sensores y transductores 1

MATERIAL DOCUMENTAL SENSORES Y TRANSDUCTORES

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SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 INTRODUCCION Ciertas etapas de los procesos de fabricacin se realizan en ambientes nocivos para la salud, como son los gases txicos, los altos niveles de ruido, temperaturas extremadamente altas o bajas, etc., unidos a la consideracin de productividad, llev a pensar en la posibilidad de dejar ciertas tareas tediosas, repetitivas y peligrosas a un ente al que no pudiera afectarle las condiciones ambientales adversas: haba nacido la mquina y con ella la automatizacin. El desafo constante que toda industria tiene planteado para ser competitiva ha sido el motor impulsor del desarrollo de nuevas tecnologas para conseguir una mayor productividad. Los procesos industriales exigen de mayor control en cada una se las etapas; y quizs las que ms recursos invierten en esos desarrollos tecnolgicos son:

Fabricas de productos derivados del petrleo

Fabricas de productos derivados de los alimentos

Industria qumica

Industria cermica

Energa

Siderurgia

Industria papelera

Industria azucarera y panelera

Industria textil

Medio ambiente

Industria espacial

Etc. De los concepto ms relevantes en estos avances es el que conoce como Control, que abarca desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una bombilla o la llave que regula el paso del agua en una tubera, hasta el ms complejo ordenador de procesos como el piloto automtico de un avin. Se podra definir el control como la manipulacin de las magnitudes o variables de un sistema llamado planta. La grfica muestra un diagrama de bloques con los elementos esenciales: Sistema de control y la planta.




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En todos los procesos de produccin, maquinaras y equipos es necesario controlar, mantener y supervisar magnitudes como: Presin, temperatura, caudal, nivel, pH, iluminacin, conductividad, movimiento, posicin, velocidad, humedad, direccin, desplazamiento, punto de rocio, etc. Los instrumentos de medicin y control permiten el mantenimiento, la supervisin y el control de estas variables mucho mejor que como podra hacerlo un operario. Acuerdence que al inicio de la era industrial, el operario llevaba a cabo el control de manera manual de estas variables utilizando instrumentos simples como el manmetro, termmetro, vlvulas manuales, palancas, engranajes, rels, etc. Control que era suficiente por la relativa simplicidad del proceso. En la medida que la industria crece se hace imperante mejorar la automatizacin de los procesos, gobernar la respuesta de los equipos o de las plantas sin la intervencin directa de los operarios, para ello se comenzaron a utilizar los sistemas de control, que son un conjunto de equipos, programas y accesorios que permiten controlar, manipular mquinas o procesos productivos; teniendo como consecuencia la liberacin fsica y mental del hombre que trabaja en ese ambiente, productos ms confiables, de mejor calidad, mayores volmenes de produccin, disminucin de riesgos. El sistema de control maneja magnitudes de baja potencia llamadas usualmente saales. Estos sistemas de control responden a las seales de entrada al proceso y de acuerdo con ellas toma una u otra accin.

SISTEMA DE

CONTROL

PLANTA

MAGNITUDES

DE RESPUESTA

SET POINT O

PUNTOS DE CONSIGNA




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Existen dos tipos de sistemas de control:

Lazo abierto

Lazo cerrado Un sistema de control de lazo abierto es aquel que ejecuta rdenes dadas a travs de las magnitudes de consigna y esta actuacin se realiza sin recibir ningn tipo de informcacin del comportamentiento de la planta. O

En este ejemplo se quiere calentar un recipiente con agua, mediante una resistencia. El termostato hace las veces de controlador y la resistencia hace las veces de elemento final de control. Durante el proceso de calentamiento, solo se da la orden manuel a la estufa mediante el termostato (bajo,medio alto). El termmetro solo sirve como elemento indicador que muestra la temperaatura del agua. El sistema se debe apagar manualmente cuando el agua haya hervido por el tiempo que el operador lo estime. Este esquema de lazo de control no posee realimentacin.

Punto de Consigna o Valores deseados

CONTROLADOR

PROCESO

ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA

ELEMENTO DE TRANSMISION DE MEDIDA

INDICADOR

REGISTRADOR




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Un sistema de control de lazo cerrado, es aquel que toma decisiones ante determinados comportamientos de la planta; verificando informacin de ella y as actuando de conformidad.

ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA (sensor de

temperatura)

PROCESO

(calentar agua)

CONTROLADOR (termostato

Temporizador

PLC, RTU)

VALORES DESEADOS PUNTOS DE CONSIGNA: Temperatura

Tiempo, presin

ELEMENTO FINAL DE CONTROL (electrovlvula

Resistencia

Rele)

INDICADOR

REGISTRADOR

SALIDA PRODUCTO

RESULTADO

Sensores

Control Elemento

Final de

Control

Proceso




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Para poder tomar decisiones el sistema requiere que parte de las seales de salida retornen a la entrada del control; por esta razn se denomina de lazo cerrado. Las ventajes de este tipo de sistema de control son bsicamente: El sistema de control de lazo cerrado se conforma de:

A estas cuatro unidades se les conoce como bucle de control.

Para que el sistema de control pueda responder a los cambios de las variables en la planta, se requiere de instrumentos que verifiquen el comportamiento de dicha planta, estos instrumentos con los sensores o transductores y las interfaces que sirven para adaptar las seales de los sensores a las entradas del sistema de control. 2 SENSORES Y TRANSDUCTORES Los sensores cumplen una funcin anloga a los cinco sentidos del ser humano encargados de tomar decisiones frente a los estmulos del medio ambiente. Tenemos rganos sensores en nuestro cuerpo desarrollados para captar diferentes fenmenos fsicos como olor, gusto, sonido, visin y tacto. Y de transmitir al cerebro informacin para poder tener control sobre el comportamiento normal del cuerpo.

Verificacin y correcin de errores

Regulacin precisa y rpida

Elemento primario de medida

Unidad de control

Elemento final de control

Proceso




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Los sistemas de control utilizados en el medio ya sean electrnicos o mecnicos son muy similares a los del ser humano, tanto en el sistema de deteccin como en el de procesamiento y correccin. El ser humano utiliza cinco tipos de sensores para detectar los cambios y percibir los fenmenos naturales, los cuales comnmente conocemos como los cinco sentidos. Los indicadores sensitivos son los encargados de sensar la informacin del medio, tanto externo como interno, en el que se desarrolla la vida de un individuo.

El entorno posee una cantidad de cosas que llaman la atencin, la variedad de estmulos que se reciben conscientemente, y los que reciben sin darse cuenta. Esa informacin siempre provoca una respuesta en el ser vivo, ms lenta o ms rpida, pero imprescindible para mantener la vida. A sta le damos el nombre de ESTMULO. Los sensores suelen ser neuronas; a veces son

como las de la piel, o en grupo como las del gusto. En ocasiones son ayudadas por otras clulas y rganos ajenos al Sistema Nervioso, llegando a constituir rganos muy complejos, como los de la vista o el odo. Los receptores son capaces de captar estmulos muy variados, desde la luz y el sonido, hasta calor y fro, presin, molculas qumicas, niveles de O2 y CO2, azcar en sangre, la posicin en el espacio, entre otros. Segn la procedencia del estmulo hay que diferenciar entre: Indicadores Externos e Indicadores Internos. Indicadores internos: Tienen la forma de terminaciones neuronales que se encuentran distribuidas por todo el cuerpo, en todos los rganos y tejidos,

De esta manera, el encfalo tiene una visin exacta de nuestro funcionamiento de forma instantnea. Indicadores externos: son los que comnmente llamamos ORGANOS DE LOS SENTIDOS, nos permiten vivir en nuestro medio y relacionarnos con otros seres vivos. 2.1 Definicin Los sensores son los elementos encargados de captar las magnitudes o variables de la planta; estn ubicados en el lugar donde estn las




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manifestaciones fsicas. El sensor recibe la energa del medio y da una seal transducible que es funcin de la variable medida. Estas seales son muy pequeas imperceptibles por sentidos.

