiste en un sistema de relojería el cual amplifica el desplazamiento de la parte final del tubo, que es un desplazamiento relativamente pequeño, de manera que se convierte en un movimiento de aproximadamente tres cuartos de revolución en el engrane central. La etapa final indicadora consiste de una carátula y una aguja, las cuáles cuando se calibra el aparato con entradas de presión conocidas, dan una indicación de la señal de presión ejercida en el tubo de Bourdón. Cuando se utiliza un aparato de control en la etapa final de medición, es necesario aplicar alguna señal de retroalimentación a la señal de entrada para cumplir los objetivos del control. La etapa de control compara la señal que representa la variable medida con alguna otra señal de la misma forma que represente el valor asignado que debería tener la variable medida. Si la señal medida concuerda con el valor predeterminado en el controlador, éste último no actúa; si por el contrario las señales no concuerdan, el controlador envía una señal a un aparato que actúa para alterar el valor de la variable medida. Este aparato depende de la variable que se vaya a controlar; es decir, si la variable medida es el gasto de un fluido, el actuador debe ser una válvula localizada en el sistema de flujo. Si el gasto medido es alto, el controlador ocasionaría que la válvula se cerrara, reduciendo consecuentemente el gasto. Si el gasto fuese muy bajo, la válvula se abriría. Seguirá es que la operación cesaría cuando el gasto deseado se alcanzara. Ventajas de luso de sistemas de medida eléctricos o electrónicos: 1. Prácticamente, se puede construir cualquier tipo de transductor que entregue una señal eléctrica para cualquier magnitud física eléctrica o no eléctrica, dada la estructura electrónica de la materia (Cualquier variación de un parámetro no eléctrico de un material viene acompañado por una variación de un parámetro eléctrico). 2. La facilidad de amplificar señales eléctricas; que implica poca extracción de energía del sistema a medir (sensores no intrusivos). 3. Variedad de recursos para acondicionar o modificar la señal (circuitos integrados, etc.).

5 4. Variedad de recursos para presentar o registrar la señal (datos numéricos, textos, gráficos, diagramas, etc.). 5. La versatilidad de la transmisión de las señales eléctricas. No obstante hay casos en los que el entorno no permite utilizar este tipo de señales, como cuando se tienen radiaciones ionizantes o atmósferas explosivas. 6. La gran velocidad de respuesta de los sistemas eléctricos o electrónicos. CLASIFICACION DE LOS SENSORES: Los sensores se pueden clasificar de distintas maneras. Por ejemplo tenemos: - Sensores Primarios: Sensores de temperatura, de presión, de caudal y de nivel ; los cuales desarrollaremos detenidamente mas adelante. - También tenemos: Sensores resistivos, de reactancia variable y electromagnéticos, sensores generadores, digitales y sensores inteligentes ; del os cuales solo daremos un breve concepto ya que son los mismos sensores sol oque están clasificados de distinta manera. SENSORES DE TEMPERATURA: 1.- Introducción: Es fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas y repetibles no es tan fácil. La temperatura es un factor de medida engañoso debido a su simplicidad. A menudo pensamos en ella como un simple número, pero en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad pueden verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida. Esta dificultad se puso claramente de manifiesto en el año 1990, cuando el comité encargado de revisar la Escala Práctica Internacional de Temperaturas ajustó la definición de una temperatura de referencia casi una décima de grado centígrado. (Imaginemos lo que ocurriría si descubriéramos que a toda medida que obtenemos normalmente le falta una décima de amperio.) Dicho de otra forma, la temperatura es difícil de medir con exactitud aún en circunstancias óptimas, y en las condiciones de prueba en entornos reales es aún más difícil. Entendiendo las ventajas y los inconvenientes de los diversos enfoques que existen para medir la temperatura, resultará más fácil evitar los problemas y obtener mejores resultados. 2.- Conceptos básicos de temperatura: Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia). Variación de resistencia de un semiconductor (termistores). f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares). Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.).

