UD2. Elementos de Medida

Transcripción

1 Contenidos Sensores, características y tecnología Acopladores de señal, Transmisores Captadores neumáticos Objetivos Describir funcionalidad de sensores y transductores. Identificar dispositivos y componentes Calcular parámetros básicos de un sistema 1

2 1. DEFINICIONES La medición de magnitudes físicas requieren conversión de esas magnitudes en señales eléctricas. Los transductores son los dispositivos que convierten una magnitud física en otra (p.e. eléctrica) El sensor o captador es el elemento primario sensible a la magnitud física. Puede ser activo o pasivo Dependiendo de la señal de salida puede ser analógico o digital. 2

3 1. DEFINICIONES (cont.) Característica de fabricante 3 Campo de medida Alcance Sensibilidad Curva característica o curva de calibración Precisión Resolución Descripción Rango de valores de una magnitud medida con precisión. Diferencia entre valor máximo y mínimo del campo de medida Relación entre incrementos de magnitud producidos en la entrada y salida Representación gráfica que relaciona la señal de entrada y señal de salida. Permite la calibración del dispositivo. El valor del error medido frente al valor dado por la curva de calibración. La variación de una medida de la magnitud que permite apreciar el cambio.

4 2. Tecnologías de sensores Tecnología (efecto) piezoeléctrico Resistivo R Capacitivo l S S C d Descripcion Cristales de cuarzo sometidos a presión cambian su estructura cristalina. El cambio redistribuye la carga eléctrica y se presenta externamente como una tensión eléctrica La oposición al paso de una corriente electrica. La variación de la resistencia de un conductor con la longitud se utiliza en termorresistencias (p.e.) La capacidad de un condensador depende de la superficie de las placas, separación y dieléctrico. La viariacion de alguna de estas características es usada en transductores de presión y detectores de proximidad (p.e= 4

5 Efecto Piezoeléctrico Efecto Resistivo Efecto Capacitivo 5

6 2. Tecnologías de sensores Tecnología (efecto) Inductivo Reluctivo Electromagnético Descripcion El paso de corriente por una bobina genra un campo electromagnético que depende de su forma constructiva (número de espiras, longitud,sección y naturaleza del núcleo) Similar al inductivo. La variación de posición de un nucleo magnético que afecta a varias bobinas permite modificar la magnitud de tensión medida en bobinas de salida. La modificación del flujo magnético que pasa por una bobina permite detectar variación de tensión en la salida. 6

7 Inductivo Reluctivo Electromagnético 7

8 2. Tecnologías de sensores Tecnología (efecto) Fotovoltaico Termoelectrico Descripcion Los materiales sensibles a la luz pueden variar sus condiciones electricas en función de la radiacion incidente (LEDs, detectores de proximidad) La unión de dos materiales metálicos distintos que se calientan permite generar 8

9 Efecto fotoeléctrico Efecto termoeléctrico 9

10 3. Sensores y Transductores Galgas extensiométricas Se basan en el principio de recuperación mecánica que tienen algunos cuerpos cuando son sometidos a un esfuerzo mecánico de alargamiento. P.e. muelles. Si el esfuerzo mecánico no es elevado, el dispositivo vuelve a su dimensión inicial. Presentan una relación entre esfuerzo aplicado y alargamiento lineal. 10

11 3. Sensores y Transductores Galgas extensiométricas La relación es constante y se conoce como el Módulo de Young E ( ) esfuerzo ( ) al arg amiento 11

12 3. Sensores y Transductores 12 UD2. Elementos de Medida Galgas extensiométricas (cont) Si el esfuerzo de tracción se realiza en la dirección x, se experimenta un alargamiento. x E En las direcciones y y z, se produce un acortamiento denominado efecto Poisson, que para los metales más usuales cumple la fórmula: y 0,3 z 0,3 x x

13 3. Sensores y Transductores Galgas extensiométricas (cont) Las galgas extensiométricas son resistencias variables por la deformación que cumplen: 13

