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Sensores

Ing. José Roberto Vignoni

Instrumentación y Comunicaciones Industriales

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Ing. José Roberto Vignoni

Año 2003

• Introducción

• Parámetros de los sensores

Sensores

• Sensores de Temperatura


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Introducción

• Sensores y actuadores son ejemplos de transductores

Un transductor es un dispositivo que

convierte energía de tipo calórica,


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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

• 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


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– Naturaleza de la magnitud a medir• Mecánicos, Térmicos, Magnéticos, Químicos, etc.

– Variable física de medida• Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, etc.

• 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.


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• Sensores Activos o Modulantes– Requieren fuente de energía externa o una señal de excitación para poder funcionar.• Termistor, Inductor, etc.

• Sensores Analógicos– Proveen una señal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal.• Temperatura, desplazamiento, intensidad lumínica, etc.

Sensores DigitalesSensores DigitalesLa salida toma la La salida toma la forma de forma de escalones o escalones o estados discretos.estados discretos.Contacto Contacto (switch), (switch), encoder, etcencoder, etc


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intensidad lumínica, etc. encoder, etcencoder, etc

Parámetros de los SensoresCampo 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.


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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

•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)


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(transmisor)

•El medio de transmisión hace variar la señal (atenuación)

•Errores humanos

•Pueden ser corregidos con métodos de compensación

• Errores aleatorios– También denominado ruido: señal que no contiene información

– Error aleatorio verdadero (ruido blanco)• Ruido ambiente (tomado por un micrófono)

• Interferencia electromagnética


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• Interferencia electromagnética

• La relación señal ruido debe ser >>1

• 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


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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

• Sensibilidad– Mínimo valor de entrada que genera un cambio a la salida

• Precisión– Es el grado de reproducibilidad de las medidas


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– Es el grado de reproducibilidad de las medidas

• 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


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RepetibilidadEs la precisión de un conjunto de medidas realizadas en las mismas condiciones en un intervalo de tiempo corto.

ReproducibilidadEs la precisión de un conjunto de medidastomadas en un período largo de tiempo o realizadas por diferentes operadores o con diferentes instrumentos oen diferentes laboratorios

Resolución o discriminación

Menor cambio discernible en el valor medido

LinealidadEs 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


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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 ConfiabilidadCapacidad de un instrumento de mantener su

comportamiento durante su vida útil.

• 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.


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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.

• 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:


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uso como:tiempo de funcionamiento correcto + número de sobrevivientes x período de uso / número total de fallas

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)?

( ) ( ) ( ) ( )9233

1000*27680*113*16*1=

+++=MTTF


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• Obsérvese que el MTTF es generalmente mucho mayor que el período de uso o prueba.

( ) ( ) ( ) ( )9233

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1000*27680*113*16*1=

+++=MTTF

• 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


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período total de uso de los dispositivosnúmero de fallas

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?


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las 1000 hs. de uso. Cual es el MTBF?

horas 75004

1000*30==MTBF

•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


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•En la práctica se consideran modelos de hasta segundo orden

•Los modelos de orden cero no tienen elementos que almacenen energía

Sensores de Temperatura• RTD (Detector de Temperatura Resistivo)

Resistencia variable con la temperatura

RT= R0 (1 + α ∆T + β ∆T2 + ········)


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T

R0 es la resistencia a la temperatura T0

∆∆∆∆T es la diferencia de temperaturas (T- T0)

α, β,... Son los coeficientes de cada metal

Son de coeficiente positivo

Materiales para la fabricación de RTDs

Propiedades:

-Maleables

-Curva de transferencia estable y

repetitiva

cobre, níquel, hierro-

níquel, platino


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repetitiva

-Resistentes a la corrosión

-Bajo costo

-Variación de resistencia

lineal con la temperatura

Propiedades y Comportamiento de lo 4 más comunes

Material Coef. De Temp. Rango de Temp. Características

Platino 0.00385 a 0.003923

–269°C a 593°C

Amplio Rango

Lineales

Estables

Níquel 0.0067 –40°C a 300°C Mayor Coef.


