El desvío no puede ser calculado pero puede ser corregido o compensado

Transcripción

1 Sensores

2 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. El desvío no puede ser calculado pero puede ser corregido o compensado Sensores 2

3 Errores de medida Errores accidentales e incertidumbre en la medida. Errores ligados a las indeterminaciones intrínsecas de las características del sensor. Errores debidos a señales parásitas de carácter aleatorio. Errores debidos a magnitudes de influencia no controladas. El desvío proviene de la variación de un parámetro no controlado, y sólo puede ser estimado. Sensores 3

4 Errores de medida Los errores accidentales conllevan una dispersión de los resultados cuando las medidas se realizan en diferentes momentos. Con un tratamiento estadístico se puede conocer el valor más probable y los límites de la incertidumbre. Valor medio Dispersión Probabilidad de cada resultado (ley normal) Probabilidad de resultados entre m 1 y m 2 m n i= = 1 n m i 2 σ n ( mi m) i= = 1 n 2 P ( m) ( m m) σ = e σ 2π P ( m1 m2 ) = m2 m1 p( m) dm P( m ± σ ) = 68.27% P( m ± 2σ ) = 95.45% P( m ± 3σ ) = 99.73% Sensores 4

5 Errores de medida Las cualidades esenciales de un sensor se expresan por su fidelidad y exactitud, es decir su precisión. Fidelidad: incertidumbres de medida pequeñas. Exactitud: errores sistemáticos reducidos. Valor de la media muy próximo al verdadero. Precisión: indica la aptitud de un sensor a proporcionar un valor de medida próximo al real. Un sensor preciso es fiel y exacto. Sensores 5

6 Errores de medida a) Sensor ni fiel ni exacto b) Sensor fiel pero no exacto c) Sensor exacto pero no fiel d) Sensor fiel y exacto Sensores 6

7 Errores de medida La imprecisión de un sensor es debida a la suma de varios errores elementales: Error de cero. Error sobre sensibilidad. Error de resolución. Error de reversibilidad. Histéresis. Error de calibración. Error de repetibilidad. Intercambiabilidad. La utilización continuada del sensor puede deteriorar o modificar las características: Resistencia a la fatiga. Duración de vida. Sensores 7

8 Errores de medida Sensores 8

9 Errores de medida Sensores 9

10 Clasificación de sensores Según la naturaleza de la señal eléctrica de salida: Sensores analógicos. Sensores numéricos o digitales. Sensores lógicos. Según el origen de la señal de salida: Activos. Pasivos. Sensores 10

11 Sensores activos Funcionan como generador. Principios básicos en los que se basan: Efecto termoeléctrico. Efecto piroeléctrico. Efecto piezoeléctrico. Efecto de inducción electromagnética. Efecto fotoeléctrico. Efecto fotoemisivo. Efecto fotovoltaico. Efecto Hall. Efecto Peltier. Sensores 11

12 Sensores pasivos Funcionan como modulador, la impedancia del sensor es sensible a variaciones de la magnitud de medida. La característica eléctrica sensible puede ser: Resistividad. Constante dieléctrica. Permeabilidad magnética. Necesitan acondicionamiento de señal. Montaje potenciométrico o en puente. Osciladores. Sensores 12

13 Sensores pasivos Montaje potenciométrico. Es el más simple. Sensible a variaciones de alimentación y perturbaciones. Sensores 13

14 Sensores pasivos Montaje en puente. Doble potenciómetro con medida de tensión diferencial. Se reduce la sensibilidad a derivas de tensión y ruidos. Para sensores resistivos se utiliza el puente de Wheastone. Equilibrio: V m = 0 si Z Z = Z Z Z Z Z Z V = m ( Z + Z ) ( Z Z ) 2 4 Sensores 14

15 Sensores pasivos Si el sensor está alejado de las otras resistencias hay que tener en cuenta la resistencia de los cables de conexión, pudiendo desequilibrar el puente. Montaje a tres hilos Montaje a dos hilos de compensación Sensores 15

