Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

Transcripción

1 3.1 SENSORES Y TRANSDUCTORES PRIMARIOS PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO SENSOR Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, ph, etc. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, mecatrónica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.

2 TIPOS DE SENSORES Resistivos Capacitivos Inductivos Magnéticos Ultrasónicos Piezoeléctricos De presión De flujo De nivel De temperatura

3 Errores de medida Errores de medida o sistemáticos Error sobre una señal de referencia. Errores ligados a la calibración. Errores debidos a las magnitudes de influencia. Errores debidos a las condiciones de alimentación. Errores debidos a las condiciones de uso. Errores en el tratamiento de la señal de salida.

4 TRANSDUCTOR Transductores son elementos que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Se pueden clasificar en dos grupos: Activos y pasivos. Son transductores activos los que hay que conectar a una fuente externa de energía eléctrica para que puedan responder a la magnitud física a medir como por ejemplo las fotorresistencias y termoresistencias, y son pasivos los que directamente dan una señal eléctrica como respuesta a la magnitud física como los fotodiodos y las sondas de ph. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina interna, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc.

5 Parámetros fundamentales Exactitud La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que el valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tenderá a ser cero. Precisión La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima. Rango de funcionamiento El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango. Velocidad de respuesta El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

6 Calibración El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una recalibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibración. Fiabilidad El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento Ejemplos *Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje). *Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario, transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras. *Los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada. *Un sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma.

7 RESISTIVOS SENSORES RESISTIVOS Son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Los sensores que se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son seguramente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. Variable a medir Sensor resistivo Mecánica Potenciómetros y galgas extensométricas Térmica Termorresistencia y termistores Magnética Magnetorresistencia Optica Fotorresistencia Química Higrómetro resistivo

8 POTENCIOMETROS TERMISTOR Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar más potencia. Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Los termistores son sensores de temperatura resistivos donde la el elemento sensor cambia su resistencia de acuerdo con las variaciones de temperatura. Existen dos tipos de termistor, aquellos cuya resistencia aumenta en función de la temperatura, también llamados PTC ( Positive Temperature Coefficient ) y aquellos cuya resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura, llamados NTC ( Negative Temperature Coefficient).

9 MAGNETORRESISTENCIA Es la propiedad que posee un material para cambiar su resistencia eléctrica cuando se le aplica un campo magnético externo. FOTORRESISTENCIA Es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés lightdependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos paticas.

10 CAPACITIVOS Los sensores capacitivos están especialmente diseñados para lograr detectar materiales aislantes tales como el plástico, el papel, la madera, entre otros, no obstante también cuentan con la capacidad de detectar metales. se dice que el sensor está formado por un oscilador cuya capacidad la forman un electrodo interno (parte del propio sensor) y otro externo (constituido por una pieza conectada a masa). El electrodo externo puede estar realizado de dos modos diferentes; en algunas aplicaciones dicho electrodo es el propio objeto a sensar, previamente conectado a masa; entonces la capacidad en cuestión variará en función de la distancia que hay entre el sensor y el objeto.

11 Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta. Las ventajas de este dispositivo son algunas más que en el caso de los sensores inductivos. La primera ventaja es común para ambos, detectan sin necesidad de contacto físico, pero con la posibilidad de detectar materiales distintos del metal. Además, debido a su funcionamiento tiene muy buena adaptación a los entornos industriales, adecuado para la detección de materiales polvorientos o granulados.

12 Entre los inconvenientes se encuentra el alcance, dependiendo del diámetro del sensor, puede alcanzar hasta los 60mm, igual que la modalidad inductiva. Otro inconveniente es que depende de la masa a detectar, si se quiere realizar una detección de cualquier tipo de objeto este sensor no sirve, puesto que depende de la constante eléctrica. Según la aplicación será necesario ajustar la sensibilidad para que se adapte al material, por ejemplo para materiales de constante dieléctrica débil como el papel, cartón o vidrio se tiene que aumentar la sensibilidad, y en caso de tener una constante dieléctrica fuerte hay que reducir la sensibilidad, por ejemplo con objetos metálicos o líquidos.

13 TRANSDUCTOR CAPACITIVO En un transductor capacitivo se hace que la capacitancia cambie cuando se aplica un estímulo. Frecuentemente se utilizan los transductores capacitivos para detectar desplazamientos mecánicos al moverse una o ambas placas del capacitor. En casi todas sus variedades, el transductor capacitivo utiliza una placa fija y una placa móvil, la cual cambia su posición bajo la influencia del estímulo. CARACTERISTICAS: Detectan cambios en dimensiones sin estar en contacto con el elemento en movimiento. Por esta razón los transductores capacitivos, frecuentemente llamados detectores de proximidad, están libres de cargas y fricciones. Otra característica del transductor es que la capacitancia no depende de la conductividad de sus placas. Por lo tanto los errores debido a la temperatura son extremadamente pequeños si no es que ausentes, ya que las dimensiones de las placas prácticamente no dependen de la temperatura y la variación de la constante dieléctrica del aire debida a la temperatura es muy pequeña.

14 Aplicaciones Los transductores capacitivos se han utilizado para la medición de eventos fisiológicos, particularmente para la medición de presión sanguínea.

15 Temas: sensores inductivos, sensores magnéticos, sensores ultrasónicos, sensores piezoeléctricos. ALUMNO: ÁNGEL CRUZ AGUIRRE

16 SENSORES INDUCTIVOS Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina electromagnética, la cual es usada para detectar la presencia de un objeto metálico conductor. Éste tipo de sensor ignora los objetos no metálicos y son utilizados principalmente en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en determinados contextos (control de presencia o ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).

17 Características de los sensores inductivos DETECCIÓN DE OBJETOS METÁLICOS MEDIDAS TODO O NADA MUY UTILIZADOS A NIVEL INDUSTRIAL ALCANCE MÁXIMO DE DETECCIÓN DESDE ALGUNOS MM A VARIOS CM PUEDEN MANEJAR UNA CARGA TIPO RELÉ LOS DETECTORES DE PROXIMIDAD SON DISPOSITIVOS QUE DETECTAN UNA DISTANCIA CRITICA Y LA SEÑALIZAN MEDIANTE UNA SALIDA DEL TIPO TODO O NADA

18 Un sensor de proximidad inductivo consiste de 4 componentes básicos. Bobina Oscilador Circuito de disparo Circuito de salida BOBINA: la bobina genera un campo electromagnético con la energía eléctrica generada por el oscilador. OSCILADOR: El oscilador provee la energía a la bobina. EL CIRCUITO DE DISPARO: Detecta cambios en la amplitud de la oscilación. LA SALIDA DEL ESTADO SOLIDO: cuando se detecta un cambio significativo en el campo electromagnético la salida del estado sólido provee una señal eléctrica para una interface o un PLC. Esta señal indica la presencia o ausencia de un objeto metal en el campo sensible.