14 3. Sensores y Transductores Galgas extensiométricas (cont) Pueden ser: o Uniaxiales: mide alargamiento en una dirección o Biaxiales: miden alargamiento en dos direcciones o Tangenciales: se utilizan en membranas cuando no hay direcciones principales de esfuerzo. p.e. deformaciones en grietas Bornes de conexiión 14

15 3. Sensores y Transductores 15 UD2. Elementos de Medida Galgas extensiométricas (cont) Las mediciones de tensión son del orden de milésimas de tensión. Requiere exactitud en la detección de pequeñas cambios en las resistencias. Las galgas extensiométricas se emplean con configuraciones de puente de Wheatstone que cumple: V 0 R3 R2 [ ] R3 R4 R1 R2 VEX

16 3. Sensores y Transductores Galgas extensiométricas (cont) De la ecuación se deduce que cuando R1 R4 el voltaje de salida V 0 =0 y R2 R3 se dice que el puente está balanceado. Un cambio en cualquiera de las resistencias de los brazos del puente resultará en un voltaje de salida V 0 0. Si se sustituye R 4 por una galga extensiométrica, cualquier cambio en la resistencia de ésta desbalanceará el puente y tendrá una relación directa con la medida. La sensibilidad se incrementará en la medida que se sustituyan incrementalmente cada resistencia por una galga extensiométrica. 16 UD2. Elementos de Medida V 0 R3 R2 [ ] R3 R4 R1 R2 VEX

17 3. Sensores y Transductores Transductores de fuerza Hacen uso de galgas extensiométricas sobre un elemento elástico. La aplicación de fuerza F a varilla A produce flexión en las láminas L. Cada lámina tiene una galga que sufre un alargamiento: L2 y L4 responden a tracción L1 y L3 responden a compresión 17

18 3. Sensores y Transductores Transductores de fuerza Ejemplo de catálogo de fabricante Siemens de galga extensiómetrica. 18

19 3. Sensores y Transductores LVDT Transductor de fuerza con sensor inductivo. 19

20 3. Sensores y Transductores Transductor de fuerza con sensor piezoeléctrico. La carga del sensor Cs produce una corriente de integración que carga el condensador C B que facilitará una tensión de salida Vs que cumple: V s Q c C 20

21 3. Sensores y Transductores Transductor vibraciones Una vibración es un movimiento armónico de un cuerpo alrededor de un punto de equilibrio. El movimiento tiene como componentes: Desplazamiento Velocidad Aceleración La tensión variable detectada es una medida de la aceleración que se ha transmitido a la masa de inercia y que cumple: F m a donde m es la masa de inercia del dispositivo. 21

22 3. Sensores y Transductores Sensores de temperatura Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en señales eléctricas. Dependiendo del procedimiento de detección tenemos: Detector de temperatura resistivo: La resistencia eléctrica de un conductor depende de la temperatura a que se somete. R R0 (1 t) donde: R 0 es la resistencia a 0 0 C. R es la resistencia a t 0 0 C α es el coeficiente de temperatura t es la temperatura 22

23 3. Sensores y Transductores Sensores de temperatura (cont.) Algunos materiales empleados son: platino, níquel y cobre. El Platino posee precisión, estabilidad y alto coste. La sonda de platino de uso común en la industria se denomina PT100 y posee una resistencia de 100 Ω a 0 0 C. Material Platino Niquel Cobre Coeficiente temperatura Ω/Ω 0 C Ω/Ω 0 C Ω/Ω 0 C Resistividad 9, Ω m 6, Ω m 1, Ω m Intervalo de utilización C C C Resistencia sonda 0 C 25,100,130 Ω 100 Ω 10 Ω 23 Precisión 0,01 0 C 0,01 0 C 0,01 0 C