El trmino sensor o transductor se puede aceptar como sinnimos sin embargo existen diferencias notorias. Dado que hay seis tipos de seales: mecnicas, elctricas, trmicas, magnticas, pticas y moleculares (qumicas), cualquier dispositivo que convierta una seal

de un tipo a otra, debera ser considerado como un transductor. En la prctica no obstante, se consideran transductores aquellos que ofrecen una seal de salida elctrica. Transductor: Es un dispositivo capaz de convertir una variable o magnitud fsica en una seal elctrica ya sea anloga o digital; o que convierte un tipo de seal en otro.

DIAGRAMA EN BLOQUES DEL TRANSDUCTOR

Etapa de tratamiento Captador de seal Etapa de salida

VARIABLES

FISICAS

Sensor Filtro Amplificador

Los sistemas de medicin electrnicos ofrecen las siguientes ventajas: 1. Debido a la estructura electrnica de la materia, cualquier variacin de un

parmetro no elctrico de un material viene acompaada por la variacin de

SALIDA ESTANDAR 1 a 5 V 0 a 10 V 4 a 20 mA




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un parmetro elctrico. Eligiendo el material adecuado, esto permite realizar transductores con salida elctrica para cualquier magnitud fsica no elctrica.

2. Dado que en el proceso de medida no conviene extraer energa del sistema donde se mide, lo mejor es amplificar la seal de salida del transductor, con amplificadores electrnicos, que pueden obtener ganancias de potencia de 1010 en una sola etapa, a baja frecuencia.

3. Existe una gran variedad de recursos, en forma de circuitos integrados, para acondicionar o modificar las seales elctricas.

4. Existen muchos recursos para ver la informacin en forma grfica, impresa o textual.

5. La transmisin de seales elctricas es ms verstil que la transmisin de seales mecnicas, hidrulicas o neumticas. Sin embargo estos otros mtodos se siguen utilizando por cuanto en determinadas situaciones su uso es ms adecuado.

2.2 Acondicionamiento La seal de salida del sensor de un sistema de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin. La seal puede ser:

Demasiado pequea, se debe amplificar

Podra tener interferencia que eliminar

Ser no lineal y requerir su linealizacin

Ser anloga y requerir su digitalizacin o viceversa

Ser un cambio en el valor de resistencia y cambiarla a corriente

Consistir en un valor de voltaje y convertirlo a corriente o viceversa 2.2.1 Para que se realiza el acondicionamiento de seal Proteccin: Para evitar daos en el siguiente elemento como consecuencia de voltajes o corrientes elevados. Para tal efecto se colocan resistencias limitadoras de corriente, fusibles, circuitos de proteccin de polaridad y limitadores de voltaje. Conversin a una seal adecuada: Sera el caso cuando es necesario convertir una magnitud fsica a un voltaje de dc o una corriente. Por ejemplo el cambio de la resistencia de una RTD, se necesita de un puente de Wheatstone para aprovechar el voltaje de desbalance; o cambiar una seal anloga a digital o viceversa. Obtencin del nivel adecuado de seal: En un termopar la seal de salida es de unos milivoltios, si se desea alimentarla a un convertidor anlogo a digital para inyectarla al micro, se necesita amplificarla en forma considerable.




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Eliminacin o reduccin de ruido: Mediante la utilizacin de filtros. Manipulacin de la seal: por ejemplo convertir una variable en una funcin lineal, por ejemplo los medidores de flujo son alinales y se requiere de linealizarlos para que puedan ser inyectados a otro elemento o equipo. El acondicionamiento es la adecuacin de la seal de salida de un dispositivo para conseguir un mejor funcionamiento de la siguiente etapa de operacin de un sistema de medicin. Por ejemplo: La salida de un termopar es muy pequea es un voltaje de unos cuantos milivoltios. Por lo tanto es necesario utilizar un mdulo de acondicionamiento de seal para modificar dicha salida y convertirla en una seal de corriente de tamao adecuado, contar con un medio para rechazar ruido, lograr una linealizacin y una compensacin de la unin fra (es decir cuando la unin fra no est a 0 grados). 2.3 Caractersticas Generales de los Sensores Un transductor ideal sera aquel en que la relacin entre la magnitud de salida y la variable de entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantnea e idntica para todos los elementos de un mismo topo. Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tienen un campo limitado de validez, suele estar afectado por perturbaciones de entorno externo y tiene un cierto retardo a la respuesta. Todo hace que la relacin salida/entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una familia de curvas, para transductores de un mismo tipo y modelo. Para definir el comportamiento real de los transductores se suele comparar estos con un modelo ideal de comportamiento o con un transductor "patrn" y se definen una serie de caractersticas que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo. Estas caractersticas pueden agruparse en dos grandes grupos:




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Caractersticas estticas

Caractersticas dinmicas Las caractersticas estticas, describen la actuacin del sensor en rgimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. Las caractersticas dinmicas, describen la actuacin del sensor en rgimen transitorio, a base de dar su respuesta temporal ante determinados estmulos estndar o a base de identificar el comportamiento de transductor con sistemas estndar e indicar las constantes de tiempo relevantes. La presencia de inercia (masas, inductancias, etc.), capacidades (elctricas, trmicas, fluidas, etc) y, en general, de elementos que almacenan energa, hacen que la respuesta de un sensor a seales de entrada variables sea distinta a la que presenta cuando las seales de entrada son constantes. Debe tenerse en cuenta que todas las caractersticas suelen variar con las condiciones ambientales. Por ello uno de los parmetros esenciales a comprobar al elegir un transductor es el campo de validez de los parmetros que se indican como nominales del mismo y las mximas desviaciones provocadas por dichas condiciones ambientales. 2.3.1 Caractersticas Estticas Campo de medida o rango de medida (range): Es el conjunto de valores comprendidos entre los limites (Superior e Inferior) que es capaz de medir el instrumento, dentro de los lmites de exactitud que se indican para el mismo. Se indica por los valores Superior e Inferior, antes mencionados. p.e.: Un sensor de temperatura mide entre 100 y 300 C, por lo tanto el rango es: Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre el mximo y el mnimo de medida del instrumento, p.e.: para el caso anterior

Max Mn = 300 100 = 200C.

Mn = 100C

Mx = 300C




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Resolucin: Es el menor cambio en la variable del proceso capaz de producir una salida perceptible por el instrumento. Se expresa en general como un porcentaje del Lmite Superior de medicin del instrumento (valor a fondo de escala del mismo). Se mide por la mnima diferencia entre dos valores prximos que el sensor es capaz de distinguir. Se puede indicar en trminos del valor absoluto de la variable fsica medida o en porcentaje respecto al fondo de escala da la salida, p.e.: el sensor de temperatura muestra en el despliegue un cambio de 130C a 131C., por lo tanto la resolucin del instrumento es de 1C. Por ejemplo, supongamos que el span de un sensor de presin es 150psi, el fabricante dice que la resolucin es del 0.5%: Entonces para el caso: Precisin (Accuracy): Es la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento (intervalo donde es admisible que se site la magnitud medida). Cuanto mayor es la precisin menor es la dispersin de los valores de la medicin alrededor del valor medido. Podra suceder que ese valor no fuese exacto pero la dispersin ser chica, en ese caso el instrumento es preciso pero no exacto. La precisin est asociada a estadsticas como la varianza y el desvo estndar. Formas de expresar la precisin: 1. Tanto por ciento del alcance: p.e. +-0.5%de una temperatura TC medida

de 150C. 150+-(200*0.5/100)=150+-1 es decir 149C y 151C 2. En unidades de la variable medida, p.e.: +-1C

(Span * % de repetibilidad) = (150*0.5) = 0.75psi 100% 100




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3. Tanto por ciento de la lectura efectuada: p.e. 1% de 150C es decir 1.5C 4. Tanto por ciento del campo de medida, p.e.: +- 0.5% de 300C es +-1.5C 5. Tanto por ciento de la longitud de la escala: p.e. si la longitud de la escala

es de 150 mm, entonces la precisin de +-0.5% representar +-0.75 mm en la escala.

