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Tipos de Sensores
ALUMNO: MARTIN CEDRES
PROFESOR: SERGIO BENITEZ
MATERIA: E.C.I.
CURSO: 3 DIVISION: 4
ESCUELA: E.E.T.N°2 Pagina Principal
1) SENSORES DE TEMPERATURA (NTC,PTC).
3) SENSORES DE MAGNETICO (EFECTO HALL).
4) SENSORES DE PRESION (FOTODIODOS, FOTOTRANSISTORES).
5) SENSORES DE HUMEDAD.
6) SENSORES DE GAS.
Sensores y dispositivos de medición
Los sensores constituyen el principal medio de enlace entre los procesos industriales ylos circuitos electrónicos encargados de controlarlos o monitorearlos. Este capítulo examina los conceptos generales relacionados con los sensores eléctricos, haciendo énfasis en los principales tipos disponibles para aplicaciones industriales, sus principios de funcionamiento y la interpretación de sus características estáticas y dinámicas
Generalidades Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo la temperatura, en otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. En este capítulo nos referiremos principalmente a los sensores eléctricos, es decir aquellos cuya salida es una señal eléctrica de corriente o voltaje, codificada en forma análoga o digital. Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizan doce extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, control y procesamiento.
En un sentido más amplio, el uso de los sensores no se limita solamente a la medición o la detección DC cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas. Asimismo, la salida no siempre tiene que ser una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lámina vi metálica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica).
De hecho, desde un punto de vista teórico, tanto la entrada como la salida de un sensor pueden ser una combinación cualquiera de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza:
• Variables mecánicas. Longitud, área, volumen, flujo másico, fuerza, torque. Presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc.
• Variables térmicas. Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc.
• Variables eléctricas. Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar, etc.
• Variables magnéticas. Intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad. etc.
• Variables ópticas. Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, etc.
• Variables químicas o moleculares. Composición, concentración. Potencial redox, rata de reacción, ph. olor, etc.
En la práctica de la electrónica industrial. Sin embargo. Los sensores preferidos. Y a los cuales dedicaremos la mayor atención en este curso. Son aquellos que no reciben una señal de salida ch5ct rica. Ello se debe a las numerosas ventajas que proporcionan los métodos electrónicos para el control y medición de procesos. Las siguientes son algunas de ellas:
• Debido a la naturaleza Eléctrica de la materia, cualquier variación de un parámetro 110 eléctrico (temperatura. humedad, presión, etc...) viene siempre acompañada por la variación de un parámetro eléctrico (resistencia, capacitancia. inductancia, etc.). Esto permite realizar sensores eléctricos prácticamente para cualquier variable, eléctrica o no eléctrica. Lo importante es seleccionar el material adecuado.
Se pueden implementar sensores no intrusivos. Es decir que no extraen energía del sistema bajo medición. Esta operación se realiza mediante el uso DC técnicas de amplificación. También se dispone de una gran variedad de recursos para acondicionar o modificar las señales a necesidades particulares. Así cono para presentar o registrar la información suministrada. Muchos de estos recursos filtros.
La transmisión de señales eléctricas es más versátil. Limpia y segura que la de otros tipos (le señales mecánicas). No obstante. Estas técnicas pueden ser más convenientes en algunas situaciones específicas. Por ejemplo atmósferas explosivas e altamente ionizadas.
Estructura y principio de funcionamiento
Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de salida más adecuado para el control o monitoreo de cada proceso particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su disposición geométrica.
La función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en otra mas fácil de manipular. Esta última no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica.
Por ejemplo, un bimetal, que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes de dilatación, es un tipo de transductor primario porque convierte tina va ración de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Este último puede ser
Utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor. Otros ejemplos son los tubos de Bordón (presión), los tubos de Pitos (velocidad de flujo), los rotos metros (caudal), los flotadores (nivel), las termocuplas (temperatura), etc.
El transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente. Una vez obtén ida, esta última es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la circuitería de control.
Comp. Ejemplo, considérese el sensor electrónico de presión. En este caso, la presión asociada con el fluido se traduce inicialmente en un desplazamiento o deyección proporcional utilizando Como transductor primario un diafragma u otro elemento elástico especialmente diseñado para esta función.
