Sensores. Ing. José Roberto Vignoni. Año Instrumentación y Comunicaciones Industriales

Transcripción

1 Sensores Ing. José Roberto Vignoni Año

2 Sensores Introducción Parámetros de los sensores Sensores de Temperatura 2

3 Introducción Sensores y actuadores son ejemplos de transductores Un transductor es un dispositivo que convierte energía de tipo calórica, lumínica, acústica, presión, movimiento, caudal, etc. a otra generalmente eléctrica para poder medirla y eventualmente controlarla en forma relativamente fácil 3

4 Sensor: Transductor de entrada Criterios de Clasificación de Sensores Según requerimientos de fuente de energía Activos ó Pasivos Naturaleza de la señal de salida Digitales ó Analógicos Naturaleza de la magnitud a medir Mecánicos, Térmicos, Magnéticos, Químicos, etc. Variable física de medida Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, etc. 4

5 Sensores Pasivos o Autogenerativos Generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo sin la necesidad de una fuente de energía externa. Toman energía del estímulo. Termocouplas, Sensores Piezoelectricos, etc. Sensores Activos o Modulantes Requieren fuente de energía externa o una señal de excitación para poder funcionar. Termistor, Inductor, etc. 5

6 Sensores Analógicos Proveen una señal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal. Temperatura, desplazamiento, intensidad lumínica, etc. Sensores Digitales La salida toma la forma de escalones o estados discretos. Contacto (switch), encoder, etc 6

7 Parámetros de los Sensores Campo de Medida, Rango (Range) valores máximo y mínimo que pueden ser medidos Alcance (Span) Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Error diferencia entre el valor medido y el valor verdadero Error absoluto = resultado valor verdadero Error relativo = error absoluto / valor verdadero 7

8 Errores sistemáticos Son resultado de una variedad de factores Interferir o modificar variables (temperatura) Drift (cambios en la estructura física o química) El proceso de medida hace variar la magnitud (transmisor) El medio de transmisión hace variar la señal (atenuación) Errores humanos Pueden ser corregidos con métodos de compensación 8

9 Errores aleatorios También denominado ruido: señal que no contiene información Error aleatorio verdadero (ruido blanco) Ruido ambiente (tomado por un micrófono) Interferencia electromagnética La relación señal ruido debe ser >>1 9

10 Incertidumbre Es la dispersión de valores que pueden ser atribuidos razonablemente al valor verdadero de la magnitud medida Trazabilidad Propiedad del resultado de las mediciones realizadas con un instrumento, tal que puedan ser relacionadas con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas Exactitud Es la cualidad del instrumento que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida 10

11 Sensibilidad Mínimo valor de entrada que genera un cambio a la salida Precisión Es el grado de reproducibilidad de las medidas 11

12 Es la capacidad de medir de un instrumento, para entregar la misma lectura cuando se realizan repetidas mediciones de la misma magnitud, bajo idénticas condiciones. Precisión implica similitud entre lecturas sucesivas, NO necesariamente cercanas al valor verdadero La Precisión está relacionada con la varianza de un conjunto de medidas La Precisión es una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud. Dos términos estrechamente relacionados con la precisión son: Repetibilidad Es la precisión de un conjunto de medidas realizadas en las mismas condiciones en un intervalo de tiempo corto. Reproducibilidad Es la precisión de un conjunto de medidas tomadas en un período largo de tiempo o realizadas por diferentes operadores o con diferentes instrumentos o en diferentes laboratorios 12

13 Resolución o discriminación Menor cambio discernible en el valor medido Linealidad Es la aproximación de la curva de calibración de un instrumento, a una línea recta especificada Deriva Es una variación en la señal de salida, que se presenta en un período de tiempo determinado, mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales Estabilidad o Confiabilidad Capacidad de un instrumento de mantener su comportamiento durante su vida útil. 13

14 Vida útil se definirá como el período en que un dispositivo continúe funcionando con precisión (dentro de límites predeterminados). La confiabilidad se relaciona con el costo del dispositivo por lo que la especificación de su vida útil es una relación de compromiso entre costo y eficiencia. La falla de cualquier componente puede ser repentina e impredecible, o gradual, en cuyo caso puede detectarse algún movimiento fuera de las especificaciones. Además cuando ocurre la falla, podría ser completa o parcial. 14