Exactitud: Capacidad de un instrumento de dar valores de error pequeos. Si un instrumento est calibrado correctamente los errores aleatorios inevitables harn que los resultados de la medicin tengan una cierta dispersin, si el promedio de las mediciones coincide con el valor verdadero el instrumento es exacto. La estadstica (media en este caso) nos podr acercar al valor verdadero. La exactitud se puede especificar en porcentaje del valor medido o bien en porcentaje del valor a fondo de escala del instrumento. En el caso de los instrumentos destinados a procesos industriales en general esa exactitud especificada corresponde a todo el rango de medicin del mismo. Repetibilidad: Caracterstica que indica la mxima desviacin entre valores de salida obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada con el mismo sensor y en las mismas condiciones ambientales. Se da en tanto por ciento del Alcance:

m

4.2

3.9

4 7 m

(Max Mn)*100 = (4.2 -3.9)*100 = 4.2% Alcance 7




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Histresis: El amortiguamiento mas el rozamientos hace que haya un consumo de energa en la carga y descarga de los instrumentos. Es debido a eso que la curva de calibracin ascendente no coincida con la descendente y eso es llamado Histresis Baja Histresis es la capacidad de un instrumento de repetir la salida cuando se llega a la medicin en ocasiones consecutivas bajo las mismas condiciones generales pero una vez con la medicin de la variable en un sentido (por ejemplo creciente) y en la siguiente con la variable en sentido contrario (por ejemplo decreciente). Como otros parmetros de especificacin de los instrumentos se acostumbra a especificar la histresis como un valor porcentual de la medicin o bien del fondo de escala del instrumento. Linealidad: Un transductor es lineal cundo existe una constante de proporcionalidad nica que relaciona los incrementos de la seal de salida con los correspondientes incrementos de la seal de entrada en todo el campo de medida o tambin la aproximacin a una curva de calibracin a una lnea recta especificada. En control clsico la linealidad se toma como un requisito puesto que toda la teora se basa en ese tipo de dinmica de sistemas (ecuaciones diferenciales lineales). Si bien esto ha sido superado la falta de la linealidad siempre representa complicaciones por lo que: la linealidad de los instrumentos de medicin y control siempre es una caracterstica buscada. Si el proceso es lento respecto de la dinmica del instrumento se puede pensar que el mismo se establece en el valor de la medicin a una velocidad mucho mayor que los cambios que puede efectuar la variable medida. En estas condiciones se puede considerar que el instrumento tiene una alinealidad esttica es decir no tengo en cuenta su dinmica. As puedo tener una curva de calibracin levantada en condiciones estticas y usarla para compensar las alienealiades del instrumento.




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En la prctica las compensaciones del sistema de acondicionamiento de seales llega a eliminar en gran medida los errores por alinealidad, pero en una cierta persisten, y se suelen expresar en valor porcentual de la mxima desviacin respecto de la salida lineal en todo el rango del instrumento respecto del valor del fondo de escala del mismo.

El inters de la linealidad est en que la conversin lectura-valor medido es ms fcil si la sensibilidad es constante, pues entonces basta multiplicar la indicacin de salida por un valor constante para conocer el valor de la entrada. En instrumentos lineales la no linealidad equivale a inexactitud. Actualmente, con la posibilidad de incorporar un microprocesador en los sistemas de medida, interesa ms la repetibilidad que la linealidad, pues siempre es posible crear una tabla conteniendo valores de entrada que corresponden a los valores de salida detectados. Si la caracterstica del sensor el lineal esta debe ser de la forma Donde y = variable dependiente x = variable independiente a = coeficiente de m m = pendiente o sensibilidad del sistema b = corte sobre el eje y

y = am + b




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Sensibilidad: Es la variacin en la salida del instrumento por unidad de variacin de la variable del proceso (entrada), en definitiva se puede decir que es la ganancia del instrumento. El ideal es que la misma se mantenga constante. En general los elementos primarios presentan derivas de la sensibilidad con otras variables, fundamentalmente la temperatura, por lo que el acondicionamiento de seal que realiza el instrumento se debe encargar de compensar esas derivas. En muchos instrumentos industriales se mide tambin a la temperatura para realizar esta compensacin. Caracterstica que indica la mayor o menor variacin de salida por unidad de la magnitud de entrada. Un sensor es ms sensible cuanto mayor sea la variacin de la salida producida por una determinada variacin de entrada. Se mide por la relacin:

2.3.2 Caractersticas Dinmicas de los Sensores Estas caractersticas dependen de la variable tiempo, de la frecuencia. Respuesta Dinmica Los diagramas de la respuesta del instrumento a frecuencias de entrada variables recorriendo todo el espectro presentados en forma logartmica (Diagramas de Bode) dan una idea acabada de la capacidad del instrumento a responder con una magnitud de salida razonable (ganancia constante) y sin un retraso de fase notable. Tengamos en cuenta que el retraso de fase tiende a inestabilizar los lazos de control.

Sensibilidad = m = magnitud de salida/ magnitud de entrada




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Al rango de frecuencias donde se cumplen las condiciones arriba mencionadas se lo denomina Ancho de banda. Evidentemente si las seales a medir son de frecuencias muy bajas no interesar la caracterstica de la respuesta dinmica del instrumento. En procesos donde las constantes de tiempo de las transferencias son grandes respecto de las de los instrumentos habituales no hace falta preocuparse por la respuesta dinmica de los mismos. En control de servomecanismos, ciencia espacial, robtica etc. comienza a aparecer la importancia de estas caractersticas. Error: Es la diferencia algebraica entre el valor transmitido o ledo por el instrumento y el valor real de la variable medida:, p.e.: Los sistemas absorben energa del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo que retarda la lectura. Se expresa en tanto por ciento del alcance. Error de Cero: Aun cuando el valor de la variable del proceso est en el mnimo del rango, donde la salida del instrumento debe ser el valor asociado al cero del rango (en corriente por ejemplo 4mA), el instrumento marca a su salida un valor distinto de cero. Ese valor es el error de cero. En general existen en los instrumentos sistemas para anular, o compensar el error de cero, estos sistemas pueden ser ajustes mediante movimientos en el instrumento o bien por software. Velocidad de respuesta: Mide la capacidad de un transductor para que la seal de salida siga sin retraso las variaciones de la seal de entrada. Tienen que ver con la velocidad de respuesta: Tiempo de retardo: El tiempo transcurrido desde la aplicacin de la seal de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente. Tiempo de subida: Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor. Tiempo de establecimiento al 99%: Tiempo transcurrido desde la aplicacin de la seal de entrada hasta que la respuesta alcanza el rgimen permanente, con una tolerancia de +-1% Respuesta frecuencial: Relacin entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitacin senoidal. Est muy relacionada con la velocidad de respuesta. Estabilidad y derivas: Caracterstica que indica la desviacin de salida del sensor al variar ciertos parmetros exteriores distintos del que se pretende




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medir, tales como condiciones ambientales, alimentacin, u otras perturbaciones.