6 Ningún transductor es el mejor en todas las situaciones de medida, por lo que tenemos que saber cuándo debe utilizarse cada uno de ellos. Como podemos ver, en la Tabla 1 se están comparando los cuatro tipos de transductores de temperatura más utilizados, y refleja los factores que deben tenerse en cuenta: las prestaciones, el alcance efectivo, el precio y la comodidad. Ventajas Desventajas RTD Termistor Sensor de IC Termopar Más estable. Más preciso. Más lineal que los Termopares. Caro. Lento. Precisa fuente de alimentación. Pequeño cambio de resistencia. Medida de 4 hilos Autocalentable Alto rendimiento Rápido Medida de dos Hilos No lineal. Rango de Temperaturas limitado. Frágil. Precisa fuente de alimentación. Autocalentable El más lineal El de más alto rendimiento Económico Limitado a < 250 ºC Precisa fuente de alimentación Lento Autocalentable Configuraciones limitadas Autoalimentado Robusto Económico Amplia variedad de formas físicas Amplia gama de temperaturas No lineal Baja tensión Precisa referencia El menos estable El menos sensible 3.- Tipos de sensores de temperatura: Termómetros de Resistencia.- La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: R t = R 0 (1 + t) En la que: R 0 = Resistencia en ohmios a 0 C. R t = Resistencia en ohmios t C. = Coeficiente de temperatura de la resistencia El detector de temperatura de resistencia (RTD): Se basa en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende de la temperatura. La elección del platino en los RTD de la máxima calidad permite realizar medidas más exactas y estables hasta una temperatura de aproximadamente 500 ºC. Los RTD más económicos utilizan níquel o aleaciones de níquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino.

7 En cuanto a las desventajas, el platino encarece los RTD, y otro inconveniente es el autocalentamiento. Para medir la resistencia hay que aplicar una corriente, que, por supuesto, produce una cantidad de calor que distorsiona los resultados de la medida. Una tercera desventaja, que afecta al uso de este dispositivo para medir la temperatura, es la resistencia de los RTD. Al ser tan baja, la resistencia de los hilos conductores que conectan el RTD puede provocar errores importantes. En la denominada técnica de dos hilos (Figura 1a), la resistencia se mide en los terminales del sistema de adquisición de datos, por lo que la resistencia de los hilos forma parte de la cantidad desconocida que se pretende medir. Por el contrario, la técnica de cuatro hilos (Figura 1b) mide la resistencia en los terminales del RTD, con lo cual la resistencia de los hilos queda eliminada de la medida. La contrapartida es que se necesita el doble de cables y el doble de canales de adquisición de datos. (La técnica de tres hilos ofrece una solución intermedia que elimina un cable, pero no es tan precisa.) Figura 1a Figura 1b 3.3.-Termistores: Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva característica lineal tensión-corriente siempre que la temperatura se mantenga constante. La relación entre la resistencia y la temperatura viene dada por la expresión. En la que: R t = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta T t. R 0 = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T 0. = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas. Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores de conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1 C (span). Son de pequeño tamaño y su

8 tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones variando de fracciones de segundo a minutos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperaturas del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros. Los termistores, que son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cerámicos, ofrecen una impedancia mucho más alta que los RTD, por lo que la reducción de los errores provocados por los hilos conductores hace bastante factible el uso de la técnica de dos hilos, que es más sencilla. Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura) permite obtener medidas de alta resolución y reduce aún más el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Por otra parte, la bajísima masa térmica del termistor minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba. No obstante, la baja masa térmica también plantea un inconveniente, que es la posibilidad de un mayor autocalentamiento a partir de la fuente de alimentación utilizada en la medida. Otro inconveniente del termistor es su falta de linealidad, que exige un algoritmo de linealización para obtener unos resultados aprovechables Sensores de IC.- Los sensores de circuitos integrados resuelven el problema de la linealidad y ofrecen altos niveles de rendimiento. Son, además, relativamente económicos y bastante precisos a temperatura ambiente. Sin embargo, los sensores de IC no tienen tantas opciones de configuraciones del producto o de gama de temperaturas, y además son dispositivos activos, por lo que requieren una fuente de alimentación. Los sensores de IC forman parte de la tendencia hacia los "sensores inteligentes", que son unos transductores cuya inteligencia incorporada facilita las actividades de reducción y análisis de datos que el usuario debe realizar normalmente en el sistema de adquisición de datos Termopares.- Los termopares se utilizan extensamente, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo.- En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 2. Ley de metales intermedios.- Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas

9 electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B. 3. Ley de las temperaturas sucesivas.- La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T 1 T 3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T 1 T 2 de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T 2 T 3. Cómo funcionan los Termopares.- El comportamiento de un termopar se basa en la teoría del gradiente, según la cual los propios hilos constituyen el sensor. La Figura 2A ilustra este concepto. Cuando se calienta uno de los extremos de un hilo, le produce una tensión que es una función de (A) el gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro, y (B) el coeficiente de Seebeck, una constante de proporcionalidad que varía de un metal a otro. Un termopar se compone sencillamente de dos hilos de diferentes metales unidos en un extremo y abiertos en el otro (Figura 2b). La tensión que pasa por el extremo abierto es una función tanto de la temperatura de la unión como de los metales utilizados en los dos hilos. Todos los pares de metales distintos presentan esta tensión, denominada tensión de Seebeck en honor a su descubridor, Thomas Seebeck. Figura 2a Figura 2b En pequeñas gamas de temperaturas, los coeficientes de Seebeck de los dos hilos son constantes y la tensión de Seebeck es, por consiguiente, proporcional, pero en gamas más grandes, el propio coeficiente de Seebeck es una función de la temperatura, convirtiendo la tensión de Seebeck en no lineal. Como consecuencia, las tensiones del termopar también tienden a ser no lineales. Coeficiente de Seebeck Tipo de Termopar a 0 ºC a 100 ºC Tensión de salida a 100 ºC B -0,25 V/C 0,90 V/C 0,033 mv E 58,7 V/C 67,5 V/C 6,32 mv J 50,4 V/C 54,4 V/C 5,27 mv K 39,5 V/C 41,4 V/C 4,10 mv S 5,40 V/C 7,34 V/C 0,65 mv Tabla. Coeficientes de Seebeck y tensiones de salida para los termopares utilizados habitualmente. Las dos cifras que representan los coeficientes para cada uno de los tipos muestran la no linealidad a través de una amplia gama de temperaturas. Un asunto adicional muy importante en el uso de termopares en la industria tiene que ver con la variación de la temperatura ambiente en las uniones frías. Esta es la situación: si supiéramos de antemano

10 la temperatura de las uniones frías, entonces en lugar de relacionar la lectura del voltímetro con la diferencia de temperatura, se podría relacionarla con la temperatura de la unión caliente misma. Esto sería posible pues podríamos construir las tablas de temperatura contra voltaje para que reflejaran el hecho de que las uniones frías están a una cierta temperatura de referencia (como se le denomina) conocida. Datos Técnicos de Referencia de las Termocuplas Thermocouple Type Names of Materials B C E J K N R S T Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-) Useful Application Range ( F ) mv W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-) Chromel (+) Constantan (-) Iron (+) Constantan (-) Chromel (+) Alumel (-) Nicrosil (+) Nisil (-) Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-) Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-) Copper (+) Constantan (-) Códigos de color de los Termocuplas.- El alambrado de las termocuplas esta codificado dependiendo del tipo. Diferentes países utilizan códigos diferentes para los colores. Los códigos más comunes son:. United States ASTM: British BS1843: 1952:

11 British BS4937: Part 30: 1993: French NFE: German DIN: Características del os medidores de temperatura: SENSORES FOTOELÉCTRICOS : Un transductor fotoeléctrico convierte un haz de luz en una señal eléctrica. Para representar ésta teoría, consideremos un circuito. La luz incide en el cátodo fotoemisivo y libera electrones, los cuáles son atraídos hacia el ánodo, con lo cuál se produce una corriente eléctrica en el circuito externo. El cátodo y el ánodo están encerrados en un receptáculo de vidrio o de cuarzo, el cuál puede estar evacuado o lleno de un gas inerte. La sensibilidad fotoeléctrica está definida por

12 corriente fotoeléctrica iluminación del cátodo sensibilidad Generalmente la sensibilidad se expresa en unidades de amperes por watt o amperes por lumen. SENSORES FOTOCONDUCTIVOS: El principio del transductor fotoconductivo consiste en que se aplica un voltaje sobre un material semiconductor; cuando incide la luz sobre el material semiconductor se presenta un decremento en la resistencia, por lo que se produce un incremento en la corriente, el cuál se indica en el medidor. Los transductores fotoconductivos gozan de un amplio rango de aplicaciones y se utilizan para la medición de radiación a todas las longitudes onda. Sin embargo, es pertinente hacer notar que se pueden encontrar graves dificultades experimentales cuando se opera con radiaciones de gran longitud de onda. SENSORES POR EFECTO may: El principio del efecto Hall consiste en una placa de un conductor o semiconductor de espesor t y luego se conecta de tal manera que una corriente I pasa a través del material. Cuando se aplica un campo magnético sobre la placa en una dirección perpendicular a la superficie de la misma, Se genera un potencial EH, el cuál se le denomina voltaje Hall y está dado por Donde I está en amperes, B está en gauss y t en centímetros. A la constante de proporcionalidad se le llama coeficiente Hall y tiene las unidades de volt-cm/amp-gauss.

13 CODIFICACIÓN ÓPTICA DE POSICIÓN La idea de un disco giratorio para pasar y bloquear alternativamente un haz de luz para medir la cantidad de vueltas que gira un eje, su velocidad y su posición. Generalmente reciben el nombre de ENCODERS, algunos trabajan con la reflexión del haz de luz. SENSORES DE PRESION: 1.- Tubo Bourdon: 1.1.-Tipo C: Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo cerrado por un extremo y conectado a la fuente de presión por el otro. Al aumentar la presión en el interior del tubo éste se endereza, provocando un movimiento que es captado por una aguja indicadora o un transmisor (colocados en el extremo cerrado del tubo) De hélice y espiral Miden presiones con una mayor precisión ya que el movimiento de sus extremos cerrados es mayor. 2.-Fuelle: Es un tubo fino sin soldadura, ondulado, de acero inoxidable o latón, que por efecto de la presión se estira o contrae con un desplazamiento considerable. Para conseguir una mayor duración el y precisión el movimiento está contrarrestado por un muelle.