19 Ventajas y desventajas de los sensores inductivos VENTAJAS NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO CON EL OBJETO A DETECTAR NO SE DESGASTAN TIENEN UN TIEMPO DE REACCIÓN MUY REDUCIDO TIEMPO DE VIDA LARGO E INDEPENDIENTE DEL NÚMERO DE DETECCIONES SON INSENSIBLES AL POLVO Y A LA HUMEDAD Desventajas Solo detectan la presencia de objetos metálicos Pueden verse afectados por campos electromagnéticos intensos El margen de operación es corto comparado al de otros sensores

20 BLINDAJE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS TIENEN BOBINAS ENROLLADAS EN NÚCLEO DE FERRITA, ESTAS PUEDEN SER BLINDADAS O NO BLINDADAS. LOS SENSORES NO BLINDADOS GENERALMENTE TIENEN UNA MAYOR DISTANCIA DE SENSADO QUE LOS SENSORES BLINDADOS.

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22 EJEMPLOS DE APLICACIONES

23 SENSORES MAGNÉTICOS LOS SENSORES MAGNÉTICOS DETECTAN VARIACIÓN EN EL CAMPO MAGNÉTICO EN RESPUESTA A LA VARIACIÓN DE ALGUNA MAGNITUD FÍSICA. ESTÁN BALDADOS EN EL EFECTO HALL, POR LO QUE SE CONOCE COMO SENSORES DE EFECTO HALL. SE CARACTERIZAN PRINCIPALMENTE POR SER DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO, NO TENER PARTES MÓVILES, COMPATIBILIDAD CON OTROS CIRCUITOS ANALÓGICOS Y DIGITALES, MARGEN DE TEMPERATURA AMPLIO Y FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO RELATIVAMENTE ALTA. SE UTILIZA PRINCIPALMENTE COMO SENSORES DE POSICIÓN, VELOCIDAD Y CORRIENTE ELÉCTRICA. EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO SE BASA EN UN EFECTO QUE PRODUCE UN PAR DE LÁMINAS DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO. LOS SENSORES MAGNÉTICOS DE POSICIÓN FUNCIONAN BASÁNDOSE EN LA VARIACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UN IMÁN Y LA CORRIENTE INDUCIDA EN UNA PEQUEÑA BOBINA LLAMADA PICKUP.

24 SENSORES MAGNÉTICOS TIPO REED LOS INTERRUPTORES MAGNÉTICOS TIPO REED CONSTAN DE DOS UNIDADES, EL INTERRUPTOR Y EL IMÁN ACCIONADOR. REED SWITCH SE COMPONE DE DOS LÁMINAS FERROMAGNÉTICAS, GENERALMENTE COMPUESTAS DE NI Y FE, HERMÉTICAMENTE SELLADAS EN UNA CÁPSULA DE VIDRIO.

25 SENSORES MAGNÉTICOS TIPO HALL SI FLUYE CORRIENTE POR UN SENSOR HALL Y SE APROXIMA A UN CAMPO MAGNÉTICO QUE FLUYE EN DIRECCIÓN VERTICAL AL SENSOR, ENTONCES EL SENSOR CREA UN VOLTAJE SALIENTE PROPORCIONAL AL PRODUCTO DE LA FUERZA DEL CAMPO MAGNÉTICO Y DE LA CORRIENTE. SI SE CONOCE EL VALOR DE LA CORRIENTE, ENTONCES SE PUEDE CALCULAR LA FUERZA DEL CAMPO MAGNÉTICO; SI SE CREA EL CAMPO MAGNÉTICO POR MEDIO DE CORRIENTE QUE CIRCULA POR UNA BOBINA O UN CONDUCTOR, ENTONCES SE PUEDE MEDIR EL VALOR DE LA CORRIENTE EN EL CONDUCTOR O BOBINA MEDICIONES DE CAMPOS MAGNÉTICOS (DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO) MEDICIONES DE CORRIENTE SIN POTENCIAL (SENSOR DE CORRIENTE) EMISOR DE SEÑALES SIN CONTACTO APARATOS DE MEDIDA DEL ESPESOR DE MATERIALES EN LA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA

26 SENSORES MAGNÉTICOS TIPO TACOGENERADORES PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. ES UN SENSOR PARA MEDIR LA VELOCIDAD ANGULAR. SU FUNCIONAMIENTO SE BASA EN CONVERTIR LA ENERGÍA ROTACIONAL DEL EJE EN CUESTIÓN EN ENERGÍA ELÉCTRICA, PROPORCIONAL A LA ROTACIONAL Y QUE PUEDE SER FÁCILMENTE MEDIDA. EXISTEN DOS TIPOS DE TACOGENERADORES LOS TACOGENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA Y LOS TACOGENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA O DÍNAMOS TACOMÉTRICOS LOS TACOGENERADORES SE EMPLEAN CON FRECUENCIA EN: MEDICIONES DE VELOCIDAD (TACÓMETROS). DENTRO DE SERVOSISTEMAS DE VELOCIDAD O DE POSICIÓN (PARA TENER REALIMENTACIÓN DE VELOCIDAD). MÁQUINAS TEXTILES. ACCIONAMIENTOS DE BOMBEO. ANEMÓMETROS. ELEVADORES INDUSTRIALES

27 SENSORES ULTRASÓNICOS LOS SENSORES DE ULTRASONIDOS SON DETECTORES DE PROXIMIDAD QUE TRABAJAN LIBRES DE ROCES MECÁNICOS Y QUE DETECTAN OBJETOS A DISTANCIAS QUE VAN DESDE POCOS CENTÍMETROS HASTA VARIOS METROS. EL SENSOR EMITE UN SONIDO Y MIDE EL TIEMPO QUE LA SEÑAL TARDA EN REGRESAR. ESTOS REFLEJAN EN UN OBJETO, EL SENSOR RECIBE EL ECO PRODUCIDO Y LO CONVIERTE EN SEÑALES ELÉCTRICAS, LAS CUALES SON ELABORADAS EN EL APARATO DE VALORACIÓN. ESTOS SENSORES TRABAJAN SOLAMENTE EN EL AIRE, Y PUEDEN DETECTAR OBJETOS CON DIFERENTES FORMAS, DIFERENTES COLORES, SUPERFICIES Y DE DIFERENTES MATERIALES. LOS MATERIALES PUEDEN SER SÓLIDOS, LÍQUIDOS O POLVORIENTOS, SIN EMBARGO, HAN DE SER DEFLECTORES DE SONIDO. LOS SENSORES TRABAJAN SEGÚN EL TIEMPO DE TRANSCURSO DEL ECO, ES DECIR, SE VALORA LA DISTANCIA TEMPORAL ENTRE EL IMPULSO DE EMISIÓN Y EL IMPULSO DEL ECO.