A continuación, esta de-flexión es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando como transductor secundario una galga extensiométrico semiconductora u otro tipo de elemento especialmente diseñado para convertir movimiento en electricidad.
Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas
Sensores y dispositivos de medición
La circuitería anterior constituye el bloque de tratamiento de señal. Adicionalmente, muchos sensores incluyen tina etapa de salida. Conformada por relés, amplificadores de potencia, conversores de código, transmisores, y otros tipos de dispositivos y circuitos, cuya función es adaptar la señal entregada por el bloque de acondicionamiento o tratamiento a las necesidades específicas de la carga.
Generalmente, tanto la etapa de salida como la de tratamiento de señal, incluyen también circuitos de protección contra sobrevóltajes, interferencia electromagnética (EM 1), interferencia de radiofrecuencia (RFI), y otros fenómenos que son comunes en los ambientes eléctricos industriales.
Tipos de sensores
Muchos transductores utilizados en los procesos industriales para convertir variables físicas en señales eléctricas o de otro tipo, necesitan de tía o más fuentes auxiliares de energía para realizar su acción básica. Los sensores basados en este tipo (los transductores se denominan Mm. activos o moduladores y se empacan principalmente para medir señales débiles).
La contraparte de los sensores activos son los sensores pasivos o generadores, los cuales pueden realizar su acción básica DC transducción sin la intervención de la fuente de energía auxiliar. Un ejemplo lo constituyen las termocuplas o termopares, las cuales producen directamente un voltaje de salida proporcionada a la temperatura aplicada.
Además de la distinción entre pasivos y activos, los sensores electrónicos pueden ser también clasificados de acuerdo al tipo de señal de sal ida que entregan, el tipo de variable o variables físicas que detectan, el método de detección, el modo de funcionamiento, la relación entre la entrada y la sal ida (función de transferencia) y otros criterios,
Dependiendo del tipo señal de salida, por ejemplo, un sensor puede ser analógico o digital. Los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una comente continuamente variable dentro del campo de medida especificado. Los rangos de voltaje de salida son muy variados, siendo los más usuales
+10V. +5V, ±10V, ±5V y ±1V.
La salida por loop de corriente es particularmente adecuada para ambientes industriales por las siguientes razones:
• Permite ubicar sensores en sitios remotos y peligrosos.
• Permite reducir a dos centímetros de alambres por sensor.
• Permite aislar eléctricamente los sensores de los instrumentos DC medición.
• Proporciona mayor confiabilidad puesto que es relativamente inmune a la captación de ruido y la señal no se degrada cuando se transmite sobre largas distancias.
Los sensores digitales entregan como salida un voltaje o una corriente variable en forma DC salíos o pasas discretos de manera codificada, es decir con su valor representado en algún formato de pulsos o palabras, digamos PWM o binario.
La interfase o protocolo HART (Highiway Addressahte Renwte Transducer), por ejemplo, basada en el estándar de corriente análogo de 4 a 20 mA combinado con técnicas de procesamiento digitales, provee comunicaciones punto a punto y multidrop sobre cables hasta de 3,048 metros y a velocidades hasta de 1 .2 kbps (kilobits por segundo). La comunicación multidrop implica que varios sensores pueden compartir una misma línea de datos. Un caso particular de sensores digitales son los detectores todo o nada los cuales, corno su nombre lo sugiere, tienen una salida digital codificada de sólo dos estados y únicamente indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto valor umbral o límite.
Un ejemplo de sensores según el tipo de señal de salid y capacitivos examinados
en el. Otra
variante de los sensores digitales son los sensores cuasi digitales, los cuales
entregan una salida análoga en forma de frecuencia que es relativamente fácil
de convertir a una señal digital propiamente dicha.
Dependiendo de la naturaleza de la magnitud o variable a detectar, existen sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, vibración, fuerza, torque, flujo, corriente, gases, pH, proximidad, contacto, imagen, etc. Estos sensores se basan en la aplicación práctica de fenómenos físicos o químicos conocidos y en la utilización de materiales especiales donde dichos fenómenos se manifiestan de forma útil. Los siguientes son algunos de estos principios y los sensores a los cuales están asociados.
• Efectos resistivos. Variación de la resistividad o de la conductividad en conductores, semiconductores y aislantes a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores resistivos de posición (potenciómetros), esfuerzo mecánico (galgas extensiométricos). temperatura ( RTDs, termistores), humedad ( hurnistores ),etc.
