Introducción a la Electrónica

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1 Unidad 7: Sensores 7.1 Introducción 7.2 Sensado de Temperatura 7.3 Sensado de deformación, fuerza, presión y peso 7.4 Sensado de posición, velocidad y aceleración 7.5 Conexionado de los sistemas de sensado a la captura de datos

2 MOTIVACION Todo proceso de fabricación o industrial requiere monitorear o controlar algunas magnitudes. Para ello, resulta INDISPENSABLE interactuar con el medio.

3 OBJETIVO

4 SENSOR Es todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Entrada Señal de salida Proceso (Mag. Física A) Sensor (Mag. Física B) Pág. 1

5 Aspectos Generales TIPOS DE SEÑALES EN SENSORES Entrada: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas). Salida : tensión, corriente, frecuencia, desplazamiento, fuerza, luz, etc. Pág. 2

6 Aspectos Generales Porqué la salida es habitualmente una magnitud eléctrica? La estructura electrónica de la materia hace que cualquier variación de un parámetro NO eléctrico de un material genere una variación de un parámetro eléctrico. Los amplificadores electrónicos permiten extraer un mínimo de energía del sistema en el proceso de medición. La transmisión de señales eléctricas es mas versátil que el de otro tipo de señal. Pág. 3

7 Aspectos Generales CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR Campo de medida: Espectro de valores comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del dispositivo. Por ej., de un sensor de Tº pudiese ser ºC. Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Error: es la diferencia algebraica entre el valor leído y el valor real de la variable medida. Puede ser estático o dinámico. Pág. 4

8 Aspectos Generales CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR Incertidumbre: es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Se determina estadísticamente. Precisión: define los límites de los errores cometidos (en condiciones normales). Sensibilidad: es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona. Otros: Zona muerta, histéresis, fiabilidad, resolución, ruido, linealidad, estabilidad, etc. Pág. 5

9 PRINCIPIOS DE SENSADO DE TEMPERATURA Variaciones del volumen o estado de los cuerpos (Termómetros). F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (Termocuplas). Variación de resistencia de un conductor (RTDs) Variación de resistencia de un semiconductor (Termistores). 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.) Pág. 6

10 BIMETALES Un sensor bimetálico consiste en el laminado conjunto de dos metales de distinto coeficiente de dilatación. Ante una variación de temperatura, los metales sufrirán distintas deformaciones provocando una curvatura hacia uno de los planos. Pág. 7

11 BIMETALES (2) a- Cintas en equilibrio térmico b- Deformación de Cintas ante variación de Tº α1 y α2: coeficientes de expansión n = E1/E2 (E1, E2: coef. de elasticidad) n = t1/t2 (t1, t2: espesores) t = t1+t2 (espesor total de la lámina) Pág. 8

12 TERMOCUPLAS Su funcionamiento se ve justificado por el efecto Seebeck: si las junturas del conexionado entre dos metales diferentes se encuentran a distinta temperatura, se induce una f.e.m (V). V(Tº,To,α) α(tº - To) = αtº - αto V: fem inducida (µv ó mv) Tº: Temperatura a medir To: Temperatura de referencia (ambiente) α: coeficiente de sensibilidad (µv/ºc) Esquema Termocupla tipo K Pág. 9

13 TERMOCUPLAS (2) La medición depende de la temperatura de referencia (habitualmente ambiente). Por ello, debe agregarse un elemento compensador que inmunice el registro de toda variación. La tensión generada tiene un comportamiento NO lineal en relación a la variación de la temperatura. La salida es una pequeña señal, y por ello, muy vulnerable a absorber ruido eléctrico. La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales (cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión). Pág. 10

14 TERMOCUPLAS (3) Pág. 11

15 RTD (RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR) Es un elemento de material cerámico que manifiesta grandes cambios en su resistencia eléctrica ante variaciones de temperatura. Esta dependencia puede estimarse como: Rt = R0 (1 + at + bt2 + ct3 + ) donde, R0 = resistencia a una temperatura de referencia- Rt = Resistencia a la temperatura t a = coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura (Ω/ºC) b, c = coeficientes estimados a partir de puntos de calibración. Pág. 12

16 RTD (2) Característica Temperatura/Resistencia de materiales termoresistivos típicos. Pág. 13

17 RTD (3) El material detector típicamente empleado es platino. Garantizan una medición precisa en el rango -185 a 650ºC La variación de la resistencia con la temperatura es lineal y estable en el tiempo. Los sensores RTD se utilizan para monitoreo y control de procesos. Pág. 14

18 RTD (4) Pág. 15

19 TERMISTORES Un termistor es un dispositivo eléctrico de material sólido semiconductor con un alto coeficiente de variación de su resistencia eléctrica ante variaciones de temperatura. La dependencia de la resistencia con la temperatura puede aproximarse como: R0 = resistencia a u n valor de Tº de referencia (por ej., 0ºK) RT = resistencia a la temperatura T K, B = constante que depende del proceso de fabricación. Otra manera de expresar esta aproximación sería: R = valor de resistencia estimada a una temperatura aproximadamente infinito. Pág. 16

20 TERMISTORES (2) Los materiales mas frecuentemente utilizados son óxidos de cobalto, cobre, hierro, magnesio, manganeso, nickel, titanio, zinc, etc. Según su resistencia aumente o disminuya ante un incremento de la temperatura, el termistor se clasificará en PTC o NTC. Alta sensibilidad. Alto nivel de salida. Poca estabilidad. De difícil calibración Pág. 17

21 PIROMETROS DE RADIACION Pertenecen al grupo de los elementos de termometría por radiación. Son una aplicación práctica de la fórmula de Planck W(λ):Energía de radiación electromagnética por unidad de longitud de onda. ε(λ): emitividad de un objeto C 1 = Wcm2 C 2 = 1.44 cmk Hacen posible medir la temperatura de un cuerpo sin tomar contacto con éste. Permiten rangos de medición muy amplios (hasta1100 C con una precisión de ±0.01 C) Pág. 18

22 PIROMETROS DE RADIACION Curva de densidad espectral en función de la longitud de onda. Pág. 18

23 PIROMETROS DE RADIACION Utilizan un sistema óptico. Una lente concentra la radiación del objeto en una termopila formada por varios termopares. La termopila proporciona una f.e.m. que es la diferencia entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría (caja del pirómetro, Tº ambiente). Pág. 19

24 PIROMETROS DE RADIACION a- Esquema de un pirómetro b- Despiece opciones de ensamble de un pirómetro Pág. 20

25 SEMICONDUCTORES Basan su funcionamiento en la sensibilidad con la temperatura de la juntura pn. Logra alta precisión a un bajo costo. La sensibilidad de una juntura pn está definida por ecuaciones y son fácilmente predecibles en rangos típicos de trabajo (-55ºC a 150ºC). Si bien el coeficiente de variación que se logra es menor que con una RTD, el comportamiento de un sensor semiconductor de juntura es mucho mas lineal. Pág. 21

26 SEMICONDUCTORES Transistor bipolar configurado como sensor de Tº Tensión base emisor vs. Tº en un sensor de silicio. Pág. 22

27 Campo de medida de los instrumentos de temperatura Pág. 23

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