28 LOS SENSORES DE PROXIMIDAD ULTRASÓNICO USAN UN TRANSDUCTOR PARA ENVIAR Y RECIBIR SEÑALES DE SONIDO DE ALTA FRECUENCIA. CUANDO UN OBJETO ENTRA AL HAZ, EL SONIDO ES REFLEJADO DE REGRESO AL SENSOR, HACIENDO QUE SE HABILITEN O DESHABILITE EL CIRCUITO DE SALIDA PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE LOS SENSORES ULTRASONICOS EL SENSOR TIENE UN DISCO PIEZOELÉCTRICO MONTADO EN SU SUPERFICIE, EL CUAL PRODUCE ONDAS DE SONIDO DE ALTA FRECUENCIA. CUANDO LOS PULSOS TRANSMITIDOS PEGAN CON UN OBJETO REFLECTOR DE SONIDO, SE PRODUCE UN ECO, LA DURACIÓN DEL PULSO REFLEJADO ES EVALUADO EN EL TRANSDUCTOR. CUANDO EL OBJETIVO ENTRA DENTRO DEL RANGO DE OPERACIÓN PREESTABLECIDO, LA SALIDA DEL INTERRUPTOR CAMBIA DE ESTADO. CUANDO EL OBJETIVO SALE DEL RANGO PREESTABLECIDO, LA SALIDA REGRESA A SU ESTADO ORIGINAL

29 LOS SENSORES DE PROXIMIDAD ULTRASÓNICOS TIENEN LAS SIGUIENTES VENTAJAS -RANGO RELATIVAMENTE AMPLIO (HASTA VARIOS METROS). -DETECCIÓN DEL OBJETO INDEPENDIENTEMENTE DEL COLOR Y DEL MATERIAL. -DETECCIÓN SEGURA DE OBJETOS TRANSPARENTES (POR EJEMPLO, BOTELLAS DE VIDRIO). -RELATIVAMENTE INSENSIBLES A LA SUCIEDAD Y AL POLVO. -POSIBILIDAD DE DESVANECIMIENTO GRADUAL DEL FONDO. -POSIBILIDAD DE APLICACIONES AL AIRE LIBRE. -POSIBILIDAD DE DETECCIÓN SIN CONTACTO CON PUNTOS DE CONMUTACIÓN. DE PRECISIÓN VARIABLE. -LA ZONA DE DETECCIÓN PUEDE DIVIDIRSE A VOLUNTAD. -SE DISPONE DE VERSIONES PROGRAMABLES.

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31 SENSORES PIEZOELÉCTRICOS UN SENSOR PIEZOELÉCTRICO ES UN DISPOSITIVO QUE UTILIZA EL EFECTO PIEZOELÉCTRICO PARA MEDIR PRESIÓN, ACELERACIÓN, TENSIÓN O FUERZA; TRANSFORMANDO LAS LECTURAS EN SEÑALES ELÉCTRICAS. FORMADOS POR MATERIALES CERÁMICOS O CRISTALES IÓNICOS QUE GENERAN UNA PEQUEÑA CANTIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA CUANDO SON DEFORMADOS. CUANDO SE APLICA UNA FUERZA SOBRE MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS (TITANIO DE BARIO), LAS CARGAS NEGATIVAS DEL MATERIAL SE CONCENTRAN EN UN LADO MIENTRAS QUE EL OPUESTO QUEDA CARGADO POSITIVAMENTE, PRODUCIÉNDOSE UN VOLTAJE.

32 LOS SENSORES PIEZOELÉCTRICOS SE UTILIZAN PARA LA MEDIDA DINÁMICA DE FUERZAS, PRESIONES Y ACELERACIONES. TAMBIÉN PROPIEDADES DERIVADAS DE LA ACELERACIÓN COMO VIBRACIONES O IMPACTOS. EL TIPO DE SENSOR DE PRESIÓN A SELECCIONAR DEPENDE, EN PRIMER LUGAR, DEL TIPO DE MEDIDA DE PRESIÓN QUE DESEEMOS REALIZAR: ABSOLUTA: PRESIÓN EN UN DETERMINADO PUNTO DE UN MEDIO RESPECTO DEL CERO ABSOLUTO DE PRESIÓN QUE SUPONE EL VACÍO PERFECTO. UNA MEDIDA DE ESTE TIPO ES LA DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA QUE DETERMINA, PARA UN DETERMINADO LUGAR, EL VALOR DE ESTA MAGNITUD RESPECTO DEL VACÍO PERFECTO. DIFERENCIAL: DIFERENCIA DE PRESIÓN ENTRE DOS PUNTOS DETERMINADOS. UN CASO MUY TÍPICO ES EL DE LA PÉRDIDA DE PRESIÓN EN UNALÍNEA DE FLUIDO QUE CIRCULE POR UNATUBERÍA. RELATIVA: DIFERENCIA DE PRESIÓN QUE EXISTE ENTRE UN DETERMINADO PUNTO Y LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA. QUIZÁ LA MEDIDA MÁS CONOCIDA DE PRESIÓN RELATIVA ES LA MEDIDA DE LA PRESIÓN SANGUÍNEA (LA POPULAR TENSIÓN).

33 LIMITACIONES Y VENTAJAS DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS. EN GENERAL LAS APLICACIONES DEL EFECTO PIEZOELÉCTRICO TIENEN LAS SIGUIENTES LIMITACIONES: RESPUESTA EN FRECUENCIA LIMITADA. AL SER CARGADO EL CONDENSADOR (MATERIAL PIEZOELÉCTRICO) POR EFECTO DE UNA FUERZA CONSTANTE APLICADA AL MATERIAL, LA CARGA ADQUIRIDA INICIALMENTE SERÁ DRENADA TARDE QUE TEMPRANO A TIERRA, POR ESTO, LOS SENSORES PIEZOELÉCTRICOS NO RESPONDEN A EXCITACIONES EN CORRIENTE CONTINUA. LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS PRESENTAN UN PICO DE FRECUENCIA MUY ALTO. POR LO TANTO ESTO OBLIGA A TRABAJAR POR DEBAJO DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA DEL SENSOR. EXISTE UNAGRAN DEPENDENCIA ENTRE LA BANDA PASANTE DEL SENSOR Y LA SENSIBILIDAD DE ÉSTE. LAIMPEDANCIA DE SALIDA DEL SENSOR ES MUY ALTA. CAPACITANCIA MUY PEQUEÑA CON ALTA RESISTENCIA DE FUGAS. PRESENTANDO PROBLEMAS PARA SU ACONDICIONAMIENTO. VENTAJAS DE LOS SENSORES PIEZOELÉCTRICOS. ALTA SENSIBILIDAD BAJO COSTO ALTA RIGIDEZ MECÁNICA