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3 MATERIALES EMPLEADOS EN SENSORES Los sensores se basan en fenmenos fsicos o qumicos y en materiales donde dichos fenmenos se manifiestan de una forma til, es decir, con sensibilidad, repetibilidad y especificidad suficiente. Los fenmenos pueden ser relativos al material en s o a su disposicin geomtrica, y muchos de ellos son conocidos desde hace tiempo. Las mayores novedades en sensores se deben al descubrimiento de nuevos materiales, la forma de prepararlos y ambas cosas. Los materiales (slidos, lquidos o gases) estn constituidos por tomos, molculas o iones (tomos que han perdido o ganado electrones). Los tomos pueden unirse para formar molculas y redes de tomos, gracias a distintas fuerzas de cohesin o enlaces: inico, metlico, y covalente. Enlace ionico: est formado por atraccin electrosttica entre iones de cargas opuestas. Enlace metlico: est determinado por los electrones de valencia (los electrones de la capa ms exterior del tomo) cuyo campo elctrico estabiliza una red compacta de iones metlicos positivos a travs de la cual se desplazan libremente aquellos, constituyendo el denominado gas electrnico. Los electrones libres ocasionan la alta conductividad elctrica y trmica de los metales, y sus fuerzas electrostticas, a lo largo y ancho de toda la estructura cristalina, mantienen la cohesin y permiten deformar el metal sin que se fracture. Enlace covalente: est formado por el solapamiento de pares de electrones orbitales atmicos, aportando uno por cada tomo y que no pueden orbitar ms all de los tomos a los que pertenece. El enlace covalente puede existir tanto en las molculas como entre los tomos de una red cristalina dota al material de una alta resistividad elctrica. En cada tomo los niveles de energa estn cuantificados, es decir, cada electrn puede ocupar uno de varios niveles de energa especficos, tanto en su estado normal como si ha sido excitado energticamente. Para sensores interesan los efectos sobre las propiedades elctricas de los materiales, y la propiedad bsica es la conductividad elctrica. Atendiendo a esta los materiales se clasifican en:

Conductores

Semiconductores

Dielctricos (aislantes) La diferencia entre ellos se aprecia representando sus bandas de energa:




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Conductores Hay dos tipos de conductores: los electrnicos, que son los metales y sus aleaciones y los inicos, que son los electrolitos (sales, acuosas o no, de cidos, bases o sales). Los metales y sus aleaciones se emplean como sensores por sus propiedades termoelctricas, por la variacin de su conductividad con la temperatura y la deformacin o simplemente porque su alta conductividad elctrica facilita la formacin de circuitos donde una variable a medir produce cambios detectables. Tambin se emplean como sensores primarios, por ejemplo en bimetales o elementos deformables (diafragma, clulas de carga). Algunos metales se emplean por sus propiedades magnticas, mientras que otros se emplean como electrodos y catalizadores de reacciones qumicas. Los electrolitos se emplean en reacciones qumicas. Semiconductores Son el grupo de materiales cuyo uso en sensores que ha experimentado ltimamente el mayor crecimiento. Tienen enlaces covalentes y su conductividad elctrica viene afectada por la temperatura, la deformacin mecnica, la luz, los campos elctricos y magnticos, las radiaciones nucleares y electrnicas, y la absorcin de sustancias diversas. Estos efectos son controlables mediante la adicin de impurezas. Por otra parte el silicio es el material mejor conocido gracias a su extenso uso en electrnica, permite integrar junto al sensor diversas funciones de procesamiento de la seal detectada y se presta a tcnicas de fabricacin a gran escala. Aun se puede aadir que el silicio es mecnicamente tan fuerte como el acero y no tiene histresis mecnica. Otros semiconductores empleados son: germanio y diversos compuestos, cristalinos o amorfos, como el AsGa, SbIn, SCd, SPb, SeCd y el SePb. Dielctricos Formados por enlaces covalentes y por ello se emplean, ante todo, como aislantes elctricos. Adems se emplean para la deteccin, por ejemplo en condensadores variables donde la composicin afecta la constante dielctrica. Otros se emplean por sus propiedades higroscpicas como sensores de humedad, que afecta su conductividad y su constante dielctrica. Los ms empleados son las cermicas, los polmeros orgnicos y el cuarzo.




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La cermica resiste la corrosin, la abrasin y las altas temperaturas. Por ello han sido tradicionalmente le material de soporte de otros materiales sensores clsicos y en las tecnologas de pelcula gruesa y fina. Desde hace algunos aos viene creciendo el uso de cermicas como elementos detectores, basados en las propiedades del cristal. (NTC), en propiedades de la granularidad y de disociacin entre granos (PTC de conmutacin, cermicas piezo y piroelctricas, ferritas), y en propiedades superficiales (en sensores de humedad, oxigeno y gases). Los polmeros orgnicos son macromolculas formadas al unirse entre s, mediante enlaces covalentes, un gran nmero de molculas iguales o monmeros. Estos pueden ser: Producto flexible, elstico y termoplstico (recupera su estado viscoso al aumentar la temperatura). Termoplsticos cristalinos: Naylos, polietileno o polipropileno. Amorfos: Poliestireno, policarbonato, cloruro de polivinilo Los plsticos son los aislantes por antonomasia, hay al menos cuatro tipos de polmeros que se emplean por sus propiedades sensoras: de humedad, piro y piezoelctricas y elastmeros y polmeros conductores. Los elastmeros: neopreno SBR, uretano, son polmeros que al someterlos a una presin experimentan una deformacin acompaada a veces de cambios de conductividad elctrica. Los polmeros se usan como membranas de soporte en sensores selectivos de ion y en biosensores. Otros materiales usados en sensores son los magnticos, dadas las caractersticas de estos, son usados en sensores para diferentes aplicaciones de medida. Combinados con otros elementos y electrnica se arman complejos sistemas de medicin como peso, fuerza, masa, conmutacin.




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4 CLASIFICACION DE LOS SENSORES Y TRANSDUCTORES Dadas las diferentes formas y mecanismos de deteccin de variables fsicas, los transductores se clasifican de diferentes maneras dependiendo del fabricante, investigador o autor. De acuerdo con nuestra necesidad los sensores los clasificamos de la siguiente manera:

1. De acuerdo con la seal de salida:

Anlogos

Digitales

2. De acuerdo con el requerimiento de energa

Activos

Pasivos 3. De acuerdo con la variable fsica a medir 4. De acuerdo con el principio de medida

4.1 DE ACUERDO CON LA SEAL DE SALIDA Sensores con salida anloga Se refiere a los sensores que entregan en su salida un valor de tensin o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida. Normalmente la seal de salida suministrada es de:

0 a 10 Voltios

1 a 5 Voltios

a 20 mA Ejemplo

Sensores de nivel

Sensores de presin

Sensores de temperatura

Sensores de peso Sensores con salida Digital Se refiere a los sensores que entregan en su salida una seal codificada en binario, BCD u otro sistema. Generalmente estos sensores se los conoce como inteligentes por cuanto posen un microcontrolador para la realizacin del proceso de deteccin, anlisis o transmisin de informacin.