24 3. Sensores y Transductores Sensores de temperatura (cont.) Esta sonda se denomina de forma captador de bulbo. La vaina metálica protectora contiene el hilo conductor y un material de sellado del que salen los terminales. La variación de resistencia de la sonda se mide con un puente de Weatstone que cumple: A 0 0 C el puente está equilibrado y cumple: RX R1 R2 R3 En esta condición se cumple que V S =0 Si R X aumenta, se reduce V A y consecuentemente aumenta V B 24

25 3. Sensores y Transductores Sensores de temperatura (cont.) Este montaje presenta como inconveniente que los conductores a y b presentan una resistencia que variará con la temperatura y una medición falsa consecuentemente. La solución es usar una sonda con conexión a tres hilos. La rama de Rx queda formada por Rx, b y c. La variación de resistencia se produce por igual en a,b y c quedando compensada. 25

26 3. Sensores y Transductores Termopares Se componen de dos metales diferentes unidos firmemente por un extremo. Si la temperaturas de la unión de medida y unión de referencia son distintas, se establece una corriente eléctrica debido a una pequeña diferencia de potencial en dicha unión. 26

27 3. Sensores y Transductores Termopares En instalaciones industriales se utiliza un solo termopar para efectuar la medida como se indica en la figura: T1= temperatura instrumento T2= temperatura ambiente T M =temperatura medida V M V V AB( TM ) AB( T 2) 27

28 3. Sensores y Transductores Termopares Para evitar que la medida se vea afectada por los cambios de temperatura se utilizan circuitos compensadores. V M VAB( TM ) VAB( T 2) V C 28

29 3. Sensores y Transductores Sensores semiconductores Las uniones P-N de los semiconductores presentan sensibilidad a la temperatura y es la base de estos sensores. 29

30 3. Sensores y Transductores Termistores Son componentes semiconductores con un elevado coeficiente de temperatura. Pueden ser: NTC (Negative Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura negativo PTC (Positive Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura positivo (también llamado posistor). En NTC LA RELACION ENTRE LA Resistencia y la temperatura viene dada por la fórmula: B= constante que depende del termistor R 0 =Resistencia a temperatura T 0 R T R 0 e 1 B( T 1 T 0 ) 30

31 3. Sensores y Transductores Termistores Circuito divisor resistivo con NTC 31 V S V ( R R 0 R e 1 B( T 1 T 0 ) )

32 3. Sensores y Transductores Transductores de presión La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie: F Las unidades más comunes de medida son: 1 Pascal=> 1 Pa=1N/m 2 1 Kg/cm 2 P 1 psi (libra por pulgada cuadrada) 1 bar S Unidad equivalencia 1 psi 7142 Pa 1 kg/cm Pa 1 bar 10 5 Pa 32

33 3. Sensores y Transductores Transductores de presión (cont) Las medidas de presión pueden ser: Presión absoluta: medida con referencia al cero absoluto ( C) Presión relativa: medida con referencia a la presión atmosférica (habitual) Presión diferencial: diferencia entre dos presiones y su conversión en señal eléctrica de tipo: Resistivo: la presión aplicada hace moverse el cursor del potenciómetro. Precisión: 1% 2,5% gama presión: 0 0,1 kg/cm 2 y kg/cm 2 33

34 3. Sensores y Transductores Transductores de presión (cont) Presión diferencial: diferencia entre dos presiones y su conversión en señal eléctrica de tipo: (cont.) Inductivo: el movimiento del núcleo de una bobina hace variar el coeficiente de autoinducción La bobina se conecta a un circuito de c.a. que permite obtener una señal que es función de la inductancia de la bobina L. Precisión: ~ 1 % rango: 50 g/cm kg/cm 2 Reluctivo: Una variante del anterior Capacitivos: una de las placas del condensador se mueve por efecto de la presión. Precisión: ±0,2% ±0,5% rango: 0,05 g/cm 2 5 g/cm 2 0,5 kg/cm kg/cm 2 34