34 INSTITUTO TECNOLOGICO DE TUXTLA GUTIERREZ MATERIA: INTRODUCCION A LA MECATRONICA ING. MECANICA CATEDRATICO: MCIM. VALENCIA SANCHEZ HERNAN ALUMNO: RAMIREZ GUMETA JESUS EDUARDO TEMAS: SENSORES DE PRESION SENSORES DE FLUJO SENSORES DE NIVEL SENSORES DE TEMPERATURA

35 3.1.2 Sensores de presión La presión es una fuerza por unidad de superficie es decir P=F/A, y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi. (libras por pulgada cuadrada) Las medidas de presión en líquidos o gases es una de las mas frecuentes.

36 Tipos de presión Presión absoluta Presión atmosférica Presión relativa Presión diferencial Vacío se mide con el cero absoluto de presión es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición es la diferencia entre dos presiones es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión,medida por debajo de la atmosférica

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38 Tipos de Medidores de Presión Columna de liquido o elementos primarios de medida directa Elementos primarios elásticos l (mm Hg = Torr) G A S p amb

39 Elementos primarios de medición directa Son aquellos que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas. Por mencionar algunos ejemplos destacan : Barómetro Manómetro de tubo en U Manómetro de tubo inclinado

40 Barómetro Es el instrumento de medición que se utiliza de forma mas sencilla para medir la presión atmosférica y a la presión así medida le llamamos presión barométrica.

41 Manómetro El manómetro es un aparato que sirve para medir la presión de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los metálicos. Los manómetros de líquidos emplean, por lo general, como líquido manométrico el mercurio, que llena parcialmente un tubo en forma de U. En los manómetros metálicos la presión da lugar a deformaciones en una cavidad o tubo metálico, denominado tubo de Bourdon en honor a su inventor. Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja que marca directamente la presión sobre una escala graduada.

42 Manómetros de columna de liquido(tubo en u) El tubo en u como su nombre lo indica, es un tubo de vidrio doblado en forma de u. El tubo esta abierto en sus extremos y ahí es donde conectamos las presiones que vamos a medir. Del lado izquierdo de la figura del tubo hemos aplicado una presión mayor que la del lado derecho y la diferencia de niveles nos indica la presión diferencial. Si de un lado ponemos una presión y el otro lo dejamos destapado a la presión atmosférica estamos midiendo una presión relativa. Si de un lado le aplicamos una presión y el otro lo tapamos y lo evacuamos al cero absoluto, la medición indica presión absoluta.

43 Manómetro de tubo inclinado Contiene una cisterna, pero la columna de área pequeña se inclina para disminuir el efecto de la gravedad y de esta manera mejorar la precisión, además de disminuir la posibilidad de error. Las desventajas de los manómetros de tubo inclinado es que no pueden medir presiones altas, ya que normalmente son de vidrio o plástico.

44 Elementos primarios elásticos Son aquellos que basan su funcionamiento en la deformación no permanente exhibida por algunos materiales. La deformación que presentan se debe a una fuerza aplicada en un área determinada (presión). Por mencionar algunos ejemplos destacan : Tubo de Bourdon Fuelles Diafragmas

45 Tubo Bourdon Existen varios tipos de tubos de Bourdon: Tipo c Helicoidal Espiral El mas utilizado es el de tipo c: es un manómetro con tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en le interior del tubo, este tiende enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja.

46 Tubo de Bourdon Ventajas Su costo es relativamente bajo, son fáciles de instalar, se pueden recalibrar, su mantenimiento es muy sencillo y amplio rango de presiones Desventajas No son la mejor opción para generar señalización Degradación en sus materiales

47 Fuelles Son dispositivos cilíndricos huecos y corrugados, que al recibir una presión interior aumentan su longitud. Es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

48 Diafragmas Son membranas muy delgadas y flexibles que se fabrican de hule o algún material sintético. Su principal funcionamiento es que la presión medida actúa sobre un área constante que produce una fuerza, la cual varia con la presión, tal fuerza mueve un vástago y el mecanismo del medidor.

49 3.1.3 Sensores de flujo El flujo es una de las dos variables de proceso que se miden frecuentemente, la otra es la temperatura; en consecuencia, se han desarrollado muchos tipos de sensores de flujo. Se denomina flujo al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o cerrados. Siempre que se trabaja con un fluido, existe la necesidad de realizar un conteo de la cantidad que se transporta, para lo cual utilizamos medidores de flujo. Algunos de ellos miden la velocidad de flujo de manera directa y otros miden la velocidad promedio, y aplicando la Ecuación de continuidad y la de energía se calcula la velocidad.

50 Tipos de sensores de flujo Teorema de Bernoulli Placas de orificio Tubo de Pitot Rotámetros

51 Teorema de Bernoulli Permite obtener la presión de un fluido en función de la velocidad del mismo relacionando la presión estática con la dinámica según p gz v 2 2 constante siendo p presión estática ρ densidad del fluido g aceleración de la gravedad z altura geométrica respecto a un nivel de referencia v velocidad del fluido en el punto considerado ρv 2 /2 presión dinámica

52 Placas de orificio Provoca la diferencia de presiones interponiéndole al flujo una placa con un orificio de diámetro mas pequeño que el del ducto. La placa puede ser de diferentes materiales, como acero, PVC u otros plásticos y vidrio, dependiendo de las características físicas y químicas del fluido. Tipos de placas de orificio La concéntrica: sirve para líquidos La excéntrica: para los gases La segmentada cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos.

53 Tubo de Pitot Se usa preferentemente en gases, el tubo de Pitot, se instala por lo general para hacer pruebas y mediciones temporales, por ejemplo en túneles de aire para estudios aerodinámicos. El funcionamiento del tubo Pitot se basa para determinar la diferencia de presión entre la total y la estática, dicha diferencia es igual a la presión dinámica.

54 Rotámetros El Rotámetro: tiene un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.

55 Rotámetros Ventajas Podemos usarlos en líquidos corrosivos, son económicos y la lectura es directa, es un instrumento con buena precisión y repetitividad. Desventajas No se tienen señales continuas y no podemos usarlos con líquidos turbios.