14 3.- Diafragma: Es similar al fuelle en concepto. Está formado por un disco metálico flexible con la superficie plana o con ondulaciones concéntricas. 4.- Sensor capacitivo: Consta de dos membranas exteriores y un fluido en contacto con un diafragma sensor, situado entre las dos armaduras de un condensador. El fluido transmite la presión soportada por las membranas al diafragma, el cual se desplaza hacia un lado o hacia otro proporcionalmente a la presión diferencial. Esto hace que varíe la constante dieléctrica entre las placas del condensador. 5.- Sensor de galgas extensiométricas: Al someter una galga a presión, varía su longitud y su diámetro y en consecuencia su resistencia eléctrica. Para medir dicha resistencia se conecta la galga a un puente de Wheatstone. Se suelen conectar 4 (2 a tensión y 2 a Compresión) y además a la misma temperatura, para evitar cambios en R que no se deban a la deformación. 5.- Sensor inductivo: Se basa en que al desplazar un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la tensión inducida en el arrollamiento secundario. 6.- Sensor piezoeléctrico: Se basa en el hecho de que al recibir una presión un material piezoeléctrico (como el cuarzo o el titanio de bario), y deformarse físicamente, genera una señal eléctrica.

15 MEDIDORES DE CAUDAL: 1.- Medidores de presión diferencial:. Al restringir el paso de fluido se produce una caída de presión estática Placa orificio: Es una placa con un orificio (generalmente afilado aguas arriba y biselado aguas abajo). Se usa con líquidos limpios y gases. Los fluidos sucios producen erosión del filo de la placa. Se usan orificios excéntricos: en la parte alta, para permitir el paso de gases al medir líquidos. en la parte baja, para dejar pasar sólidos suspendidos.

16 1.2.- Tubo Venturi: Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión. Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave. Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados. Se utiliza para tasas de "turn down" (relación entre el máximo y el mínimo caudal, ej. 4:1 ) altas, como la de las líneas de vapor. El alto coste restringe su utilización Tubo Pitot: Mide la velocidad en un punto. Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula. Midiendo la altura de la columna de líquido tenemos la presión total del punto. Si medimos la presión estática con otro tubo, podemos calcular la velocidad como función de la diferencia de presiones Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por ello una buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases limpios. El tubo Annubar es una variante del tubo de Pitot que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el error que produce el tubo de Pitot. Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo. Tienen baja precisión (0.5-5%), pero son adecuados para fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.

17 2.- Medidores de velocidad: Turbina: El fluido entra en el medidor y hace girar un rotor a una velocidad que es proporcional a la del fluido, y por tanto al caudal instantáneo. La velocidad de giro del rotor se mide por conexión mecánica (un sensor registra el número de vueltas) o por pulsos electrónicos generados por cada giro. Son los más precisos (Precisión %). Son aplicables a gases y líquidos limpios de baja viscosidad. Problemas: Pérdida de carga y partes móviles Medidor electromagnético: Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday: el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensión del conductor, y fuerza del campo magnético (E=K V D B). El medidor consta de: Tubo de caudal: el propio tubo (de material no magnético) recubierto de material no conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido), bobinas generadoras del campo magnético, electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido. Transmisor: Alimenta eléctricamente (C.A. o C.C.) a las bobinas. Elimina el ruido del voltaje inducido. Convierte la señal (mv) a la adecuada a los equipos de indicación y control (ma, frecuencia, digitales). Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigen conductividad de 5 &/cm. No originan caída de presión. Se usan para líquidos sucios, viscosos. y contaminados. Precisión: %

18 2.3.- Medidor Vortex: La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluido provoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido como vórtice o torbellino (efecto de Van Karman). Los vórtices son áreas de movimiento circular con alta velocidad local. La frecuencia de aparición de los vórtices es proporcional a la velocidad del fluido. Los vórtices causan áreas de presión fluctuante que se detectan con sensores. Para poder usar este medidor es necesario que el fluido tenga un valor mínimo del número de Reynolds (Re= v D / ). Indicado para gases y líquidos limpios. Precisión: 1% Rotámetros: Medidores de área variable en los que un flotador cambia su posición de forma proporcional al caudal Como indicador visual. Se le puede hacer acoplamiento magnético. Instalación en vertical Medidores de ultrasonidos: Emplean ondas ultrasónicas para determinar el caudal. Son buenos para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Precisión: 2-5% Medidor a pulsos.- Se introducen dos pulsos inclinados y simultáneamente, mediante dos transmisores emisor- receptor, que reflejan en la tubería. La diferencia de tiempo para el mismo camino recorrido depende de la velocidad del flujo. Medidor Doppler.- Emite ondas de frecuencia fija que reflejan en el fluido. Como el fluido posee velocidad se produce una variación de la frecuencia de la onda reflejada