35 3. Sensores y Transductores Transductores de presión (cont) Presión diferencial: diferencia entre dos presiones y su conversión en señal eléctrica de tipo: (cont.) Galgas extensiométricas: La presión estira estira o comprime los hilos conductores Precisión: ±0,5% rango: 0 kg/cm 2 0,6 kg/cm 2 0 kg/cm kg/cm 2 Cristales piezoeléctricos Precisión: 1% ±0,5% rango: 0,1 kg/cm kg/cm 2 35

36 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Se utilizan para la medida de caudal en procesos industriales de líquidos y gases. Los procedimientos que se utilizan son: Placa orificio o diafragma Tobera Tubo venturi Sonda ultrasónica Medidor térmico 36

37 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Tobera y tubo Venturi Se introduce una placa con un oficio en la tubería por la circula el fluido. Se toma la presión en la parte anterior y posterior a la placa. La presión diferencial resultante es proporcional a la raíz cuadrada del caudal. 37

38 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Placa-orificio o diafragma Se basa en la medida de la presión diferencial en una tobera que presenta un estrangulamiento como el de la figura. Toma anterior Toma posterior Cono de entrada 38 Cono de salida

39 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Turbina Un dispositivo rotórico situado en el interior de la tubería gira a una velocidad proporcional al caudal. Sobre el rotor va montado un imán permanente que induce corrientes en forma de impulsos sobre una bobina externa. El conteo de los impulsos en un período de tiempo fijo da la medida del caudal 39

40 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Sonda ultrasónica El par emisor-receptor es acoplado a la tubería. El sonido experimenta cambios en su propagación por el interior de la tubería en función del caudal. 40

41 3. Sensores y Transductores Transductores de caudal Medidor térmico La NTC1 está en contacto con el fluido en reposo. La NTC2 está en el interior de la tubería. La medida mediante un puente de Wheatstone permite obtener una tensión proporcional al caudal. 41

42 3. Sensores y Transductores Transductores de Nivel Flotador Magnético Un flotador contiene un imán que al moverse arrastra otro imán. Este último está acoplado al cursor de un potenciómetro. La variación de la resistencia del potenciómetro se convierte en una señal eléctrica. 42

43 3. Sensores y Transductores Transductores de Nivel Presión diferencial El transductor de presión situado en el fondo del tanque registra la presión de forma proporcional a la altura. Se puede emplear con correcciones también en tanques cerrados y/o a presión. 43

44 3. Sensores y Transductores Transductores de Nivel Capacitivo Se basa en el principio de capacidad de un condensador formado entre los dos tubos que están aislados entre sí. El circuito eléctrico puede ser un puente de capacidades alimentado en CA. 44

45 3. Sensores y Transductores Transductores de Nivel Ultrasonidos Usa un emisor-receptor de ultrasonidos. El receptor capta el sonido reflejado en la superficie del líquido. El tiempo invertido por la onda sonora desde que emite hasta que recibe es una relación que depende de la distancia a la que se encuentra la superficie del líquido. 45

46 3. Sensores y Transductores Transductores de velocidad y posición angulares (encoders) La medida de la velocidad del eje de un motor se puede realizar con dispositivos electromagnéticos tales como alternadores o dinamos tacométricos. La medida de ángulos se hace con el uso de potenciómetros rotativos. En la actualidad se usan encoders para medir velocidades y posiciones angulares. Los encoders son sensores que generan señales digitales en respuesta al movimiento. Son de dos tipos: Incrementales Absolutos 46

47 3. Sensores y Transductores Transductores de velocidad y posición angulares (encoders) Encoders incrementales: Determina su posición contando el número de impulsos que se generan cuando un rayo de luz es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco. Proporcionan mayor resolución a un coste más bajo que los encoders absolutos 47

48 3. Sensores y Transductores Transductores de velocidad y posición angulares (encoders) Encoders incrementales: Las características mas destacables de un encoder incremental son: 1. Resolución: nº pulsos de salida por vuelta de eje 2. Carga del eje: Máxima fuerza que se puede ejercer sobre el eje (carga axial y radial) 3. Máxima velocidad de rotación: por encima de esta velocidad el encoder no responde linealmente. 4. Par de arranque: Par necesario para hacer girar el eje partiendo de reposo. 5. Tipo de salida: Lógica Colector abierto 48

