TRANSDUCTORES Y SENSORES

Transcripción

1 UNIDAD 2 TRANSDUCTORES Y SENSORES INTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES BÁSICAS Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro que podemos medir más fácilmente. Por ejemplo, un termómetro clínico es un transductor que convierte la temperatura corporal en una medida de longitud (la progresión del mercurio a través de una regla graduada). Actualmente, la mayoría de transductores son eléctricos y por norma general se aplica la palabra "sensores" a todo tipo de transductor eléctrico. Constituyen unos de los componentes de entradas de datos a un sistema de control. El sensor detecta la variación física del elemento que controla, y lo transmite en forma de magnitud eléctrica. La señal que entrega el sensor debe ser recogida por el controlador, y en caso necesario, será ampliada y acondicionada para su posterior uso. Existe una gran cantidad de sensores para poder medir magnitudes físicas, de las que se pueden enumerar las siguientes: Temperatura Presión Humedad Posición lineal o angular. Movimiento luminosidad Inclinación Desplazamiento o deformación. Imagen Conductividad Aceleración Color Resistividad Velocidad lineal o angular Sonido Corriente Caudal Químicos Fuerza y par magnetismo Biométricos Gravedad 1

2 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES Según su autonomía: Sensores activos: requieren de una fuente externa de excitación o alimentación para efectuar su función. Sensores pasivos: no requiere de una fuente externa de alimentación. Según la naturaleza de la señal que entregan al sistema: Sensores discretos o digitales: Los más comunes son los que adoptan dos valores, abierto cerrado, On off, activado desactivado, uno cero. Un ejemplo sería el interruptor o pulsador límite de carrera (también llamado de posición, ya que indica que una pieza está situada en el lugar correcto). Dispone de un contacto cerrado y otro abierto, la parte con la que tropieza la pieza puede ser un tope, de forma de bola, o de ruleta, graduable o fija. Normalmente, la salida de esta clase de sensores es un contacto libre de potencial que se cierra y se abre en función del sensor. En realidad no deberían llamarse sensores, puesto que no transforman la señal eléctrica, tan solo abren o cierran un contacto. Otros, más sofisticados, producen una señal de salida digital, formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos. Sensores continuos o analógicos: Son aquellos en que su señal de salida cambia de forma continua. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Un ejemplo puede ser la sonda de temperatura del tipo resistivo, en la cual la resistencia varía de forma continua según la temperatura que esté midiendo. 2

3 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES Error: Expresa la diferencia entre la magnitud medida y la lectura instrumental. En toda aplicación se desearía que el error fuese 0; sin embargo, todos los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida, y es común calibrarlos de cuando en cuando. Un instrumento tan sencillo como un termómetro de mercurio se debe calibrar para corregir el error. Por ejemplo, si un reactor está a 70 ºC y el instrumento lee 69 ºC, el error será de 1 ºC. El error se define, habitualmente, como: Error = Lectura el sensor Valor real Aunque también podría usarse a la inversa sin mayores confusiones, con tan sólo especificar que opción se usa. Exactitud: está relacionada con el error, y es la habilidad de un sensor para mostrar el valor correcto en la medida. Precisión: se refiere a la variación en los resultados, entre una serie de medidas iguales. Reproducibilidad: se refiere a la capacidad del instrumento de mantener una misma lectura cuando el valor de la especie sensada está a valor constante. Repetibilidad: especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida. Así, por ejemplo, si para una misma presión de 25 p.s.i., un manómetro de precisión de 1 p.s.i., entrega las lecturas de 25,5; 26; 24,3; y 24 p.s.i. su operación es repetible; una lectura de 27 p.s.i. indicaría un problema de repetibilidad del instrumento. Sensibilidad: término utilizado para describir el mínimo cambio en la especie sensada que el instrumento puede detectar. Su definición es similar a la definición de ganancia pero se refiere, más bien, a la posibilidad de discriminar dos valores muy cercanos entre si. La sensibilidad se expresa cuantitativamente mediante la tasa de cambio de la medición respecto del cambio en la especie sensada. Es común (pero erróneo) asociar la sensibilidad a la escala de lectura; por ejemplo, si una escala de temperatura tiene divisiones cada un grado centígrado, se podría pensar que la sensibilidad fuese de ½ grado porque no sería posible "estimar" valores como ¼ de grado. En realidad, es posible que el sistema termómetro en uso necesite un cambió de un grado antes de modificar su aguja indicadora. 3