19 3.-Medidor másico térmico: 3.1.-Medidor de incremento de Tª: Consiste en aportar calor en un punto de la corriente y medir la Tª aguas arriba y aguas abajo. Si la velocidad del fluido fuese nula no habría diferencia de Tª, pero al existir velocidad la diferencia de Tª es proporcional al flujo másico existente. Lo más común es el diseño en bypass. Precisión: 1% Medidor de Coriolis: Medidor másico. Se basa en que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis Tres bobinas electromagnéticas forman el sensor: La bobina impulsora hace vibrar los (dos) tubos, sometiéndolos a un movimiento oscilatorio de rotación alrededor del eje OO. Vibran a la frecuencia de resonancia (menos energía), Hz. Los 2 detectores electromagnéticos inducen corrientes eléctricas de forma senoidal, que están en fase si no circula fluido. El flujo atraviesa (dos) tubos en forma de U, estando sometido a una velocidad lineal "v" y una velocidad angular "w" de rotación alrededor de O-O, por lo que sufre una aceleración de Coriolis de valor a=2 w x v La fuerza ejercida sobre el fluido como consecuencia de la aceleración cambia de signo con "v", por lo que se genera un par de fuerzas que produce una torsión de los tubos alrededor del eje RR'. La torsión alrededor del eje R-R produce un desfase de tiempo t, entre las corrientes inducidas por los detectores electromagnéticos, que es proporcional al par de fuerzas ejercido sobre los tubos, y por tanto a la masa que circula por ellos.

20 Alta precisión: ( %). La medida es independiente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad y perfil de velocidades. Mantenimiento casi nulo, lo que abarata su coste. Se aplica a fluidos viscosos, sucios, corrosivos con Tª extrema alta o baja, y con altas presiones. 4.-Medidores volumétricos: 4.1.-Medidor de desplazamiento positivo: El flujo se divide en segmentos de volumen conocido, contando el segmentos en un intervalo de tiempo. número de Se usa en aplicaciones de fluidos de alta viscosidad, y fluidos de menos de 5 S/cm (no se pueden usar el medidor magnético). No se recomienda con fluidos sucios al existir partes móviles. Precisión: ( %) MEDIDORES DE NIVEL: Nivel tubular.- Tubo de material transparente y rígido conectado al depósito por dos bridas con dos válvulas manuales de corte. El líquido sube por el tubo hasta igualar al nivel del depósito. Limitaciones: No soportan mucha presión No soportan mucha Tª No son resistentes a los impactos No se pueden usar líquidos que manchen el interior del tubo También los hay de vidrio armado (piezas de vidrio y acero) Reflexión Refracción Medidor de nivel de flotador.- Constituido por un flotador pendiente de un cable, un juego de poleas, y un contrapeso exterior.

21 Distintos modelos: de regleta: el contrapeso se mueve en sentido contrario al flotador por una regleta calibrada, de unión magnética: el flotador hueco, que lleva en su interior un imán, se desplaza a lo largo de un tubo guía vertical no magnético. El imán seguidor suspendido de una cinta mueve una aguja indicadora. Es fácil instalar contactos a lo largo de la regleta para fijar alarmas de nivel. Interruptor de nivel tipo flotador.- Consta de un flotador pendiente del techo del depósito por una barra a través de la cual transmite su movimiento a un ampolla de mercurio (la hace bascular) con un interruptor. Si el nivel alcanza al flotador lo empuja en sentido ascendente, ascendiendo si la fuerza supera al peso del flotador. Este movimiento es transmitido por la barra y el interruptor cambia de posición. Medidor de presión diferencial.- Tanque abierto: el nivel del líquido es proporcional a la presión en el fondo. Se coloca un medidor de presión. Tanque cerrado: diferencia de presión ejercida por el líquido en el fondo y la presión que tiene el depósito. Cuidado con condensados o rebosamiento: montaje en columna mojada.

22 Medidor de nivel por burbujeo.- Mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Sistema muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión). Medidor radioactivo.- Constan de una fuente radioactiva que se instala en un costado del depósito. Al otro lado se coloca un medidor de radiación puntual para medidas todo nada o lineal para medidas continuas. La potencia emisora de la fuente decrece con el tiempo, por lo que hay que recalibrar estos instrumentos. Su aplicación se ve limitada por las dificultades técnicas y administrativas que conlleva el manejo de fuentes radioactivas. Son óptimos para medir fluidos con alta Tª, líquidos muy corrosivos, reactores de polímeros, porque no existe contacto Medidor capacitivo.- Se basa en medir la variación de capacitancia de un condensador cuando va variando el medio dieléctrico entre sus placas. Con el depósito metálico e introduciendo una sonda metálica sin contacto entre ambos, se forma un condensador. Al variar el nivel de líquido varía proporcionalmente la capacidad.