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Dentro de los sensores con salida digital se encuentran aquellos cuya seal de salida solo entrega uno de dos valores (uno o cero), normalmente llamado Todo o Nada o ON OFF. Ejemplo

Sensores Inductivos

Sensores capacitivos

Sensores ultrasnicos

Sensores magnticos 4.2 DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS DE ENERGIA Sensores Pasivos Se basan en la modificacin de la impedancia elctrica o magntica de un material bajo determinadas condiciones fsicas o qumicas (resistencia, capacitancia, inductancia, etc). Estos sensores debidamente alimentados provocan cambios de tensin o de corriente en un circuito, cuando son instalados en el circuito de acondicionamiento, o sea que requieren de energa para su funcionamiento. La energa suministrada al sensor se lleva a travs de hilos diferentes a los de la seal de deteccin de la variable. Ejemplo: RTD, termistor, potencimetro, LVDT, etc Sensores Activos Son generadores de pequea seal. La energa generada por el sensor proviene del estmulo dado por la magnitud medida por el sensor. Por ello no requiere de alimentacin externa para funcionar, aunque si necesita de la etapa de condicionamiento para adecuar la seal. Ejemplo: piezoelctricos, fotovoltaicos, termopar, etc




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4.3 DE ACUERDO CON LA VARIABLE FISICA A MEDIR

MAGNITUD SENSOR POSICION

DISTANCIA DESPLAZAMIENTO

VELOCIDAD ACELERACION VIBRACION

TEMPERATURA PRESION CAUDAL NIVEL FUERZA HUMEDAD

RESISTIVO Potencimetro Galgas Magnetorresistencia

Galga + masa resorte

RTD Termistor

Potencimetro + Tubo de Bourdon

Anemmetros de hilo caliente Galga +Voladizo Termistor

Potencimetro + flotador

Galga Humistor

CAPACITIVO Condensador diferencial

Condensador variable + Diafragma

Condensador variable

Galgas capacitivas

Dielctrico variable

INDUCTIVOS Y ELECTROMAGNETICOS

LVDT, Corrientes de Foucault, Resolver, Efecto Hall

Ley de Faraday, Corrientes de Foucault, Efecto Hall

LVDT + masa resorte

LVDT + diafragma, Reluctancia variable + diafragma, Piezoelctricos

LVDT + rotmetro, Ley de Faraday

LVDT + flotador, Corrientes de Foucoult

Magnetorresistivo, LVDT + celda de carga, Piezoelctricos

GENERADORES Piezoelctricos + masa resorte

Termopares, Piroelctricos

Piezoelctricos

Piezoelctricos

DIGITALES Codificadores incrementales y absolutos

Codificadores incrementales

Osciladores de cuarzo

Codificador + tubo de Bourdon

Vtices

UNIONES P-N Fotoelctricos Diodo transmisor Convertidores T/I

Fotoelctricos

ULTRASONICOS Reflexin Efecto Doppler Efecto Doppler, Tiempo de Trnsito, Vrtices

Relexin

Mtodos de deteccin ordinarios para las medidas ms frecuentes




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4.4 DE ACUERDO CON EL PRINCIPIO DE MEDIDA

Resistivos o Potenciometrito o Galgas extensomtricas o Termoresistivos

RTD (Detectores Trmicos resistivos) Termistores

o Fotorresistencias o Higrmetro resistivo o Magnetorresistencias

Capacitivos Inductivos Magnticos Magntico inductivos Ultrasnicos pticos

5 SENSORES RESISTIVOS Son una de las clases de sensores ms usados ya que son muchas las magnitudes fsicas que afectan el valor de la resistencia elctrica de un material, ofreciendo una solucin a muchos problemas de medida. Los transductores resistivos convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la resistencia elctrica, este cambio es debido a:

1. Calentamiento y/o enfriamiento

2. Aplicacin de una fuerza mecnica (efecto piezoelctrico)




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3. Humidificacin o deshumidificacin de sales electrolticas

4. Movimiento en el brazo o escobilla del potencimetro

5. Incidencia de la intensidad de luz

6. Aplicacin de un campo magntico

5.1 Tipos de Sensores Resistivos

Potenciomtricos Galgas extensomtricas Fotorresistencias




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Termorresistencias o RTD (Detectores Trmicos Resistivos) o Termistores

Piezoelctricos Magnetorresistencias Higrmetro resistivo

5.2 Sensor Potenciomtrico

.

Este cambio de tensin se debe a un cambio en la posicin de un contacto mvil (escobilla) sobre un elemento resistivo en cuyos bordes se ha aplicado una tensin elctrica. La relacin dada por la posicin de la escobilla es bsicamente una relacin de resistencia.

Estos elementos de medida consisten bsicamente en una resistencia de hilo bobinado o una pista de material conductor distribuido a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida y que puede deslizarse sobre dicho conductor.

+ V -

+ Vo - Escobilla

Convierte un cambio de la variable a medir en un cambio de tensin




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Existen potencimetros con carrera lineal o con varias vueltas (helicoidales de precisin). Algunos potencimetros son con tope, en este caso el ngulo comprendido entre el tope y el contacto mvil se denomina Angulo de Giro y entre los dos topes se llama E.

Los potencimetros estn construido de:

Metal (cobre) Pelcula de carbn Pelcula metlica Pelcula de metal y cermica (carmet) Semiconductor

5.3 Consideraciones

Podemos decir que la resistencia es proporcional al recorrido del cursor, esto es cierto siempre y cuando:

La resistencia del conductor sea uniforme en toda su longitud El contacto del curso o escobilla da una variacin de resistencia continua

y por lo tanto una resolucin infinita No hay variacin de temperatura, ya que los conductores cambian su

comportamiento al cambiar la temperatura T o Al aumentar T ambiente o Al aumentar la T, cuando el conductor maneja potencia mayores

a las de su capacidad

V

Vo

RxVo V

RT

E

E

Vo V




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Si la potencia disipada por el potencimetro es P y este se alimenta con

una tensin V, el valor eficaz en los bornes debe cumplir: *V P R El rozamiento del cursor es despreciable y mantiene un buen contacto. El potencimetro puede generar ruido debido al polvo, humedad,

oxidacin y desgaste Para garantizar una alta resolucin y una larga vida del dispositivo, se

prefieren potencimetros basados en pelcula de carbn depositada en base o aglomerado de plstico y un cursor de metal noble.

5.4 Caractersticas de modelos comerciales

Parmetro Potencimetro Lineal Potencimetro Angular

Margen 2 mm a 8 m 10 a 60 vueltas

Linealidad 0.002% al 0.1 % fondo de escala

Resolucin 50m 2 a 0.2 Potencia 0.1 w a 50 w

Coeficiente de temperatura

20 a 1000 partes 2 10

6

Vida til Hasta 4 * 108 ciclos

5.5 Aplicaciones

Palancas de mando (joystick), para movimientos en cuatro cuadrantes

El potencimetro logartmico para el control de volumen en audfonos para sordos.

Para la medida de posicin, distancia y desplazamiento

Medida de la variable Presin Para la medida de la variable nivel Potencimetro de plato sonda Sensor de ngulo de mariposa Sensor de posicin del pedal

acelerador Sensor de nivel de combustible

5.6 Las ventajas de estos sensores son:

Estructura sencilla, fcil de comprender Margen de medicin elevado tanto en recorrido como en tensin a

utilizar No se requiere electrnica de adaptacin Buena resistencia a tensiones parasitas Amplia gama de temperaturas de funcionamiento (




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Amplio campo de medicin (cubre casi 360) Ejecucin de redundancia sin problemas Facilidad de calibrado (por lser, etc.) Montaje flexible (sobre superficie plana o curvada) Numerosos fabricantes

5.7 Desventajas:

Desgaste mecnico, abrasin Errores de medicin a causa de restos de abrasin Problemas en caso de utilizarlo dentro de un liquido Variacin de la resistencia de contacto entre cursor y pista de medicin Levantamiento del cursor en caso de fuertes aceleraciones o vibraciones Miniaturizacin limitada Produccin de ruido




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6 Sensor de Temperatura RTD (DETECTOR TERMICO RESISTIVO) Los conductores elctricos presentan en general un aumento de la resistencia elctrica con el aumento de temperatura, segn una ley que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente ecuacin: RT = Resistencia del conductor a la temperatura T = Coeficiente Trmico Resistivo Ro = Resistencia del conductor a T = 25 C Aprovechando esta cualidad se construyen sondas de temperatura cuyo material presentan coeficiente relativamente constante y que den una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de Platino, material cuyo coeficiente trmico es de 0.00385 /C. Estas sondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0 C de donde se deriva el nombre de PT100, que sirven como sonda de temperatura cuyo rango es de -250C a 950C, con excelente linealidad entre 200 y 500 C

Figura 1 Detector Trmico Resistivo

RT = Ro (1 + T)




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El smbolo de la RTD es una resistencia que la atraviesa una lnea recta que indica que la variacin es lineal y que cambia con la T, que adems posee coeficiente de temperatura positivo.