• Efecto capacitivo. Variación de la Constante dieléctrica, la separaciónn entre placas o el área de las placas a partir de la magnitud a medir. Ejemplos sensores capacitivos de desplazamiento, proximidad, presión, nivel, humedad inclinacion.
• Efectos inductivos. Variación de la reluctancia, las corrientes de Foucault o la inductancia mutua a partir DC la magnitud a medir. Ejemplos: sensorcs y detectores inductivos de desplazamiento (LV DTs. resol vers. syncros). velocidad, aceleración, presión. caudal. Flujo, nivel. Fuerza. etc.
Efectos térmicos y termoeléctricos. Producción de voltaje o corriente a partir de temperatura, directamente o indirectamente por variación de radiaconess, etc.
La producción directa de señales eléctricas a partir de variaciones de temperatura se conoce como efecto Seebeck y constituye el principio de funcionamiento de las termocuplas o termopares y de las termo pilas. Los métodos indirectos más comunes son el efecto termo resistivo (variación de la resistencia), en el cual se basan los termistores y las RTDs, y el efecto piro eléctrico (detección de radiaciones térmicas), en el cual se basan los pirómetros, los radiómetro los analizadores de infrarrojos, y otros dispositivos. También es posible medir temperatura alterando las propiedades de uniones semiconductoras. En este método se basan los sensores de temperatura monolíticos, como el popular LM3S.
•Efectos ópticos y electrónicos. Permiten la producción de señales eléctricas a partir de radiaciones luminosas directamente (e. fotovoltaico) o indirectamente por variación de la resistencia y otros parámetros eléctricos (e. fotoeléctricos). Ejemplos: detectores fotovoltaicos de luz, llama, color y humo, detectores fotoeléctricos de proximidad, fotodiodos, fototransistores, opto acopladores, codificadores ópticos, sensores de imagen CCD, sensores basados en fibras ópticas,
Efectos autor resonantes. Permiten la producción de oscilaciones eléctricas a partir de fenómenos físicos resonantes como vibraciones mecánicas, ondas acústicas en cuerdas o cavidades, ondas superficiales en líquidos o sólidos, radiaciones nucleares, etc. Ejemplos:
resonadores de cuarzo para la medición de temperatura, peso, fuerza y presión; galgas acústicas; sensores basados en cilindros vibrantes, sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW), caudalímetros de vórtices, sensores ultrasónicos para la medición de velocidad, caudal, nivel, proximidad.
Efectos químicos y electroquímicos. Producen señales eléctricas en respuesta a cambios de concentración de sustancias o iones.
Actualmente se dispone también de sensores multifunciónales, hechos de polímeros semiconductivos especiales, en los cuales se presenta un efecto determinado, digamos una variación de la resistencia, para diferentes tipos (le Variables. Por tanto, un mismo sensor multifuncional puede ser utilizado para medir humedad, presión, temperatura, etc., entregando para cada una el mismo tipo de curva de respuesta de salida, figura 3.16. Son realmente varios sensores en uno, con pilles de acceso para cada variable y la posibilidad de incluir sensores adicionales.
Otros tipos de sensores especiales son los transmisores y los sensores inteligentes. Los transistores, en particular, son dispositivos que captan la variable a medir a través de un transductor primario y la transmiten a distancia hacia un dispositivo receptor, digamos el controlador de un proceso, en forma de una señal neumática, electrónica o hidráulica equivalente.
Típicamente, los transmisores neumáticos generan una señal estándar de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el rango de O al 100% de la variable medida, y los sensores electrónicos análogos una señal de 4 a 20 mA para el mismo rango.Los transductores digitales la envían codificada en algún formato estándar.
Los sensores y transductores inteligentes, introducidos por Honcywell en 1983. son sistemas electrónicos completos, basados generalmente en microprocesadores, los cuales, además de su función básica de convertir una variable física en una señal eléctrica equivalente, traen incorporadas funciones adicionales de procesamiento y comunicación como autocalibración, cambio automático del rango de medida. Autodiagnóstico. Compensación ambiental. autocaracterización, interfaces seriales, etc. Son más precisos, estables y confiables que los sensores convencionales, y tienen rangos de medida más amplios. Además, no requieren mantenimiento y simplifican el diseño de sistemas de control.