23 Si el depósito no es metálico se introducen dos sondas. También se usan como interruptores de nivel. Medidor por ultrasonidos.- Constan de un medidor de ondas sonoras de alta frecuencia (entre 20 y 40 khz) que se propaga por la fase gas hasta que choca con el líquido o sólido, se refleja y alcanza el receptor situado en el mismo punto que el emisor. El tiempo entre la emisión de la onda y la recepción del eco es inversamente proporcional al nivel. El tiempo depende de la Tª, por lo que hay que compensar las medidas. Hay que evitar que existan obstáculos en el recorrido de las ondas, aunque algunos medidores compensan los ecos fijos debidos al perfil del depósito. Sensibles al estado de la superficie del líquido (espumas). Medidor de tipo conductivímetro.- Consta de una sonda con dos electrodos. Cuando estos entran en contacto con el líquido conductor se cierra un circuito eléctrico, que a través de la unidad amplificadora conmuta un contacto. Se usa como interruptores de nivel en recipientes de líquidos conductores que no sean ni muy viscosos ni corrosivos, aunque también se usa para medidas continuas. Sistemas de radar.- No necesitan ningún contacto con el líquido, ni incorporan ningún elemento que se mueva, por lo que su aplicación es ideal en productos muy viscosos (incluso asfaltos), o en sistemas en movimiento (como barcos). Rango de medida: hasta 40m. Precisión: 2mm. Servoposicionador.- Gran precisión: 1mm con alta repetibilidad y sensibilidad. Mide de forma continua la tensión de un hilo del que pende un contrapeso (en forma de disco). El sistema está en equilibrio cuando el contrapeso tiene un ligero contacto con el líquido. Al cambiar el nivel del líquido, varia la tensión del hilo lo que es detectado por un servoposicionador. Éste tiende a restituir el equilibrio de tensiones subiendo o bajando el contrapeso. Hay versiones de estos equipos para tanques atmosféricos, esferas de GLP a presión, y de acero inoxidable para la industria alimenticia.

24 Medidores de nivel en sólidos: Problema de definir el nivel. No tiene por qué existir una superficie horizontal. Distinto Carga que descarga. Se pueden usar algunos de los de líquidos y otros específicos. Tipos: a)medidor por palpador: Análogo al sondeo. Miden bajo demanda del operador o de un temporizador. Constan de un cable de medición o cinta de acero con un peso en su extremo, movido por un motor..al chocar el peso con la superficie del material se anula la rigidez del cable, lo que conmuta la dirección de giro del motor ascendiendo el peso. Durante el descenso se mide el cable desenrollado, lo que nos indica el nivel. El peso debe tener una sección suficiente para que no se hunda en el material. Se usa para materiales sólido con granulometría hasta 3mm. Paletas rotativas: Un motor hace girar unas paletas (9 r.p.m.) a través de un resorte. Al entrar en contacto el material con las paletas, éstas se paran, pero el motor continua girando hasta que el muelle asociado al motor se expande al máximo y toca un final de carrera que da un contacto eléctrico. Cuando el nivel disminuye, el resorte recupera su posición, el motor arranca y el contacto cambia de posición. Intensidad del motor proporcional a la longitud de paleta en contacto con el sólido. Su principal aplicación es la detección del nivel de alta para sólidos granulados. Peso: Se compone de una sonda en forma de diapasón que vibra a unos 80Hz impulsado piezoeléctricamente. Cuando el material cubre el diapasón las vibraciones se amortiguan, lo que produce una señal que activa un relé. La instalación suele ser lateral y roscada a la altura del nivel, pero también podemos encontrar sondas verticales. Membrana sensitiva Consta de una membrana acoplada a la pared del recipiente en el punto en el que se quiere detectar el nivel. Cuando el material llega a la altura del interruptor, presiona la membrana y actúa un conmutador. Se usa con sólidos de granulometría media y pequeña. Vibratorio Se detecta el nivel de sólido mediante el peso Se detecta el paso de tolva + contenido Células de carga. Galgas extensiométricas.