16 Sensores pasivos Sensores capacitivos Puente de Nermst Puente de Sauty Sensores inductivos Puente de Maxwell Puente de Hay Sensores 16

17 Sensores pasivos Osciladores. Suministran una señal cuya frecuencia modula la magnitud medida. Existen dos tipos fundamentalmente: Senoidales. Relajación (señales cuadradas). Sensores 17

18 Criterios de selección Es conveniente conocer: Sensores disponibles en el mercado. Características generales. Ventajas e inconvenientes específicos. En la selección existen tres etapas: Definición de especificaciones. Selección de la tecnología. Selección del producto. Sensores 18

19 Criterios de selección Definición de especificaciones. Naturaleza y tipo de la magnitud a medir. Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la señal de salida. Características metrológicas esenciales Alcance de medida. Precisión. Rapidez de respuesta. Condiciones de uso Gama de temperaturas. Sobrecargas admisibles. Especificaciones geométricas. Especificaciones económicas. Otras especificaciones: Alimentación. Consumo. Masa... Duración de vida. Protecciones (polvo, humedad...) Sensores 19

20 Criterios de selección Sensores 20

21 Principios de medida Medida por intervalo de tiempo. Medida por deformación, variación de longitud o forma. Medida por un par o una fuerza. Medida por presión. Medida acústica. Variación de frecuencia de un sistema vibrante. Variación de velocidad de propagación de una onda acústica. Medida del tiempo que tarda una señal en recorrer una distancia. Frecuencias audibles y utrasónicas. Sensores 21

22 Principios de medida Medida por óptica geométrica. Propagación rectilínea. Rotación de haz reflejado. Medida por óptica ondulatoria (fenómenos de interferencia y polarización). Medida por ondas electromagnéticas. Resonancia nuclear. Corrientes de Foucault. Difracción y absorción de rayos X... Sensores 22

23 Principios de medida Medida por efecto magnético. Efecto Wiegand. Efecto Hall. Medida por efecto térmico. Medida por efecto termodinámico. Medida por efecto piezoeléctrico y piezorresistivo. Medida por inducción de la fuerza contraelectromotriz. Medida por termoelectricidad (efecto Seebeck). Sensores 23

24 Principios de medida Medida por electroquímica. Medida por fotoelectricidad. Medida por contacto eléctrico. Medida por potenciómetro. Medida por extensiometría. Medida por capacidad. Sensores 24

25 Sensores de posición, desplazamiento y proximidad Muy utilizados (máquina herramienta, prensas...). Se pueden usar para medir indirectamente otras magnitudes físicas. Métodos para medida de desplazamientos y posiciones: Señal función de la posición de una de las partes del sensor fija al objetivo móvil. Potenciómetros. Inductancias de núcleo móvil. Condensadores de armadura móvil. Transformador de acoplo variable. Codificadores incrementales. Sensores 25

26 Sensores de desplazamiento Sensores 26

27 Detectores de posición Característica fundamental: Tensión y corriente máxima que pueden cortar. Sensores 27

28 Detectores de proximidad No tienen unión física con el objeto a detectar. Distancias desde 1mm a varios metros. Aplicaciones principales: Control de presencia, ausencia y fin de carrera. Detección de paso. Posicionamiento y conteo de piezas. Barreras de protección, sistemas antirrobo. Sensores 28

29 Detectores de proximidad Se utilizan sobre todo: Cuando la velocidad del objeto a detectar es rápida. En entornos hostiles: polvo, aceite, humedades... Cuando las piezas a detectar son pequeñas o frágiles. Según la tecnología pueden ser: Inductivos. Capacitivos. Fotoeléctricos. Ultrasónicos. Magnéticos. Efecto Hall. Magnetorresistivos. Sensores 29