15 El fabricante da la evaluación de confiabilidad en términos estadísticos, ya que en general es impracticable medir todos los parámetros de cada dispositivo. El tiempo medio para falla (MTTF: mean time to failure) está definido para un período total de uso como: {tiempo de funcionamiento correcto} + {número de sobrevivientes} x {período de uso} / número total de fallas 15

16 Ejemplo Durante un período de 1000 hs, 27 sensores del tipo x funcionaron satisfactoriamente, uno se descompuso después de 6 hs, otro después de 13 hs. y un último después de 680 hs. Cuál es el (MTTF)? MTTF = ( 1* 6 ) + ( 1*13 ) + ( 1* 680 ) + ( 27 *1000 ) = 9233 Obsérvese que el MTTF es generalmente mucho mayor que el período de uso o prueba. 3 16

17 Cuando un dispositivo puede repararse, la cifra dada suele ser el tiempo medio entre fallas. (MTBF: mean time between failures) y se define como: período total de uso de los dispositivos número de fallas 17

18 Ejemplo El sensor de tipo x puede repararse, por lo que las tres fallas o averías antes señaladas fueron reparadas, pero uno de ellos se descompuso una vez más durante las 1000 hs. de uso. Cual es el MTBF? MTBF = 30* = 7500 horas 18

19 La respuesta dinámica de un sensor se asume lineal por lo tanto se puede asociar a una ecuación diferencial de coeficientes constantes En la práctica se consideran modelos de hasta segundo orden Los modelos de orden cero no tienen elementos que almacenen energía 19

20 Sensores de Temperatura RTD (Detector de Temperatura Resistivo) Son de coeficiente positivo Resistencia variable con la temperatura R T = R 0 (1 + α T + β T 2 + ) T R 0 es la resistencia a la temperatura T 0 T es la diferencia de temperaturas (T- T 0) α, β,... Son los coeficientes de cada metal 20

21 Materiales para la fabricación de RTDs Propiedades: -Maleables -Curva de transferencia estable y repetitiva cobre, níquel, hierroníquel, platino -Resistentes a la corrosión -Bajo costo -Variación de resistencia lineal con la temperatura 21

22 Propiedades y Comportamiento de lo 4 más comunes Material Coef. De Temp. Rango de Temp. Características Platino a C a 593 C Amplio Rango Lineales Estables Níquel C a 300 C Mayor Coef. Antigua Cobre C a 149 C Lineal Hierro- Níquel Baja Resistiv. Rango limitado C a 343 C Al ser una aleación, poco intercambiable 22

23 RTDs de Platino Según Estándar IEC 751 Clase A +/- 0,06 Ω a 0 ºC Clase B +/- 0,12 Ω a 0 ºC 23

24 Formas Constructivas Bobinada Película Metálica Bobina Suspendida 24

25 Tipos de Conexionado Conexión con 2 cables L1 R1 E0 R T L2 Si E0 = 0 entonces: R1 = L1 +RT +L2 R2 R3 Lx1 L1 R1 R T Lx2 L2 R2 R3 25

26 2 Cables con Compensación Lx1 L1 R1 R T RT = R25 ºC + 0,00396 R25 ºC (T - 25 ºC) R2 R3 R EX Lx2 L2 R1 = R2 REX = LX1 + LX2 R3 = L1 + L2 + RT L1 R1 R T L2 R2 R3 26

27 Conexión con 3 cables L1 R1 R T L3 R2 R3 L2 R1 = R2 = R3 + L2 = RT + L1 27

28 Ventajas y desventajas de las Ventajas: Lineales Estables Intercambiables Desventajas RTDs Sensibilidad baja Voluminosas Alta Inercia Térmica (Alto tiempo de respuesta) Medianamente frágiles Autocalentamiento 28

29 Termistores Materiales semiconductores que utilizan como variable su resistencia para detectar variaciones de temperatura. Se fabrican con óxidos de diversos metales como níquel, cobalto, cobre, titanio, manganeso, etc 29