+ t




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Ventajas de los sensores de temperatura RTD

Sensibilidad 10 veces mayor que la de los termopares Alta repetibilidad Estables a largo plazo Exactitud en el caso del platino Precisin entre el 0.1% y el 1% del rango de medida Generalmente se usan con termo poso




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Aplicaciones

En la industria de electrodomsticos Automovilismo:

En el convertidor cataltico de combustin, si este alcanza una T < 250C se contamina. La RTD es inmune a los gases de escape y puede utilizarse para medir y controlar dicha temperatura. Para medir la temperatura de entrada al motor Para controlar el aire acondicionado

En edificios se utilizan para controlar el consumo de agua caliente y gases de la chimenea

Regular la combustin de las calderas Reducir la contaminacin y la formacin de holln




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7 Sensores Inductivos Estos sensores cuyo principio de funcionamiento se basa en la variacin de la inductancia de acuerdo a la variacin de la variable que miden. El cambio de la variable genera un cambio elctrico a la salida del sensor que es proporcional a dicha variacin. La salida del sensor es analgica o digital dependiendo de la aplicacin. 7.1 Transformador Diferencial de Variacin Lineal (LVDT)

Las letras LVDT son un acrnimo de transformador diferencial de variacin lineal, un tipo comn de transductor electromecnico que puede convertir el movimiento rectilneo de un objeto al que se acopla mecnicamente en una seal elctrica correspondiente.

El dispositivo mas utilizado mediante acoplamiento variable es la LVDT. Se basa en la variacin de la inductancia mutua (acoplamiento inductivo) entre un primario y cada uno de dos secundarios, al desplazarse a lo largo de su interior un ncleo ferromagntico, arrastrado por un vstago no ferromagntico, acoplado a la pieza cuyo movimiento se desea medir.

Esquema bsico del transformador diferencial de variacin lineal. Los dos secundarios suelen conectarse en oposicin serie, aunque a veces se dispone de los cuatro terminales independientes para conectarlo de otra forma. Cuando el ncleo se encuentra en la posicin media (acoplamiento entre el primario y los secundarios) , las tensiones inducidas en L2 y L3 son iguales y la tensin de salida es cero (Usal = U2 U3 = 0)




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Cuando se mueve el ncleo, la tensin inducida en el secundario (ver grfica siguiente) con mayor cobertura por parte del ncleo tendr una tensin inducida mayor y la tensin de salida tendr la direccin de U3.

En este caso siguiente la tensin de salida tendr el sentido de U2. En conclusin, la tensin de salida tendr valores alrededor de 0 en funcin del desplazamiento del vstago entre las bobinas.

7.1.1 Aspectos elctricos de la LVDT

Aunque un LVDT es un transformador elctrico, que requiere de corriente alterna de una amplitud y frecuencia muy diferente de lneas de energa ordinarias para funcionar correctamente (tpicamente de 3 V rms a 3 kHz). El suministro de esta excitacin es una de varias funciones de la electrnica de apoyo al sensor, conocida normalmente como circuito de acondicionamiento de seal.

Otras funciones incluyen la conversin del nivel de tensin de salida de CA en seales de alto nivel de DC que son ms convenientes de usar.




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7.1.2 Acoplamiento variable

El comportamiento de la tensin de salida en funcin de la distancia recorrida por el vstago en uno u otro sentido es lineal en cierto rango. La salida del transformador diferencial debe interpretarse como una onda modulada en amplitud en funcin del desplazamiento del vstago. Esto lo diferencia de los otros sistemas en los que era principalmente la impedancia la que variaba. Si bien tambin la impedancia varia, esta impedancia esta determinada por el nivel de acoplamiento entre los devanados y este finalmente responde a la posicin relativa del vstago en el sistema. Obviamente tambin este sistema tiene sus limitaciones:

En dispositivos reales, en la posicin central la tensin de salida no es cero, pero si es la tensin mnima del sistema, esto se debe a las capacidades parasitas y a inhomogeneidades en las bobinas.

Se presentan seales armnicas de la seal del primario en la salida, sobre todo la tercer armnica, debido a la saturacin de los materiales magnticos.

Se presentan variaciones por temperatura, pues las resistencias varan con estas. Esto se puede mejorar alimentando el sistema a corriente constante.




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Las ventajas del LVDT son mltiples:

Su resolucin puede llegar al 0,1% Tiene un rozamiento muy bajo entre ncleo y devanados, por lo que

imponen poca carga mecnica y una expectativa de vida til expresada en tiempo medio entre fallas de 228 aos.

Ofrecen aislamiento elctrico entre el circuito del primario y del secundario, con lo que pueden tener referencias o puestas a tierra distintas.

Ofrecen tambin aislamiento elctrico entre el circuito elctrico y el vstago que esta acoplado al elemento cuyo movimiento se quiere determinar.

Tienen alta repetibilidad debido a su simetra, as como sensibilidad unidireccional, alta linealidad, alta sensibilidad (aunque esta ultima depende de la frecuencia de alimentacin).

Existen sensores con alcances entre 100m hasta 25 cm, con tensiones es de 1 a 24Vrms y frecuencias entre 50Hz y 20kHz.

Los sensores de posicin LVDT lineales son capaces de medir los movimientos tan pequeos que van desde unas cuantas millonsimas de centmetro hasta varios centmetros, pero tambin son capaces de medir las posiciones de hasta 50 cm.

La figura muestra los componentes de un LVDT tpica. La estructura interna del transformador consiste en un bobinado primario centrado entre un par de arrollamientos secundarios idnticos, simtricamente espaciados sobre el primario. Las bobinas se enrollan en una sola pieza de forma hueca rellena de polmeros de vidrio reforzado con el fin de que sea trmicamente estable,




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encapsulado contra la humedad, envuelto en un escudo magntico, que se sujeta a un cilindro de acero inoxidable. Este conjunto de bobina es generalmente el elemento fijo del sensor de posicin.

El elemento mvil de un LVDT es un armazn tubular denominado ncleo, que es libre de moverse axialmente dentro de una cavidad en la bobina, y mecnicamente acoplado al objeto cuya posicin est siendo medido. Esta cavidad es normalmente lo suficientemente grande como para proporcionar espacio radial adecuado entre el ncleo y dio a luz, sin ningn contacto fsico entre l y la bobina.