4 Resolución: Se refiere, precisamente, al contra ejemplo anterior. Expresa la posibilidad de discriminar entre valores, debido a las graduaciones del instrumento. Se suele hablar de número de dígitos para indicadores numéricos digitales y de porcentaje de escala para instrumentos de aguja. Es bien sabido, por ejemplo, que los termómetros de baja calidad sólo tienen indicaciones cada 10 ºC, sin subdivisiones, a fin de enfatizar al usuario que el instrumento sólo da una noción y no se debe usar como instrumento de alta resolución. La resolución está en directa relación a la escala del instrumento. Corrimiento del cero: La lectura en cero suele cambiar por razones asociadas al uso de un instrumento o porque las etapas amplificadoras sufren de deriva en el tiempo. Los instrumentos deben especificar su tolerancia al corrimiento del cero y, además, los procedimientos y periodicidad de recalibraciones. Tiempo de respuesta: La medición de cualquier variable de proceso puede implicar una demora, (debida a fenómenos de equilibrio, transporte, etc.) que debe ser definida adecuadamente. Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final. Relación señal ruido: es la relación entre la señal de salida producida por una entrada determinada, y aquella producida en ausencia de señal. Selectividad: se trata de la habilidad del sensor para medir solo un parámetro. En el caso de un sensor químico, de medir solo una especie química. Histéresis: Algunos instrumentos presentan un fenómeno de "memoria" que impone una histéresis a su respuesta. En particular, un sistema de medición de presión podría indicar los cambios de presión según si la presión anterior era más alta o más baja que la actual, debido a fenómenos de resistencia viscosa al desplazamiento de partes interiores del sensor. Así, una presión de 3 p.s.i., por ejemplo, podría leer 3,1 si la presión acaba de bajar, pero 2,9 si esta ha subido. El diagrama tradicional de las respuestas con histéresis consiste de dos curvas, en lugar de la línea recta hipotética. 4

5 CURVAS DE CALIBRACIÓN Función de transferencia: Un instrumento se puede caracterizar formalmente mediante su función de transferencia, es decir, por su modelo matemático: Entrada vs. Salida, donde la entrada es el valor real de la propiedad sensada y la salida es la lectura en el instrumento. Las funciones de transferencia de instrumentos de alta calidad suelen estar disponibles desde el fabricante. De no ser tal el caso, esta se deberá construir mediante un análisis dinámico clásico. Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida. Esta relación se puede expresar mediante una función de transferencia, a partir de la cual se obtiene una representación gráfica denominada curva de calibración estática. El sensor convierte una magnitud física m en un voltaje v de la forma v = f(m). Si representamos esta ecuación, obtenemos una curva de calibración estática como la de la figura: Esta gráfica es importantísima para entender el funcionamiento del sensor, para lo cual se definen los siguientes parámetros de la curva de calibración: 5

6 Rango de medida: Intervalo en el que puede emplearse un sensor. Rango de Entrada si lo indicamos en términos de "m" y Rango de Salida si lo indicamos en términos de "v". Escala total o Span: Es el ancho del intervalo donde puede operar el sensor (m max m min o v max v min ). Factor de Escala o Ganancia: está definido por la pendiente entre la salida y la entrada. S (Factor de Escala) representa la primera derivada de la salida con respecto la entrada: Linealidad: máxima desviación entre la curva de calibración y la recta ideal. Si el sensor es lineal (S = cte), produciría una línea recta de la forma: S = v m V = S.m + Z Donde Z = Deriva del Cero (Zero Offset). La mayoría de sensores pueden anular Z, pero corregir la linealidad no ha sido históricamente fácil. Resolución: es el incremento mínimo necesario para obtener un cambio en la salida. Umbral: es un caso particular de resolución cuando se parte de cero. 6

7 Ambos factores de calidad suelen ser los primeros que se pasan por alto al realizar medidas, ya que no suelen tenerse en cuenta. En una balanza electrónica, por ejemplo, el umbral es la pesada mínima que el sistema admite. La resolución es la mínima cifra decimal que el sistema dice proporcionar (aunque esto no implica que sea con seguridad el dato real y exacto, pues además de la resolución puede haber más incertidumbres en dicha medida, por ejemplo, ruido). Ruido: es la inconsistencia continua de la medida a lo largo del tiempo. El ruido se presenta como una variación sistemática de un mismo valor medido. La amplitud del ruido implica una indeterminación de la magnitud que estamos midiendo. Estabilidad: Es la capacidad de un transductor de mantener su curva de calibración a lo largo del tiempo o en presencia de agentes externos. (Como cambios de temperatura, humedad, campos electromagnéticos, etc.). 7