30 Detectores de proximidad Inductivos. Sensores 30

31 Detectores de proximidad Inductivos. Sensores 31

32 Detectores de proximidad Capacitivos. Sensores 32

33 Detectores de proximidad Fotoeléctricos. EMISOR RECEPTOR HAZ Lámpara de incandescencia Fotorresistivo Visible Diodo electroluminiscente Fotorresistivo Infrarrojo Diodo electroluminiscente (impulsos de corriente) Fotovoltaico Infrarrojo modulado Sensores 33

34 Detectores de proximidad Fotoeléctricos. Sensores 34

35 Detectores de proximidad Magnéticos. Sensores 35

36 Sensores de proximidad Son sensores de desplazamiento sin unión física al objeto en movimiento. Ventajas: Banda pasante ancha. Finura elevada. Gran fiabilidad (sin desgaste ni histéresis). Aislamiento galvánico. Inconvenientes: Alcance de medida pequeño (algunos mm). Funcionamiento no lineal. Respuesta dependiente del entorno y del objeto. Sensores 36

37 Sensores de proximidad Tecnologías empleadas: Inductivos. De reluctancia variable. De corrientes de Foucault. De efecto Hall. Magneto-resistivos. Sensores 37

38 Sensores analógicos de desplazamiento Las variaciones en su señal de salida reflejan el desplazamiento del objeto móvil. El objeto está unido físicamente a una parte del sensor. La información puede ser de desplazamiento lineal o de rotación. Utilización: Servosistemas. Medida y control. Mediciones de otras magnitudes físicas (fuerza, par, deformación, velocidad, aceleración...) Sensores 38

39 Sensores analógicos de Tecnologías. desplazamiento Sensores 39

40 Sensores de desplazamiento De inductancia variable. El elemento móvil es un núcleo ferromagnético cuyo desplazamiento modifica el coeficiente de autoinducción de una bobina. Sensores 40

41 Sensores de desplazamiento De inductancia variable. Se puede mejorar la linealidad de la respuesta con la asociación en oposición de dos bobinas cuyos coeficientes varían en sentido contrario para un mismo desplazamiento. Sensores 41

42 Sensores de desplazamiento Transformador diferencial (LVDT). Sensores 42

43 Sensores de desplazamiento Transformador diferencial (LVDT). Ventajas: Fiabilidad y robustez. Manejabilidad y ligereza. Aislamiento galvánico entre primario y secundarios. Separación física total entre el equipo móvil y el transformador, permitiendo su uso en condiciones ambientales agresivas. Excelente resolución (del orden de 0.1 μm). Ausencia de histéresis, excelente repetibilidad. Costo y consumo pequeños (mw). Integración de funciones en el sensor. Sensores 43

44 Sensores de desplazamiento Sincro. V r = E cos ( ωt) E E E S1 S 2 S 3 = ω k E cos = ω k E cos = ω k E cos ( αt ) cos( ωt Φ) ( αt + 120) cos( ωt Φ) ( α 120) cos( ωt Φ) t α = Angulo rotor arrollamiento S2. t Φ = Desfase propio. depende de los arrollamientos. k = Relación primario/secundario (idem). E = Valor máximo tensión rotor. ω = Pulsación tensión del rotor (rad/seg). Sensores 44

45 Sensores de desplazamiento Sincro detector. Sensores 45

46 Sensores de desplazamiento Resólver. Resólver transmisor. Sincrodetector de dos resólvers. Sensores 46

47 Sensores de desplazamiento Capacitivos. TIPO DE CONDENSADOR Plano MODO DE DESPLAZAMIENTO DE LA ARMADURA SUPERFICIE SUPERPUESTA DESVIO ENTRE ARMADURAS DESPLAZAMIENTO MEDIDO En su plano Variable Constante Angular Perp. a su plano Constante Variable Rectilíneo Cilíndrico Paralelo al eje Variable Constante Rectilíneo Sensores 47