49 3. Sensores y Transductores Transductores de velocidad y posición angulares (encoders) Encoder absoluto: El disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas. En el sentido radial, el rotor queda dividido en sectores con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray. 49

50 3. Sensores y Transductores Según la posición del disco, la luz emitida por cada emisor se enfrentará a un sector opaco o transparente. Las diferentes combinaciones posibles de sectores dan origen a una señal de salida digital formada por 4 bits que puede ser procesada. 50

51 4. Detectores de posición Pertenecen a este grupo todos los dispositivos que entregan una señal de tipo todo/nada indicando la presencia/ausencia de un objeto. Finales de carrera: son interruptores electromecánicos accionados por palanca, rodillo leva 51

52 4. Detectores de posición Inductivos El principio de funcionamiento de un detector inductivo responde a un diagrama de bloques similar al indicado mas abajo. Bobina detectora Oscilador Rectificador Circuito Conmutacion Alimentación 52

53 4. Detectores de posición Inductivos El coeficiente de inducción L de la bobina detectora determina la frecuencia y amplitud de la señal alterna producida por el oscilador. La salida del oscilador se rectifica para convertirla en continua y su nivel se detecta con el circuito de conmutación. Cuando se acerca un objeto metálico a la bobina, el valor de L cambia y la salida conmuta de un estado a otro. 53

54 4. Detectores de posición Capacitivos 54

55 4. Detectores de posición Capacitivos El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material. Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos están basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilación varía al aproximar un objeto. 55

56 4. Detectores de posición Capacitivos Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua) irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador también aumenta (que es el que suministra la alta frecuencia). El rectificador simplemente convierte la señal alterna en continua. Cuando esta señal alcance un determinado valor, actuará el circuito disparador (Trigger) que controla si la señal proveniente del rectificador corresponde al nivel de referencia necesario para conmutar el dispositivo de salida. 56

57 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Distancia de detección: Es la máxima distancia a la que se puede encontrar el objeto deseable. Del orden de mm. Frecuencia de respuesta: El máximo nº de veces que actua el detector en 1 s. 57

58 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Tipos de salida (todo/nada) Tipo B: Se alimenta en CC La salida es un transistor PNP en colector abierto. La carga se conecta entre la salida y 0 v. 58

59 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Tipos de salida (todo/nada) Tipo C: Se alimenta en CC La salida es un transistor NPN en colector abierto. La carga se conecta entre la salida y Vcc. 59

60 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Tipos de salida (todo/nada) Tipo D: Se alimenta en CC La carga debe conectarse en serie con la alimentación. 60

61 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Tipos de salida (todo/nada) Tipo E: Se alimenta en CC La salida es un transistor NPN con carga interna. No es imprescindible conectar carga externa porque en la salida tenemos un nivel lógico de tensión. 61

62 4. Detectores de posición Características de detectores Inductivos y Capacitivos Tipos de salida (todo/nada) Tipo F: Se alimenta en CC La salida es un transistor PNP con carga interna. 62

63 4. Detectores de posición Detectores fotoeléctricos Se basan en dos elementos: emisor de luz y detector. Los emisores pueden ser: o Lámparas incandescentes o Diodos LED o Diodos láser Los receptores suelen ser: o LRR o Fotodiodos o Fototransistores o fototiristores 63

64 4. Detectores de posición Detectores fotoeléctricos Los modos de detección son: Barrera: emisor y receptor están separados e instalados enfrente uno de otro. El corte del haz luminoso produce una salida en el receptor 64

65 4. Detectores de posición Detectores fotoeléctricos Reflex sobre espejo: el emisor y el receptor están en la misma ubicación 65