25 Instrumentos de nivel para líquidos Instrumentos de nivel para sólidos

26 OTRO TIPO DE CLASIFICACION DE LOS SENSORES: 1.- Sensores resistivos: Los sensores basado sen la variación del a resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los mas abundantes. Ellos e debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor del a resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución valida parea numerosos problemas de medida. Para la clasificación del os diversos sensores de esta clases e toma en cuenta el tipo de magnitud física medida. 2. Sensores de reactancia variable y electromagnéticos: La variación del a reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. En este tipo de sensores la faltad e linealidad intrínseca en alguno del os principios de medida empleados se supera mediante e luso de sensores diferenciales. Tienen en cambio una limitación en la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida, pues debe ser inferior a la frecuencia del a tensión de alimentación empleada, necesariamente alterna. 3.- Sensores generadores: Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir del a magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadotes no eléctricas a partir de señales eléctricas. 4.- Sensores basados en ultrasonido: Los ultrasonidos son una radiación mecánica de frecuencia superiora las audibles. Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en partes e refleja, en partes e transmite y en parte es absorbida. Si, además, hay un movimiento relativo entre fuente de radiación ye l reflector, se produce un cambio en la frecuencia del a radiación (efecto Doppler). Todas estas propiedades del a interacción de una radiación con un objeto han sido aplicada sen mayor o menor grado a la medida de diversas magnitudes físicas. El poder de penetración del as radiaciones permite que muchas de estas aplicaciones sean totalmente no invasivas, es decir, que no accedan al interior del recinto donde se producen los cambios que se desean detectar. Las medidas no invasivas son de interés cuando el medio es explosivo, radioactivo, etc., y cuando sed esa evitar su contaminación. Los sensores no invasivos son además, en general, mas fáciles de instalar y mantener que los invasivos 5.- Biosensores: Un biosensor es cualquier dispositivo de medida basado en un material biológico que obtiene respuesta especifica a una sustancia determinada.

27 ACONDICIONAMI ENTO DE LA SEÑAL La señal eléctrica proveniente de los sensores normalmente necesita de un proceso de Acondicionamiento (amplificación, filtrado, linealización, aislamiento, etc.) para poder ser tratada o presentada. Elemento o elementos de un sistema de medida o control que procesan la señal procedente de un transductor bien para adecuarla a un nuevo formato, bien para mejorar su calidad. Clasificación: Cambios en niveles de señal Amplificación. Atenuación. Eliminación de offset Linealización. Interfase digital Multiplexores. Muestreo y mantenimiento. Conversión A/D. Conversión D/A. Filtrado y ajuste de impedancia. Conversiones de señales Conversión corriente / presión. Puente de Wheatstone Transmisión de señal Conversión tensión / corriente. Conversión corriente / tensión. Conversión tensión / frecuencia. Modulación. Dos formas de implementación Analógica Circuitos pasivos (con resistencias, condensadores y bobinas). Circuitos activos (con Amplificadores operacionales). Menor coste. Menor tiempo de procesado. Digital Menor incertidumbre (menor influencia de ruidos, impedancias, etc.). Rápido aumento del uso de computadores para medida y control. Posibilidad de implementar procesamientos más complejos. Siempre es necesario un primer procesado analógico aun cuando la mayor parte del procesado sea digital.

28 Clasificación: Eléctricos Relés Solenoides Motores CC Motores AC Motores paso a paso Hidráulicos o neumáticos Válvulas neumáticas Válvulas de solenoide Cilindros y válvulas piloto Motores Motores de corriente continua: ACTUADORES Alimentación en continua. Devanado inducido en el rotor. Muy versátiles. Fácil inversión del sentido de giro. Amplio rango de velocidades. Control preciso de velocidad y posición (Control por armadura) Posibilidad de frenado regenerativo. Baja inercia / baja inductancia Respuesta rápida. Necesidad de conmutación. - Tipos: Según conexión del devanado de excitación (serie, derivación, compuesto, independiente). De imán permanente en el estator (tiene escobillas). Motores Brushless (conmutación electrónica, necesitan un sensor de posición angular, imán permanente en el rotor). Motores de corriente alterna: Alimentación en alterna (monofásica o trifásica). Sin escobillas. Tradicionalmente para velocidad constante. Variadores de velocidad variable. El más común Motor de inducción de jaula de ardilla. Devanado inducido en el rotor (cortocircuitado) y devanado inductor en el estator. Campo magnético rotativo (velocidad de sincronismo que depende del número de polos y de la frecuencia de la alimentación.). Veloc. de giro < Veloc. de sincronismo (motor asíncrono) Par motor < deslizamiento (v. sinc - v. giro). El monofásico necesita un devanado auxiliar para arranque. Actuadores neumáticos: 1.- Válvulas de control - Elemento final de lazo de control

29 - Interrumpe o deja pasar el fluido según la señal - correctora que le llegue desde el controlador - Elementos: Cuerpo y partes internas: regulan el paso del fluido Actuador o servomotor: actúa sobre el obturador de la válvula modificando su apertura, en función de la señal que le llega Clasificación de las válvulas según los tipos de cuerpo: 1.- Mariposa: a)ventajas: Alta capacidad con baja caída de presión a través de la válvula. Apta para un gran rango de temperaturas, dependiendo del tipo de cierre. Mínimo espacio para instalación. Económica, especialmente en grandes tamaños. Su menor peso le hace más manejable en su mantenimiento. b) Desventajas: Necesita actuadores potentes o de gran recorrido si el tamaño de la válvula es grande o la presión diferencial es alta. No adecuada para fluidos cavitantes o aplicaciones de ruido.