56 3.1.4 Sensores de nivel La mayoría de los instrumentos que se utilizan para medir nivel, también sirven para medir densidad. Se basaran en la medida bien directamente de la altura de un liquido Tipos de sensores de nivel Sonda Flotador Presión diferencial Por burbujeo Por radiación Ultrasónicos

57 Sonda Consiste en meter una regla graduada dentro del liquido y determinar el nivel por lectura directa de la superficie mojada.

58 Flotador Es el instrumento que mide el giro producido por un elemento flotante. Al girar el interruptor cambia de posición.

59 Presión diferencial Consiste en un diafragma que mide la presión hidrostática en un punto en el fondo del deposito. En un contenedor abierto, el nivel será proporcional a la presión en el fondo. En un contenedor cerrado, será proporcional a la diferencia entre la presión del fondo y la del contenedor.

60 Por burbujeo Se emplea un tubo sumergido en el liquido a través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por el liquido, y por lo tanto al nivel que ocupa este.

61 Por radiación Consisten en un emisor de rayos x montado a un costado del deposito y con un detector (el cual incluye un contador) que transforma la radiación recibida en una señal eléctrica.

62 Ultrasónicos Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del contenedor.

63 3.1.5 Sensores de temperatura Cómo se define Temperatura? Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el grado kelvin (ºK). Otras escalas: Celsius. Fahrenheit

64 CONVERSIONES

65 Sensores de temperatura Son instrumentos de medición que se encargan de medir la energía calorífica. Tipos de sensores de temperatura Termómetros de vidrio Termopar Detectores resistivos de temperatura (RTD) Termistores NTC y PTC Pirómetros

66 Termómetros de vidrio Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura. Los más comunes son: Mercurio: (-37º C, 315ºC), Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC), Alcohol: hasta -62ºC

67 Termómetros de vidrio Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en caso de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida.

68 Termopar También llamado termocupla, es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje, ocasionado por la diferencia de temperaturas entre uno de los extremos denominado punto caliente y el otro denominado punto frio.

69 Detectores resistivos de temperatura Un RTD ( resistance temperature detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.

70 Termistores NTC y PTC Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. Existen dos tipos de termistor: NTC (Negative Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura negativo PTC (Positive Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura positivo (también llamado posistor). Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

71 Pirómetros Un pirómetro, dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados Celsius.

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73 SENSORES PARA OTRAS VARIABLES FISICAS POSICIÓN LINEAL Y ANGULAR ENCODER DESPLAZAMIENTO Y DEFORMACIÓN LVDT VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR TACÓMETRO GIRÓSCOPO SENSOR DE PROXIMIDAD DE FINAL DE CARRERA

74 POSICION LINEAL Y ANGULAR ENCODER UN ENCODER, TAMBIÉN CONOCIDO COMO CODIFICADOR O DECODIFICADOR, ES UN DISPOSITIVO CUYO OBJETIVO ES CONVERTIR INFORMACIÓN DE UN FORMATO A OTRO CON EL PROPÓSITO DE ESTANDARIZACIÓN

75 Como funciona un encoder? PARA EXPLICAR COMO FUNCIONA UN ENCODER DEBEMOS MENCIONAR QUE UN ENCODER SE COMPONE BÁSICAMENTE DE UN DISCO CONECTADO A UN EJE GIRATORIO. EL DISCO ESTA HECHO DE VIDRIO O PLÁSTICO Y SE ENCUENTRA CODIFICADO CON UNAS PARTES TRANSPARENTES Y OTRAS OPACAS QUE BLOQUEAN EL PASO DE LA LUZ EMITIDA POR LA FUENTE DE LUZ (TÍPICAMENTE EMISORES INFRARROJOS). EN LA MAYORÍA DE LOS CASOS, ESTAS ÁREAS BLOQUEADAS (CODIFICADAS) ESTÁN ARREGLADAS EN FORMA RADIAL. A MEDIDA QUE EL EJE ROTA, EL EMISOR INFRARROJO EMITE LUZ QUE ES RECIBIDA POR EL SENSOR ÓPTICO (O FOTO-TRANSISTOR) GENERANDO LOS PULSOS DIGITALES A MEDIDA QUE LA LUZ CRUZA A TRAVÉS DEL DISCO O ES BLOQUEADA EN DIFERENTES SECCIONES DE ESTE. LOS ENCODERS SON UTILIZADOS EN UNA INFINIDAD DE CAMPOS E INDUSTRIAS QUE VAN DESDE MAQUINAS DE FAX, ELECTRO-DOMÉSTICOS DE CONSUMO HASTA ROBÓTICA, MINERÍA, TRANSPORTE, MAQUINARIA AEROESPACIAL Y MÁS.

76 TIPOS DE ENCODER ENCODER OPTICO EL ENCODER ÓPTICO ES EL TIPO DE ENCODER MÁS COMÚNMENTE USADO Y CONSTA BÁSICAMENTE DE TRES PARTES: UNA FUENTE EMISORA DE LUZ, UN DISCO GIRATORIO Y UNA DETECTOR DE LUZ CONOCIDO COMO FOTO DETECTOR. ENCODER LINEAL UN ENCODER LINEAL ES UN DISPOSITIVO O SENSOR QUE CUENTA CON UNA ESCALA GRADUADA PARA DETERMINAR SU POSICIÓN. LOS SENSORES EN EL ENCODER LEEN LA ESCALA PARA DESPUÉS CONVERTIR SU POSICIÓN CODIFICADA EN UNA SEÑAL DIGITAL QUE PUEDE SER INTERPRETADA POR UN CONTROLADOR DE MOVIMIENTO ELECTRÓNICO

77 ENCODER INCREMENTAL UN ENCODER INCREMENTAL, COMO SU NOMBRE LO INDICA, ES UN ENCODER QUE DETERMINA EL ÁNGULO DE POSICIÓN POR MEDIO DE REALIZAR CUENTAS INCREMENTALES. ESTO QUIERE DECIR QUE EL ENCODER INCREMENTAL PROVEE UNA POSICIÓN ESTRATÉGICA DESDE DONDE SIEMPRE COMENZARÁ LA CUENTA. LA POSICIÓN ACTUAL DEL ENCODER ES INCREMENTAL CUANDO ES COMPARADA CON LA ULTIMA POSICIÓN REGISTRADA POR EL SENSOR.