66 4. Detectores de posición Detectores ultrasónicos Se basan en la propiedad de la variación de la velocidad de los ultrasonidos cuando atraviesan diferentes medios 66

67 4. Medida de esplazamiento con sensores láser Un sensor de desplazamiento por láser, nos permite realizar una medida de desplazamiento sin contacto ni rozamiento. Esto es muy útil cuando la el objeto a medir es móvil o entra en una zona de acción determinada, que no permite que se amarre ningún elemento de medida fijo. 67

68 4. Medida de desplazamiento con sensores láser El principio de funcionamiento se basa en la superposición de dos ondas de igual frecuencia, una directa y la otra reflejada. La onda resultante pasa por valores máximos y mínimos al variar la fase de la señal reflejada. Los sensores industriales generan un haz de luz que se divide en dos parte ortogonales mediante un separador. Un haz se aplica sobre un espejo plano fijo, mientras el otro refleja sobre el objeto cuya distancia se quiere determinar, los dos haces se superponen de nuevo en el separador, de forma que al separarse el objeto se generan máximos y mínimos a cada múltiplo de la longitud de onda del haz. La distancia se mide contando dichas oscilaciones o franjas, obteniéndose una salida digital de elevada precisión. 68

69 69 UD2. Elementos de Medida 4. Medida de desplazamiento con sensores láser Las características más destacables de estos sensores son: Distancia focal: Es la distancia a que se debe colocar el objeto cuyo desplazamiento respecto del punto de referencia se pretende medir. Rango de medida: Indica cuánto se puede desplazar el objeto con respecto al punto de referencia Diámetro del punto de luz: Expresa las dimensiones del punto de luz generado por el láser. Resolución: Es el mínimo desplazamiento que debe realizar un objeto para que pueda detectarse en la salida. Ejemplos de aplicación: grietas, vibraciones, espesores

70 5. Acondicionadores de señal Son los elementos encargados de someter la señal recibida del sensor a un proceso de manipulación para una mejor comprensión. Amplificación: cuando la señal entregada es de un nivel bajo, precisa de ser aumentada manteniendo sus características (amplificada). El amplificador debe cubrir un rango de frecuencias introduciendo pocos errores. 70

71 5. Acondicionadores de señal Amplificación (cont.) Inversor: La señal obtenida a la salida viene dada por: Vout La ganancia es : R G R 2 3 R R 2 3 Vin El signo - indica una inversión de fase La resistencia R1 tiene como objetivo eliminar los errores derivados de la corriente de offset y su valor debe ser: R2 R3 R1 R La impedancia de entrada es R1 2 R 3 71

72 72

73 5. Acondicionadores de señal Amplificación (cont.) No Inversor: La ganancia es : G 1 R R 2 1 Si se eliminan las resistencias obtenemos el seguidor (ganancia =1) La impedancia de entrada es la que presenta el operacional, siendo ésta muy elevada. 73

74 74

75 5. Acondicionadores de señal Amplificación (cont.) Sumador Con este circuito es posible obtener una señal de salida que es suma de las señales de entrada amplificadas por un factor determinado R Vs ( R 3 1 V 1 R R 3 2 V 2 R R 3 n V n ) 75

76 76

77 5. Acondicionadores de señal Amplificación (cont.) Amplificador diferencial Este circuito amplifica la diferencia entre las dos señales aplicadas a la entrada. 2 La señal de salida viene dada por: R Vs R 1 ( V 2 V 1) 77

78 5. Acondicionadores de señal Conversión de tensión a corriente o Con el circuito presentado a continuación es posible generar una corriente de salida que solo dependa de la tensión aplicada a la entrada, sin importar la carga que tenga conectada. o La intensidad de salida viene dada por la ecuación: donde R L es la resistencia de carga. Is Vin RL 78

79 5. Acondicionadores de señal Conversión de corriente a tensión o Se caracteriza por presentar una resistencia nula al paso de de la intensidad de entrada I in (cortocircuito virtual del operacional). o Proporciona una tensión V out R I in 79