48 Sensores digitales de desplazamiento Señal de salida númerica. Tecnologías: Codificadores ópticos: incrementales y absolutos. Codificadores sincro-máquinas. Codificadores a contacto. Sensores 48

49 Sensores digitales de Codificadores ópticos. desplazamiento Partes de las que se componen: Emisor de luz (infrarroja) o diodos electroluminiscentes (LED). Elementos de codificación: Regla o disco con zonas transparentes y opacas. Receptor de luz: Fotodiodos o fototransistores. Resolución finita (salida numérica). Dificultad en realizar alineamiento entre fuente y receptor. Sensibles a choques, vibraciones y temperatura. Precio relativamente elevado. Sensores 49

50 Sensores digitales de desplazamiento Codificadores ópticos incrementales. Sensores 50

51 Sensores digitales de desplazamiento Codificadores ópticos incrementales. Sensores 51

52 Sensores digitales de desplazamiento Codificadores ópticos absolutos. Sensores 52

53 Sensores de desplazamiento Selección. SEÑAL DE SALIDA MEDIDA DE UN DESPLAZAMIENTO Sin unión física Con unión física Lógica Analógica Digital Detector de proximidad Sensor de proximidad Detector de posición Sensor de desplazamiento Codificador de desplazamiento Sensores 53

54 Sensores de desplazamiento Selección de un detector de posición. Sensores 54

55 Sensores de desplazamiento Selección de un detector de proximidad. Sensores 55

56 Sensores de desplazamiento Selección de un sensor digital de desplazamiento. Sensores 56

57 Sensores de desplazamiento Selección de un sensor analógico de desplazamiento. Sensores 57

58 Sensores de velocidad Clasificación según: Tipo de desplazamiento del objeto: rectilíneos y angulares. Tipo de señal de salida: analógicos y digitales. Tipo de recorrido para los lineales: Ilimitado. Sin unión mecánica con el objeto. Limitado. Con unión mecánica con el objeto. Posición del sensor respecto al objeto: Exterior. Tacómetros y tacodinamos. Interior para los girómetros. Sensores 58

59 Sensores de velocidad Sensores 59

60 Sensores de velocidad Velocidad lineal. Recorridos limitados: Tacómetro lineal de hilo. Tacómetro lineal electromagnético. Recorridos ilimitados: Tacómetros lineales de ultrasonidos. Tacómetros lineales de ondas luminosas (láser). Tacómetros lineales de hiperfrecuencias (radar). Sensores 60

61 Sensores de velocidad Velocidad angular. El cuerpo de prueba es un disco solidario con el eje cuya velocidad se quiere medir, en el disco hay referencias dispuestas periódicamente. Tecnologías utilizadas: Detección inductiva por reluctancia variable. Detección inductiva por corrientes de Foucault. Detección por efecto Hall. Detección capacitiva. Detección magnetorresistiva. Detección fotoeléctrica. Tacodinamos analógicas de corriente continua y alterna. Sensores 61

62 Sensores de velocidad Selección de un sensor de velocidad lineal. Sensores 62

63 Sensores de velocidad Selección de un sensor de velocidad angular. Sensores 63

64 Sensores de aceleración Los sensores de aceleración, vibraciones y choques se usan principalmente para vigilancia de máquinas rotativas. Se basan en la medida de una fuerza o un desplazamiento. Fuerza: Piezoeléctricos. Piezorresistivos. Servocontrolados. Desplazamiento: Potenciométricos. Inductivos. Sensores 64

65 Sensores de aceleración Clasificación de acelerómetros según el fenómeno analizado Sensores 65

66 Sensores de aceleración Acelerómetros piezoeléctricos Sin pieza móvil (sin desgaste). No necesita fuente de alimentación. Necesidad de un amplificador de carga. Aceleraciones constantes o bajas frecuencias no se pueden medir. Medidas entre 0ºK y 800ºC. Sensores 66