78 DEZPLAZAMIENTO Y DEFORMACION LVDT EL TRANSFORMADOR DIFERENCIAL DE VARIACIÓN LINEAL (LVDT SEGÚN SUS SIGLAS EN INGLÉS) ES UN TIPO DE TRANSFORMADOR ELÉCTRICO UTILIZADO PARA MEDIR DESPLAZAMIENTOS LINEALES. EL TRANSFORMADOR POSEE TRES BOBINAS DISPUESTAS EXTREMO CON EXTREMO ALREDEDOR DE UN TUBO. LA BOBINA CENTRAL ES EL DEVANADO PRIMARIO Y LAS EXTERNAS SON LOS SECUNDARIOS. UN CENTRO FERROMAGNÉTICO DE FORMA CILÍNDRICA, SUJETO AL OBJETO CUYA POSICIÓN DESEA SER MEDIDA, SE DESLIZA CON RESPECTO AL EJE DEL TUBO. CUANDO UNA CORRIENTE ALTERNA CIRCULA A TRAVÉS DEL PRIMARIO, CAUSA UN VOLTAJE QUE ES INDUCIDO A CADA SECUNDARIO PROPORCIONALMENTE A LA INDUCTANCIA MUTUA CON EL PRIMARIO. LA FRECUENCIA DEL OSCILADOR QUE CAUSA LA CORRIENTE ALTERNA ESTÁ EN EL RANGO DE 1 A 10 KHZ.

79 Velocidad lineal y angular TACÓMETRO EL TACÓMETRO ES UN APARATO DE CONTROL QUE SE INSTALA A BORDO DE CIERTOS VEHÍCULOS DE CARRETERA, PARA INDICAR Y REGISTRAR DE MANERA AUTOMÁTICA O SEMIAUTOMÁTICA, LOS DATOS RELATIVOS A LOS KILÓMETROS RECORRIDOS Y A LA VELOCIDAD DE LOS VEHÍCULOS, ASÍ COMO LOS TIEMPOS DE ACTIVIDAD Y DESCANSO DE SUS CONDUCTORES. PUEDEN SER ANALÓGICOS O DIGITALES.

80 GIROSCOPO LOS GIROSCOPIOS MIDEN VELOCIDADES ANGULARES BASÁNDOSE EN EL MANTENIMIENTO DEL IMPULSO DE ROTACIÓN. SI INTENTAMOS HACER GIRAR UN OBJETO QUE ESTÁ GIRANDO SOBRE UN EJE QUE NO ES EL EJE SOBRE EL QUE ESTÁ ROTANDO, EL OBJETO EJERCERÁ UN MOMENTO CONTRARIO AL MOVIMIENTO CON EL FIN DE PRESERVAR EL IMPULSO DE ROTACIÓN TOTAL.

81 Sensor de proximidad SENSOR DE FINAL DE CARRERA DENTRO DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS, SE ENCUENTRA EL FINAL DE CARRERA O SENSOR DE CONTACTO (TAMBIÉN CONOCIDO COMO "INTERRUPTOR DE LÍMITE"), SON DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS, NEUMÁTICOS O MECÁNICOS SITUADOS AL FINAL DEL RECORRIDO O DE UN ELEMENTO MÓVIL, COMO POR EJEMPLO UNA CINTA TRANSPORTADORA, CON EL OBJETIVO DE ENVIAR SEÑALES QUE PUEDAN MODIFICAR EL ESTADO DE UN CIRCUITO

82 FUNCIONAMIENTO ESTOS SENSORES TIENEN DOS TIPOS DE FUNCIONAMIENTO: MODO POSITIVO Y MODO NEGATIVO. EN EL MODO POSITIVO EL SENSOR SE ACTIVA CUANDO EL ELEMENTO A CONTROLAR TIENE UNA TAREA QUE HACE QUE EL EJE SE ELEVE Y SE CONECTE CON EL OBJETO MÓVIL CON EL CONTACTO NC (NORMAL CERRADO). CUANDO EL MUELLE (RESORTE DE PRESIÓN) SE ROMPE EL SENSOR SE QUEDA DESCONECTADO. EL MODO NEGATIVO ES LA INVERSA DEL MODO ANTERIOR, CUANDO EL OBJETO CONTROLADO TIENE UN SALIENTE QUE EMPUJE EL EJE HACIA ABAJO, FORZANDO EL RESORTE DE COPA Y HACIENDO QUE SE CIERRE EL CIRCUITO. VENTAJAS E INCONVENIENTES ENTRE LAS VENTAJAS ENCONTRAMOS LA FACILIDAD EN LA INSTALACIÓN, LA ROBUSTEZ DEL SISTEMA, TRABAJA A TENSIONES ALTAS, DEBIDO A LA INEXISTENCIA DE IMANES ES INMUNE A LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA. LOS INCONVENIENTES DE ESTE DISPOSITIVO SON LA VELOCIDAD DE DETECCIÓN Y LA POSIBILIDAD DE REBOTES EN EL CONTACTO, ADEMÁS DEPENDE DE LA FUERZA DE ACTUACIÓN.

83 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN SENSOR PARA DEFINIR LOS CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS SENSORES, A SER UTILIZADOS PARA MEDIR UNA VARIABLE DETERMINADA, ES PRIMORDIAL CONOCER BIEN EL PROCESO EN EL CUAL SERÁ APLICADO. SE DEBEN TENER PRESENTE LAS CARACTERÍSTICAS Y FACTORES DEL PROCESO AL CUAL ESTARÁ SOMETIDO EL PROCESO

84 CARACTERISTICAS DEL PROCESO A CONSIDERAR PARA SELECCIÓN DE UN SENSOR CONDICIONES DEL PROCESO : MEDIO AMBIENTE TEMPERATURA AMBIENTE LLUVIAS HUMEDAD GASES TÓXICOS EN EL AMBIENTE EROSIÓN CORROSIÓN CLASIFICACIÓN DE ÁREAS PELIGROSAS DE LA PLANTA INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS VIBRACIONES

85 OTRAS CARACTERISTICAS A CONSIDERAR PARA SELECCIONAR UN SENSOR SEGÚN LA MAGNITUD A MEDIR : MARGEN DE MEDIDA RESOLUCIÓN EXACTITUD DESEADA PRECISIÓN DESEADA ESTABILIDAD DEL SENSOR LINEALIDAD DEL SENSOR TIEMPO DE RESPUESTA MAGNITUDES INTERFERENTES

86 SELECCIÓN DE SENSORES SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA SALIDA: SENSIBILIDAD TIPO: TENSIÓN, CORRIENTE, FRECUENCIA, ETC. FORMA DE LA SEÑAL IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA DESTINO: PRESENTACIÓN ANALÓGICA, DIGITAL, ETC.