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Níquel 0.0067 –40°C a 300°C Mayor Coef.

Antigua

Cobre 0.0043 –73°C a 149°C Lineal

Baja Resistiv.

Rango limitado

Hierro-Níquel

0.0051 –46°C a 343°C Al ser una aleación, poco intercambiable

RTDs de Platino

• Según Estándar IEC 751– Clase A +/- 0,06 Ω a 0 ºC

– Clase B +/- 0,12 Ω a 0 ºC


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Formas Constructivas


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Bobinada

Película

MetálicaBobina

Suspendida

Tipos de Conexionado

Conexión con 2 cables

RT

L2

L1

R1

E0

Si E0 = 0 entonces:

R1 = L1 +RT +L2


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L1Lx1

L2

R3R2

R1

Lx2

RT

R3R2

2 Cables con Compensación

R3

L1Lx1

L2

R2

R1

Lx2

RT

REX

R1 = R2

REX = LX1 + LX2

R3 = L1 + L2 + RT

RT = R25 ºC + 0,00396 R25 ºC (T - 25 ºC)


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L2

L1

R3

R2

R1

RT

L1

L2

R2

R1

RT

R3

L3

Conexión con 3 cables


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R1 = R2 = R3 + L2 = RT + L1

Ventajas y desventajas de las RTDs

• Ventajas:– Lineales– Estables– Intercambiables

• Desventajas


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• Desventajas– Sensibilidad baja– Voluminosas– Alta Inercia Térmica (Alto tiempo de respuesta)– Medianamente frágiles– Autocalentamiento

Termistores

– Materiales semiconductores que utilizan como variable su resistencia para detectar variaciones de temperatura.

Se fabrican con óxidos de diversos metales como


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diversos metales como níquel, cobalto, cobre, titanio, manganeso, etc

Donde:

T: es la temperatura (en º kelvin),

TRef es la temperatura de referencia, generalmente la temperatura ambiente (25 °C; 77 °F; 298.15 ºK)

R: es la resistencia del termistor (Ω)


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R: es la resistencia del termistor (Ω)

RRef: es la resistencia a TRefβ: es una constante de calibración dependiente del material del termistor, generalmente entre 3,000 and 5,000 ºK.

• Ventajas:– Alta sensibilidad – Alta precisión (+/- 0.02 ºC)– Pequeño Tamaño– Baja Inercia Térmica (bajo tiempo de respuesta)


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– Estabilidad y repetibilidad a largo plazo

• Desventajas– Altamente alineales– Limitado rango de utilización (-40 ºC a +150 ºC)

Termocuplas (pares termoeléctricos)

• Sensores de temperatura por efecto termoeléctrico, conformado por dos metales distintos conectados en dos junturas diferentes.


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• 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.


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de circulación de la corriente.

• Efecto Thompson: Cualquier material conductor homogéneo, expuesto a un gradiente de temperatura, genera una fem entre sus extremos.

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


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son las tipo: J, K, E y B. Cada una tiene diferente rango de aplicación dependiente de la temperatura y el entorno de trabajo.

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 +1200 °C. La sensibilidad es de aproximadamente 41 µV/°C.

Type J (Hierro/ Constantan)

Limitado rango de trabajo (−40 to +750 °C) la hace


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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.

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


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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.

Formas constructivas


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• Ventajas– Amplio rango de temperatura

– Bajo costo

– Robustas

– Baja inercia térmica

– Buena exactitud y repetibilidad


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– Buena exactitud y repetibilidad

• Desventajas– Baja sensibilidad (menor a 60 µV/ ºC)

– Necesita temperatura de referencia

• Semiconductores– Es un dispositivo semiconductor con las propiedades de un diodo

– Económico, lineal y fácil de usar

– Rango de temperatura


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– Rango de temperatura limitado (-50°C to 150 °C) debido a la naturaleza de los materiales semiconductores

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.


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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).

• 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 O3)

• Ventajas


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• Ventajas– Rápida respuesta, medida sin contacto, estables

• Desventajas– Caros, la medida puede ser afectada por polvo, humo, radiación EM en el entorno.

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