67 Sensores de aceleración Acelerómetros piezorresistivos. Se pueden medir aceleraciones constantes. Sin pieza móvil (sin desgaste). Gran sensibilidad. Sensibilidad despreciable a deformaciones de base y transitorios de temperatura. Acondicionamiento de señal clásico. Sensibilidad variable. Frecuencia de resonancia de 200 KHz. Temperatura limitada a 120ºC. Sensores 67

68 Sensores de aceleración Otros acelerómetros. Servocontrolados. De potenciómetro. Inductivos. Sensor de aceleración piezoeléctrico Sensores 68

69 Sensores de aceleración Comparación de características metrológicas. Sensores 69

70 Sensores de aceleración Selección de un acelerómetro Sensores 70

71 Sensores de temperatura Reglas para la selección de un sensor de contacto. Sensores 71

72 Sensores de temperatura Dispositivos que permiten la evaluación de la temperatura. Sensores 72

73 Sensores de temperatura Termopares. Sensores 73

75 Sensores de temperatura Termopares. Medida de la tensión de Seebeck. Sensores 75

76 Sensores de temperatura Termopares. Utilización de hielo para obtener 0ºC en la referencia. Sensores 76

77 Sensores de temperatura Termopares. Medida de tensión Seebeck con un termopar J Sensores 77

78 Sensores de temperatura Termopares. Empleo de un bloque isotérmico. Sensores 78

79 Sensores de temperatura Termopares. Supresión del vaso con hielo. Sensores 79

80 Sensores de temperatura Termopares. Ley de los metales intermedios. Sensores 80

81 Sensores de temperatura Termopares. Compensación hardware. Sensores 81

83 Sensores de temperatura De resistencia metálica. Materiales para medir muy bajas temperaturas Sensores 83

84 Sensores de temperatura Pirómetros ópticos. Sensores 84

85 Sensores de temperatura Preselección. Sensores 85

86 Sensores de temperatura Gama de temperaturas de diversos sensores Sensores 86

87 Sensores de temperatura Selección. Sensores 87

88 Sensores y detectores de Clasificación. nivel Tipo de instalación. En cuba o depósito (abierto o cerrado bajo presión). Exterior: Lagos, canales, pozos... Naturaleza del producto medido. Fluido (líquido). Sólido (granulado, polvo). Tipo de señal de salida. Analógicos (sensores de nivel). Lógico (detectores de nivel). Modo de unión. Con contacto. Sin contacto. Sensores 88

89 Sensores y detectores de nivel Tecnologías empleadas. Métodos hidrostáticos. Dispositivos de flotador. Dispositivos de inmersión. Dispositivos de palpador electromecánico. Dispositivos manométricos. Métodos eléctricos. Métodos caloríficos. Métodos basados en la radiación. Radiación gamma. Ultrasonidos. Ópticos. Hiperfrecuencias. Sensores 89

90 Sensores y detectores de Preselección. nivel Sensores 90

91 Sensores y detectores de nivel Selección del método de medida. Sensores 91

92 Sensores y detectores de nivel Características de algunos sensores. Sensores 92

93 Sensores y detectores de nivel Sensores 93

96 Sensores de presión PRESIÓN CRECIENTE Diferentes medidas de presión PRESIÓN ATMOSFÉRICA PRESIÓN RELATIVA POSITIVA PRESIÓN DIFERENCIAL PRESIÓN RELATIVA NEGATIVA (VACÍO) PRESIÓN ABSOLUTA VACÍO ABSOLUTO Sensores 96