87 SELECCIÓN DE SENSORES SEGÚN LA CARACTERÍSTICAS DE ALIMENTACIÓN: TENSIÓN CORRIENTE POTENCIA DISPONIBLE FRECUENCIA ESTABILIDAD

88 SELECCIÓN DE SENSORES OTROS FACTORES: PESO DIMENSIONES VIDA MEDIA COSTO DE ADQUISICIÓN DISPONIBILIDAD TIEMPO DE INSTALACIÓN SITUACIÓN EN CASO DE FALLOS COSTO DE VERIFICACIÓN COSTO DE MANTENIMIENTO COSTO DE SUSTITUCIÓN LIMITACIONES EN CUANTO A MARCAS ESPECIFICAS

89 ACONDICIONADORES DE SEÑAL UN ACONDICIONADOR DE SEÑALES ES UN DISPOSITIVO QUE CONVIERTE UN TIPO DE SEÑAL ELECTRÓNICA EN OTRO TIPO DE SEÑAL. SU USO PRINCIPAL ES CONVERTIR UNA SEÑAL QUE PUEDE SER DE DIFÍCIL LECTURA MEDIANTE INSTRUMENTACIÓN CONVENCIONAL EN UN FORMATO QUE SE PUEDE LEER MÁS FÁCILMENTE.

90 ACONDICIONADORES DE SEÑAL AL EJECUTAR ESTA CONVERSIÓN OCURREN NUMEROSAS FUNCIONES. ENTRE ELLAS: AMPLIFICACIÓN: CUANDO UNA SEÑAL SE AMPLIFICA, SE INCREMENTA LA MAGNITUD DE LA SEÑAL. LA CONVERSIÓN DE UNA SEÑAL DE 0-10 MV A UNA SEÑAL DE 0-10 V ES UN EJEMPLO DE AMPLIFICACIÓN. AISLAMIENTO ELÉCTRICO: EL AISLAMIENTO ELÉCTRICO ROMPE LA RUTA GALVÁNICA ENTRE LA SEÑAL DE ENTRADA Y LA SEÑAL DE SALIDA. ESTO ES, NO HAY UN CABLEADO ENTRE LA ENTRADA Y LA SALIDA.

91 LA ENTRADA NORMALMENTE SE TRANSFIERE A LA SALIDA MEDIANTE SU CONVERSIÓN EN UNA SEÑAL ÓPTICA O MAGNÉTICA, LUEGO SE RECONSTRUYE EN LA SALIDA. AL ROMPER LA RUTA GALVÁNICA ENTRE LA ENTRADA Y LA SALIDA, SE IMPIDE QUE LAS SEÑALES NO DESEADAS DE LA LÍNEA DE ENTRADA PASEN HASTA LA SALIDA LINEALIZACION: CONVERTIR A UNA SEÑAL DE ENTRADA NO LINEAL A UNA SEÑAL DE SALIDA LINEAL. ESTO ES COMÚN PARA SEÑALES DE TERMOPAR

92 COMPENSACIÓN DE UNIÓN FRÍA SE USA PARA TERMOPARES. LA SEÑAL DEL TERMOPAR SE AJUSTA PARA COMPENSAR LAS FLUCTUACIONES A TEMPERATURA AMBIENTE. EXCITACIÓN MUCHOS SENSORES REQUIEREN UNA FORMA DE EXCITACIÓN PARA FUNCIONAR. LOS CALIBRADORES DE TENSIÓN Y LOS RTD SON DOS EJEMPLOS COMUNES.

93 TIPOS DE ACONDICIONADORES DE SEÑALES MONTURA EN RIEL DIN COMO SE DEDUCE POR EL NOMBRE, UN ACONDICIONADOR DE SEÑALES DE MONTURA EN RIEL DIN SE MONTA EN UN SOPORTE PARA RIEL DIN. SON MUY POPULARES EN APLICACIONES INDUSTRIALES PUESTO QUE PROPORCIONAN UN FORMATO DE MONTURA RESISTENTE YA SEA PARA UNOS CUANTOS O PARA MUCHOS ACONDICIONADORES DE SEÑALES.

94 ACONDICIONADORES DE SEÑALES EN TARJETA MADRE POSTERIOR EL ESTILO DE TARJETA MADRE POSTERIOR PROPORCIONA LA VENTAJA DE QUE TODAS LAS SEÑALES DE SALIDA SON ACCESIBLES A TRAVÉS DE UN SOLO CONECTOR COMÚN CON FRECUENCIA SE USAN CON SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS PUESTO QUE UN SOLO CABLE PUEDE CONECTAR VARIOS ACONDICIONADORES A UN DISPOSITIVO DE ADQUISICIÓN DE DATOS.

95 ACONDICIONADORES DE SEÑALES DIGITALES LOS ACONDICIONADORES DIGITALES SON UNO DE LOS AVANCES MÁS RECIENTES EN ACONDICIONADORES DE SEÑALES. LA SALIDA DE UN ACONDICIONADOR DE SEÑALES DIGITAL SE CONVIERTE EN UN FORMATO DIGITAL COMO RS232, RS485 O INCLUSO ETHERNET. LAS SEÑALES DIGITALES TIENEN VARIAS VENTAJAS SOBRE LAS SEÑALES ANALÓGICAS. OFRECEN UN ALTO GRADO DE INMUNIDAD AL RUIDO ELÉCTRICO, SON COMPATIBLES CON DISTANCIAS DE TRANSMISIÓN GRANDES Y SE CONECTAN FÁCILMENTE A UNA COMPUTADORA. CON UNA SALIDA ETHERNET, LA SEÑAL DE ENTRADA SE PUEDE LEER EN TODA UNA RED O INCLUSO POR INTERNET SI ESTÁ CONFIGURADA PARA ELLO

96 ACONDICIONADORES DE SEÑAL ANALOGICOS LOS SISTEMAS ANALÓGICOS TRATAN EN FORMA ANÁLOGA LA INFORMACIÓN DE LAS MEDICIONES, SE PUEDEN DEFINIR COMO UNA MEDICIÓN CONTINUA, LAS SEÑALES ANALÓGICAS SON PRODUCTO DE LA CONVERSIÓN DE UNA FORMA DE ONDA FÍSICA EN SEÑAL ELÉCTRICA

97 TEMAS: PUENTES AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION DIGITAL.

98 PUENTES Básicamente un puente de medición es una configuración circuital que permite medir resistencias en forma indirecta, a través de un detector de cero. Los puentes de corriente continua tienen el propósito de medir resistencias, de valores desconocidos, utilizando patrones que sirven para ajustar a cero (equilibrio del puente). La configuración puente consiste en tres mallas. Se disponen de cuatro resistencias, entre ellas la desconocida, de una fuente de corriente continua y su resistencia interna, y un galvanómetro. Se estudiará la influencia de la sensibilidad del galvanómetro y de la limitación de la intensidad de corriente en los brazos del puente, así como la exactitud del puente con respecto al valor de la incógnita a medir. Existen algunas variantes para medir resistencias muy altas o muy bajas.