30 Donde: T: es la temperatura (en º kelvin), TRef es la temperatura de referencia, generalmente la temperatura ambiente (25 C; 77 F; ºK) R: es la resistencia del termistor (Ω) R Ref : es la resistencia a T Ref β: es una constante de calibración dependiente del material del termistor, generalmente entre 3,000 and 5,000 ºK. 30

31 Ventajas: Alta sensibilidad Alta precisión (+/ ºC) Pequeño Tamaño Baja Inercia Térmica (bajo tiempo de respuesta) Estabilidad y repetibilidad a largo plazo Desventajas Altamente alineales Limitado rango de utilización (-40 ºC a +150 ºC) 31

32 Termocuplas (pares termoeléctricos) Sensores de temperatura por efecto termoeléctrico, conformado por dos metales distintos conectados en dos junturas diferentes. 32

33 Principio de funcionamiento Efecto Seebek: En un circuito conformado por dos metales cuyas junturas están a temperaturas diferentes, circula una pequeña corriente. Efecto Peltier: Reversibilidad del fenómeno. Si se aplica una tensión al circuito anterior, una juntura se calienta y la otra se enfría dependiendo del sentido de circulación de la corriente. Efecto Thompson: Cualquier material conductor homogéneo, expuesto a un gradiente de temperatura, genera una fem entre sus extremos. 33

34 Tipos de termocuplas Las termocuplas se consiguen en diferentes combinaciones de metales o calibraciones. Las cuatro más comunes son las tipo: J, K, E y B. Cada una tiene diferente rango de aplicación dependiente de la temperatura y el entorno de trabajo. 34

35 Tipo K (Chromel (Ni-Cr) / Alumel (Ni-Al) Es una termocupla de propósitos generales. Es de bajo costo y se consigue en una variedad probes. El rango de temperatura de trabajo va desde 200 C a C. La sensibilidad es de aproximadamente 41 µv/ C. Type J (Hierro/ Constantan) Limitado rango de trabajo ( 40 to +750 C) la hace menos popular que la anterior. Su aplicación más importante la relaciona con equipamiento antiguo. Las termocuplas tipo J no deben utilizarse por arriba de 760 C ya que sufrirían una abrupta transformación magnetica que causaría una permanente descalibración. 35

36 Tipo E (Chromel / Constantan (Cu-Ni ) Tiene mayor sensibilidad (68 µv/ C), se utiliza en rangos de muy baja temperatura (criogenicas). Otra propiedad importante es que es no-magnetica. Type B (Platino-Rhodio) Se utiliza en altas temperaturas hasta 1800 C. Generalmente, las termocuplas tipo B presentan la misma tensión de salida desde 0 C hasta 42 C, lo que las hace inútiles por debajo de 50 C. Tienen baja sensibilidad (10 µv/ C). Se utilizan por encima de 300 ºC. 36

37 Formas constructivas 37

38 38

39 39

40 Ventajas Amplio rango de temperatura Bajo costo Robustas Baja inercia térmica Buena exactitud y repetibilidad Desventajas Baja sensibilidad (menor a 60 µv/ ºC) Necesita temperatura de referencia 40

41 Semiconductores Es un dispositivo semiconductor con las propiedades de un diodo Económico, lineal y fácil de usar Rango de temperatura limitado (-50 C to 150 C) debido a la naturaleza de los materiales semiconductores 41

42 Pirómetro También denominado termómetro de radiación, es un instrumento que permite medir la temperatura de una superficie midiendo la radiación electromagnética (infrarroja o visible) emitida por un objeto. La radiación EM de características térmicas abarca un rango de longitudes de onda que van desde el ultravioleta profundo hasta mitad del infrarrojo (0.1 a 100 µm). 42

43 Pirómetro Óptico Mide radiación térmica en el espectro visible. Mide por comparación con una luz calibrada generada por un filamento. Pirómetro Infrarrojo Mide en la región del infrarrojo (2 a 14 µm). La radiación genera una carga eléctrica en materiales piroeléctricos como el tantalato de litio (Li Ta O 3 ) Ventajas Rápida respuesta, medida sin contacto, estables Desventajas Caros, la medida puede ser afectada por polvo, humo, radiación EM en el entorno. 43