97 Sensores de presión Presiones en procesos industriales Presión, psi , ,5 0,01 0,0002 0, , Proceso Presión dinámica en líneas de inyección de motores diesel Presión máxima en cilindros de motores diesel Presión máxima en cilindros de motores de gasolina Sistemas de pintura industrial por "spray" Golpes de agua en sistemas de extinción de incendios Automóviles: inyección de fuel, refrigeración Automóviles: transmisión hidráulica Aceite de lubrificación en motores y generadores diesel Aceite de lubrificación en turbinas y generadores hidráulicos Monitorizado del nivel del agua en tanques y depósitos Presión atmosférica a nivel del mar Bombas de mantenimiento de nivel, estaciones de depuración Crecimiento de cristales de silicio Presión barométrica a metros de altitud Reacciones tipo plasma CVD (fabricación de semiconductores) Deposición de silicio dopado (fabricación de semiconductores) Establecimiento de geometría (fabricación de semiconductores) Pasivación óxidos de silicio (fabricación de semiconductores) Mínima presión de vacío que se puede medir actualmente (1 psi = 1 Lb/in 2 = 0, bares; 1 bar = 14,504 psi) Sensores 97

98 Sensores de presión Cuerpos de prueba. Sensores 98

99 Sensores de presión Algunos tipos de sensores Resistivo. Piezoeléctrico. Inductivo. Sensores 99

100 Sensores de fuerza Cuerpos de prueba. Sensores 100

101 Sensores de par Cuerpos de prueba. Sensores 101

102 Sensores de presión, fuerza, peso y par Métodos de transducción. Sensores 102

103 Sensores de presión, fuerza, peso y par Selección. Materiales existentes. Sensores 103

104 Sensores de presión, fuerza, peso y par Elección del modo de transducción (1). Sensores 104

105 Sensores de presión, fuerza, peso y par Elección del modo de transducción (y 2). Sensores 105

106 Sensores de presión Comparación de características de sensores resistivos. Sensores 106

107 Sensores de presión Elección del cuerpo de prueba. Sensores 107

108 Sensores de presión Gama de presiones de manómetros. Sensores 108

109 Sensores y detectores de caudal Clasificación (1). Tipo de instalación. Canalización cilíndrica para líquidos y gases. Canales abiertos para líquidos. En atmósfera (velocidad del aire). Naturaleza del elemento transportado. Fluido (líquido, gas) Sólido (granos, polvo...). Sensores 109

110 Sensores y detectores de caudal Clasificación (2). Señal de salida eléctrica. Analógicos. Sensores de caudal. Numéricos (tren de impulsos). Contadores de caudal. Lógicos. Detectores de flujo. Magnitud a medir. Caudal volumétrico. Caudal másico. Velocidad de circulación del fluido. Presión diferencial. Sensores 110

111 Sensores de caudal. Caudalímetros mecánicos. Caudalímetros de flotador rotativo. Contadores volumétricos. De paletas. De pistones. De ruedas ovales. Contadores de velocidad. De turbina (o hélice). Controladores de circulación. De flotador rotativo. De núcleo sumergido. De compuerta. Sensores 111

112 Sensores de caudal Caudalímetros estáticos. Caudalímetros de órgano deprimógeno. Caudalímetros de sonda. Caudalímetros electromagnéticos. Caudalímetros de ultrasonidos. Caudalímetros de efecto Vortex. Caudalímetros térmicos. Sensores 112

113 Sensores de caudal Contador volumétrico de ruedas ovales. Sensores 113

114 Sensores de caudal Contador de velocidad de turbina axial. Sensores 114

115 Sensores de caudal Contador de velocidad de turbina vertical (entrada única). Sensores 115

116 Sensores de caudal Contador de velocidad de turbina vertical (entrada múltiple). Sensores 116

117 Sensores y detectores de caudal Controlador de circulación de compuerta. Sensores 117

118 Sensores de caudal Caudalímetros de órgano deprimógeno. Sensores 118

119 Sensores de caudal Caudalímetro de sonda. Sensores 119

120 Sensores de caudal Caudalímetro electromagnético. Sensores 120

121 Sensores de caudal Caudalímetros de ultrasonidos. De efecto de paso De efecto Doppler Sensores 121

122 Sensores de caudal Preselección. Sensores 122

123 Sensores de caudal Sensores 123