30 2.- Bola: a) Ventajas: Excelente control ante fluidos viscosos, erosivos, fibrosos o con sólidos en suspensión. Alta rangeabilidad de control (aprox.: 300:1). Mayor capacidad que las válvulas de globo. b)desventajas: Precio elevado. No adecuada para líquidos cavitantes. Puede provocar ruido con caídas de presión altas. 3.- Globo: El flujo lo restringe un obturador que se desplaza perpendicularmente al asunto de la válvula. a) Ventajas: Disponibles en todos los ratings. Amplia selección de materiales constructivos. Posibilidad de diversas características de caudal. Partes internas aptas para el tipo de estanqueidad requerida.

31 b) Desventajas: Considerables pérdidas de carga a grandes caudales. Precios más elevados que las válvulas de mariposa en servicios de baja presión y temperatura. Formas constructivas: Simple asiento: Óptimos cuando queremos alto nivel de estanqueidad. Doble asiento: Permiten trabajar con fluidos a alta presión, con un actuador standard. Caja: El asiento de la válvula esta agujereado. Membrana: Se usa para fluidos muy corrosivos, de alta viscosidad, en la industria alimentaría. Tres vías: Se usa para partir una corriente en dos o unir dos corrientes en una. Actuador Neumático de diafragma: Son los más usados en la industria. La señal de presión que llega al actuador desplaza el diafragma venciendo la fuerza del muelle y el movimiento del diafragma es transmitido al obturador a través de un vástago. Tipos: Fallo de aire cierra Fallo de aire abre.

32 a) Ventajas: Fiabilidad y simplicidad de diseño. Usados donde no son requeridos grandes fuerzas. Económicos. No necesitan posicionadores. b) Desventajas. No pueden suministrar grandes fuerzas. No pueden ser aplicados a válvulas con grandes recorridos. Actuador Neumático de pistón: Consta de un pistón en lugar de un diafragma. a)ventajas: Capaces de suministrar grandes fuerzas. Rápida respuesta. Validos para grandes recorridos. b)desventajas: Generalmente necesitan sistema de enclavamiento en caso de fallo de alimentación. Para control necesitan posicionador. Actuadores Eléctricos (electrohidráulicos o electromecánicos): a)ventajas: No necesitan instalación neumática. Mínimo consumo eléctrico. Menores costes de instalación y mantenimiento. Trabajan directamente con señales eléctricas (no necesitan convertidor) b)desventajas: Precio muy elevado. Protección eléctrica necesaria. Riesgos de explosión. Para control necesitan posicionador. Menor potencia específica. Más lentos que los neumáticos. - Posición de seguridad.

33 ELEMENTOS ACCESORIOS A LAS VÁLVULAS: 1.- Posicionador: Compara la señal del controlador con la apertura real de la válvula (carrera del vástago), si no coinciden transmite una señal eléctrica o neumática al actuador. 2.- Filtro manoreductor de aire: Es un regulador de presión con filtro incorporado. Se utiliza para alimentar al posicionador o convertidor neumático. 3.- Transmisor de posición: Emite una señal de salida proporcional al recorrido de la válvula. Puede ser neumático o eléctrico. 4.- Convertidor electroneumático I/P. Convierte la señal eléctrica en neumática. 5.- Interruptor final de carrera: Es utilizado para indicar eléctricamente la posición de la válvula, así como para operar sobre otros elementos como las válvulas de solenoide. Selección de válvulas de control: 1.- Datos primarios: necesarios para el cálculo de la sección de paso de la válvula: Propiedades de fluido. Presión antes de la válvula Caída de presión en la válvula. Teoría del fluido: afecta al material de la válvula. Caudal del fluido. 2.- Datos secundarios: Nivel de estanqueidad Característica de caudal: relación estructural a presión constante, entre el caudal que atraviesa la válvula y su apertura. 3.- Característica de caudal: Características isoporcentual: incrementos iguales en el recorrido de la válvula producen cambios en igual porcentaje en el caudal existente. Características lineal: de capacidad de la válvula varia lineal por con la carrera. Característica todo nada: El cambio de caudal es máximo a bajos recorridos, siendo luego muy pequeño.