Durante el funcionamiento el devanado del LVDT primario es energizado con corriente alterna (excitacin primaria). La seal elctrica de salida del LVDT es el voltaje de CA diferencial entre los dos devanados secundarios, que vara con la posicin axial del ncleo dentro de la bobina LVDT. Normalmente esta tensin de salida de CA se convierte por los circuitos electrnicos adecuados a nivel de CC de alta tensin o de corriente que es ms cmodo de utilizar. 7.1.3 Porqu utilizar la LVDT

Los LVDTs tienen ciertas caractersticas y beneficios significativos:

Funcionamiento sin friccin

Una de las caractersticas ms importantes de un LVDT es su funcionamiento sin friccin. En un uso normal, no hay contacto mecnico entre el ncleo del LVDT y el conjunto de la bobina, por lo que no hay roce, arrastrando u otra fuente de friccin. Esta caracterstica es particularmente til en los ensayos de materiales, las mediciones de desplazamiento de vibracin, y de alta resolucin.

Resolucin Infinita

Como el LVDT opera segn los principios de acoplamiento electromagntico en una estructura libre de friccin, este puede medir infinitesimalmente pequeos cambios en la posicin central. Esta capacidad infinita de resolucin slo est limitada por el ruido en el acondicionador de seal del LVDT y la resolucin de la pantalla de salida

Vida mecnica ilimitada

Normalmente no hay ningn contacto entre el ncleo del LVDT y la estructura de la bobina, por lo tanto no hay desgaste. Esto significa que un LVDT presenta una vida mecnica ilimitada. Instalaciones de este factor es especialmente




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importante en aplicaciones de alta fiabilidad, tales como aviones, satlites y vehculos espaciales, y nucleares. Tambin es muy conveniente en control de procesos industriales y sistemas de automatizacin en fbricas.

Robustos al medio ambiente

Son sensores robustos y duraderos a una variedad de condiciones ambientales, resistentes a la humedad, as como la capacidad para soportar cargas de choque importante y altos niveles de vibracin en todos los ejes. Y el interior de escudo de alta permeabilidad magntica minimiza los efectos de los campos externos de CA.

Tanto el casco y el ncleo estn hechos de metal resistente a la corrosin; el casco tambin acta como un escudo magntico suplementario. Y para aquellas aplicaciones donde el sensor tiene que soportar la exposicin a los vapores inflamables o corrosivos, u operar en el lquido a presin, el casco y el montaje de la bobina puede ser sellado hermticamente con una variedad de procesos de soldadura.

Los LVDTs pueden operar en rangos de temperatura muy amplios; en casos especiales pueden ser producidos para operar a temperaturas criognicas, o bien, utilizando materiales especiales, funcionan a las elevadas temperaturas y a niveles de radiacin altos.

Rpido de Respuesta Dinmica

La ausencia de friccin durante el funcionamiento normal del LVDT permite responder muy rpidamente a los cambios en la posicin central. La respuesta dinmica del sensor LVDT slo est limitada por los efectos de inercia de la masa pequea del ncleo. Sin embrago, la respuesta del sensor est determinada por las caractersticas del acondicionador de seal.

7.1.4 Aplicaciones en la industria Automatizacin de Mquinas

1. Medicin del dispositivo para moldes cilndricos en post procesos 2. Medicin de fugas en pinzas de frenos 3. Comprobar la longitud final de la tubera en el serpentn del condensador

en mquinas de aire acondicionado automtico 4. Operaciones de rectificacin en mediciones de procesos automatizados 5. Confirmacin de la instalacin de contactos en el montaje automtico de

conectores. 6. Medicin del espesor del acero en la operacin de montaje mediante el

uso de dos LVDTs diferencial. 7. Corte automtico de tubo y verificacin de su dimetro




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Ingeniera Civil

1. Medicin de desplazamiento de las anclas de hormign, prueba de resistencia a la traccin, compresin, resistencia a la flexin y al crecimiento de grietas en el hormign.

2. Medicin de la deformacin de paredes de hormign utilizado para muros de contencin en instalaciones de tuberas para gas.

3. Medicin dinmica de la fatiga de los grandes componentes estructurales utilizados en los puentes suspendidos.

Generacin de energa

1. LVDTs grandes y medianas son usadas en vlvulas de vapor de admisin para medir la posicin del centro de la turbina de precalentamiento y funcionamiento.

2. Vlvulas de acondicionamiento de turbinas de vapor de gran y mediano tamao.

3. Posicionamiento de la vlvula del acelerador de turbinas de vapor. 4. Posicionamiento de la vlvula de la bomba para el suministro de agua de

alimentacin de calderas 5. Posicionamiento de la vlvula de las turbinas para el control del

suministro de combustible de gas natural 6. Gua de las paletas de las turbinas de gas para el control de posicin del

actuador de sistema de suministro de gas. 7. Expansin de la shell de turbina. 8. Seguimiento nivel de fluido hidrulico en el depsito de bombas de agua

de alimentacin en el ncleo de un reactor nuclear. Fabricacin de productos

1. Medida de la altura del sistema de inyeccin para motores diesel. 2. Medir el movimiento de la base de la espuma utilizada en el proceso de

fundicin de espuma. 3. Medida de la altura de los tornillos que sujetan la puerta en el automvil 4. Medida del espesor en varios puntos del volante para asegurar su

equilibrio. 5. Controlar la profundidad de perforacin durante el proceso de

transferencia de rotacin de una mquina 6. Medida de la altura de partes de compresores de aire acondicionado. 7. Verificacin de la compresin de los cojinetes de los ejes de rodamientos

en camiones y ferrocarriles. 8. Como indicador para la sustitucin de las pastillas de los freno de disco

cuando su espesor ha disminuido




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9. Para la comprobacin de agujeros demasiado pequeos durante el proceso de deteccin con una sonda de proximidad en la placa trasera de la almohadilla de freno de disco.

Pulpa y Papel

1. Como actuador de la placa de pulpa que sirve para mantener la placa de carga variable de material

2. Para controlar el espesor de pegamento aplicado a los materiales utilizados para el corrugado de cajas de empaque.

3. Para el desplazamiento angular del brazo que facilita la tensin del rollo de papel

Vlvulas Industriales

1. El desplazamiento de monitor de vlvulas neumticas en el proceso de los productos qumicos

Investigacin y Desarrollo

1. Para la medida de presin en procesos industriales 2. Resorte LVDT utilizados en mquina de pruebas de traccin para medir

el material que se comprime. 3. Para medir la expansin y contraccin de los desplazamientos durante

las pruebas de fatiga en la fabricacin de tanques de combustible en el sector del automovilismo

4. Posicin de la vlvula de combustible en las pruebas de las turbinas de gas (en lugares peligrosos).

5. Radial / axial de expansin y contraccin de las muestras de suelo.

Carrera de autos

1. En I + D para medir el rendimiento de la suspensin y los perfiles (desplazamiento lineal)

2. Para la medida de posicin del acelerador 3. Sistemas de suspensin activa 4. Indicacin del engranaje de la transmisin

Otras aplicaciones

1. Medida de desplazamiento del vstago de la vlvula termostato para el sistema de control de camiones con motor diesel.

2. Desplazamiento del diafragma en equipos automatizados de procesamiento de la sangre. (Presin de base transductor LVDT)

3. Como actuador lineal de posicin usado en sistemas de calderas.




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4. Para la medicin del desplazamiento de las clulas en la sangre cuando estas se contraen. Otro uso clnico, es en el diagnstico de trastornos de la sangre.