99 Los siguientes son los puentes de medida más utilizados y conocidos: Puente de Wheatstone Puente de Kelvin Puente Doble de Kelvin Puente de Maxwell Puente de Hay Puente de Owen Puente de Schering Puente de Wien

100 PUENTE DE WHEATSTONE El puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de comente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores. Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), de acuerdo con la ley de Ohm, R=V/I. Sin embargo, a menudo la resistencia de un conductor no se mantiene constante -variando, por ejemplo, con la temperatura y su medida precisa no es tan fácil. Evidentemente, la sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los elementos que lo componen, pero es fácil que permita apreciar valores de resistencias con décimas de ohmio.

101 R x es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R 1, R 2 y R 3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R 2 es ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R 1 /R 2 ) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (R x /R 3 ), la corriente entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos C y B. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R 2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el Galvanómetro G. La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R 2 es demasiado alta o demasiado baja Si los valores de R 1, R 2 y R 3 se conocen con mucha precisión, el valor de R x puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de R x romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro. De forma alternativa, si los valores de R 1, R 2 y R 3 son conocidos y R 2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de R x siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor

102 PUENTE DE KELVIN O THOMPSON El puente Kelvin es una modificación del Wheatstone y proporciona un gran incremento en la exactitud de las mediciones de resistencias de valor bajo, y por lo general inferiores a 1 ohm. El circuito puente de la figura, donde R y representa la resistencia del alambre de conexión de R 3 a R x. Son posibles dos conexiones del galvanómetro, en el punto m ò en el punto n. Cuando el galvanómetro se conecta en el punto m, la resistencia R y del alambre de conexión se suma a la desconocida R x, resultando una indicación por arriba de R x.

103 Cuando la conexión se hace en el punto n, R y se suma a la rama del puente R 3 y el resultado de la medición de R x será menor que el que debería ser, porque el valor real de R 3 es más alto que su valor nominal debido a la resistencia R y. Si el galvanómetro se conecta en el punto p, entre m y n, de tal forma que la razón de la resistencia de n a p y m a p iguale la razón de los resistores R 1 y R 2, entonces: La ecuación de equilibrio queda Sustituyendo la ecuación (3.11) en la (3.12), se tiene Operando queda Rnp/Rmp =R1/R2 (3.11) Rx+Rnp=(R1/R2)(R3+Rmp) (3.12) Rx+(R1/R1+R2)Ry=(R1/R2)[R3+(R2/R1+R2)Ry] (3.13) Rx=(R1/R2)R3 (3.14) Como conclusión la ecuación (3.14) es la ecuación de equilibrio para el puente Wheatstone y se ve que el efecto de la resistencia Ry se elimina conectando el galvanómetro en el punto p

104 PUENTE DOBLE DE KELVIN El término puente doble se usa debido a que el circuito contiene un segundo juego de ramas Este segundo conjunto de ramas, marcadas a y b en el diagrama, se conectan al galvanómetro en el punto p con el potencial apropiado entre m y n, lo que elimina el efecto de la resistencia Ry. Una condición establecida inicialmente es que la relación de la resistencia de a y b debe ser la misma que la relación de R 1 y R 2.

105 PUENTE DE MAXWELL El puente Maxwell (o puente Maxwell-Wien) es un circuito electrónico parecido al puente de Wheatstone más básico, con solo resistencias. Este puente es utilizado para medir inductancia. Siguiendo las referencias de la imagen, R1 y R4 son resistencias fijas y conocidas. R2 y C son variables y sus valores finales serán los que equilibren el puente y servirán para calcular la inductancia. R3 y L serán calculados según el valor de los otros componentes: R3=(R1*R4)/R2 L3=R1*R4*C2 Para evitar las dificultades al precisar el valor del condensador variable, este se puede sustituir por uno fijo y colocar en serie una o más resistencias variables.

106 La complejidad adicional de usar un puente Maxwell sobre otros más simples se justifica donde hay inductancia mutua o interferencia electromagnética. Cuando el puente esté en equilibrio la reactancia capacitiva será igual a la reactancia inductiva, pudiéndose determinar la resistencia e inductancia de la carga.

107 PUENTE DE OWEN Puente de Owen El puente Owen es ampliamente utilizado para la medición de inductores, mas precisamente para aquellas inductancias con factor de calidad bajos (Q<1). Su configuración clásica se representa en la figura 3.9, y observando esta se puede remplazar la ecuación de equilibrio para los puentes de C.A: Z1Z3=Z2Z4 Por lo tanto: (-1/jwC1)(Rx+jwLx)=R2(R3-1/jwC3) Si se igualan las partes reales e imaginarias, se obtiene: Rx=(C1R2)/C3 Lx=C1R2R3

108 PUENTE DE WIEN El oscilador de puente de Wien es un ejemplo típico de oscilador sinusoidal de baja frecuencia. Se basa en un amplificador operacional y en un puente de resistencias y condensadores. El oscilador puente de Wien es un oscilador utilizado para generar ondas sinusoidales que van desde los 5 Hz a los 5 Mhz. El circuito básico consta una red de adelanto/atrazo compuesto de dos redes RC, una serie y otra paralelo. Los dos valores de resistencias y condensadores son iguales.

109 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado Existen en equipos de la industria, en equipos de electromedicina, y en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como pueden ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, etc. Para realizar las mencionadas mediciones estos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación con un adecuada Relación Rechazo de Modo Común (CMRR).

110 En la siguiente figura se coloca un esquema básico de medición

111 A los amplificadores de instrumentación se les requieren las siguientes características: 1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a ) Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste. 3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera. 4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada. 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida. 6) Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas. 7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño. 8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido. 9) Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.

112 Rechazo de Modo Común La relación de rechazo del modo común, es una especificación de rendimiento de un componente del circuito electrónico llamado amplificador operacional. Esencialmente, es una medida de lo bien que un op-amp puede ignorar los voltajes que son comunes a ambas de sus entradas de corriente directa, y por lo tanto describe cuan limpiamente este amplifica las señales que aparecen como diferencias de tensión en sus entradas Es un problema ligado siempre a la característica del amplificador diferencial. Lo tratamos ahora debido a que el amplificador operacional es un amplificador diferencial cuando lo estudiamos en lazo abierto.

113 En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida. Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) que matemáticamente se expresa como: siendo: AD= Amplificación Diferencial ACM= Amplificación Modo Común