5. Como control de la posicin del pedal del freno para el sistema con cable.

6. Medida del desplazamientos muy pequeos en el eje del cigeal para el equilibrio de la mquina, en sistemas de alto rendimiento de automviles e

7. Medida del desplazamiento de la punta de diamante cuando se quiere determinar la dureza de un material.

8. Para medir el desplazamiento del pistn de cavado de la bomba (presiones de hasta 1500 psi)

9. Medicin de desgaste del motor de equipos de inyeccin de alta velocidad

10. Posicin del alimentador de sistemas de control automatizados de soldadura

11. Unidad especial, utilizada en la posicin del actuador lineal de retroalimentacin de los alerones del avin.

Ejemplo de LVDT El lazo de dos hilos de la serie 4-20 mA de GHSI 750 accion los sensores de posicin por resorte de DC-LVDT

Descripcin

Los sensores macros series GHSI 750 de dimetro de 3/4 pulgada por resorte, LVDTs lazo-accionado se disean para la supervisin de una amplia gama de posibilidades. Estos sensores sellados hermticamente se construyen enteramente del acero inoxidable, son pensados para uso industrial en general. Las bobinas estn protegidas de ambientes hostiles a IEC IP-68 estndar. Las conexiones de la entrada-salida se hacen a travs de un conector axial sellado, y un enchufe de acoplamiento.

El sensor consiste en un eje por resorte que funciona en un cojinete liso de la precisin y conectado con el eje un LVDT. El uso de un cojinete liso permite una precisin a la capacidad de repeticin de la medida de 0.0001 pulgadas (m 2.5) o mejor. El eje de la punta de prueba se ampla completamente por un resorte que ejerce una fuerza nominal de 6 a 20 onzas dependiendo de gama total.

Los transmisores de 750 series de GHSI ofrecen una operacin sin friccin, alta resolucin, capacidad de repeticin excelente, y una histresis baja asociada a tecnologa de LVDT, junto con la conveniencia y la simplicidad de operacin viene precalibrado a corriente de 4-20 mA. La electrnica incorporada funciona




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sobre una amplia gama de voltajes de alimentacin, estn diseados para conectarse a muchos PLCs, indicadores digitales, los convertidores del A/D, PC industriales y a varios sistemas de recoleccin de datos.

Disponible en radios de accin de 0.100 pulgadas (2.5 milmetros) para 4.00 pulgadas (100 milmetros), el mximo error de las linealidad para un sensor de 750 series de GHSI es de 0.10% del rango de salida

Para simplificado el montaje de las 750 series de GHSI tiene un soporte hilo con rosca de 1/2-20 UNF-2A en el frente de la cubierta, permitiendo que el usuario instale el LVDT en una parte roscada, para acoplar la estructura del sensor se usan dos tuercas de sujecin montadas con el sensor. Esto da lugar a un paquete listo para ser utilizado en medidas de posicin y usos que requieran de ms alcance.

Caractersticas

Movimientos desde de 0.100 pulgadas a 4.00 pulgadas

Conectador en lnea, enchufe de acoplamiento incluido

Salida de 4 a 20 mA

Capacidad de repeticin de 0.0001 pulgadas

Linealidad de el 0.10%

Bobina ambientalmente sellada a IEC IP-

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Caractersticas tcnicas

Voltaje de fuente del lazo 10V a C.C. 28V Resistencia de lazo (mnima) 50 ohmios

Corriente de salida 4 a 20 mA, lazo de dos hilos Ruido y ondulacin de la salida




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Gama nominal Milmetro 2.5 6.3 12.5 25 50 100

Factor de posicionamiento mA/Inch 160 64 32 16 8 4

Factor de posicionamiento mA/Millimeter 6.4 2.6 1.28 0.64 0.32 0.16

Pretravel Pulgada 0.12 0.13 0.10 0.10 0.05 0.02

Pretravel Milmetro 3.0 3.3 2.5 2.5 1.3 0.5

Sobreactuacin Pulgada 0.12 0.13 0.10 0.10 0.05 0.02

Sobreactuacin Milmetro 3.0 3.3 2.5 2.5 1.3 0.5

Dimensione A Pulgadas 5.46 6.10 6.86 11.36 13.82 21.75

Dimensione A Milmetro 139 155 174 289 351 553

Dimensin B Pulgadas 4.36 4.99 5.75 9.87 11.40 17.19

Dimensin B Milmetro 111 127 146 251 291 437

Dimensin C Pulgadas 2.82 3.44 4.20 6.70 8.20 11.71

Dimensin C Milmetro 72 87 107 170 208 297

Peso Onzas 3.1 3.6 4.3 6.4 6.7 10.5

Peso Gramos 85 102 170 180 185 296




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Resistencia de lazo contra voltaje de fuente mnimo del lazo




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7.2 Sensor Inductivo de Proximidad

7.2.1 Principio de Funcionamiento Se basan en el uso de osciladores, cuya amplitud de oscilacin se ve afectada por la aproximacin de un objeto metlico. Para general la oscilacin sinusoidal, se utilizan osciladores LC (bobina y condensador) Objeto metlico

La bobina del oscilador LC se halla en un ncleo magntico de medio cuerpo. Oscila a una frecuencia tpica que se halla en el rango de 100 a 1000 Khz. El oscilador genera un campo electromagntico de alta frecuencia. La amplitud del oscilador se atena o disminuye si se aproxima un objeto metlico al ncleo de medio cuerpo o alo que se llama zona activa de deteccin que corresponde a la zona del campo magntico.




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El objeto metlico que se acerca a la zona activa de deteccin extrae energa del campo magntico, debido a la formacin de corrientes parsitas (corrientes de Eddy) en el objeto. Ello hace que se aumento la carga en el sensor, disminuyendo la amplitud del campo magntico. El circuito de deteccin monitorea la amplitud del oscilador. 7.2.2Tipos de salida elctrica de los sensores inductivos El sensor inductivo puede tener salida anloga o digital. En el caso del sensor con salida anloga, la salida del dispositivo es proporcional a la distancia del objeto al sensor. Esto quiere decir que cuando el objeto se acerca ms al sensor, este absorbe ms energa y por lo tanto reduce ms la amplitud de la seal del oscilador.

El diagrama en bloque de este sensor con salida anloga sera:




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El diagrama en bloque de este sensor con salida digital sera: En el caso del sensor con salida digital, el circuito de disparo monitorea la amplitud del oscilador y a un nivel determinado conmuta el estado de salida del sensor que puede ser alto (24V) o bajo (0 V). La salida conmuta cuando hay presencia de un objeto metlico dentro de la zona activa de deteccin.

OSCILADOR GENERADOR

DEMODULADOR AMPLIFICADOR ETAPA LINEALIZACION

ETAPA ACONDICIONAMIENTO DE SEAL

TENSION EXTERNA

TENSION INTERNA

CONSTANTE BOBINA ZONA ACTIVA DE DETECCION

SALIDA CORRIENTE O

TENSION

OSCILADOR GENERADOR

DEMODULADOR DISPARO ETAPA DE SALIDA

TENSION EXTERNA

TENSION INTERNA

CONSTANTE BOBINA ZONA ACTIVA DE

DETECCION

SALIDA TENSION

ALTO O BAJO




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7.2.3 Distancia de conmutacin El voltaje o corriente de salida (sensor inductivo con salida anloga) o la distancia de conmutacin o cambio de la salida de alto a bajo o de bajo a alto (sensor inductivo con salida digital), depende de la conductividad elctrica del material a detectar. Se pueden alcanzar distancias hasta de 250 mm. La siguiente tabla muestra la conductividad de diferentes materiales metlicos:

CONDUCTOR CONDUCTIVIDAD m/(mm2) FA CTOR DE REDUCCION

Acero Dulce 1

Niquel cromo 0.70 - 0.90

Cobre 56 0.25 0.40 Aluminio 33 0.35 0.50

Latn 15 0.35 0.50

La tabla indica que las mayores distancias se alcanzan con materiales magnticos, las distancias son menores con materiales metlicos no magnticos. El Factor de Reduccin es la relacin entre la distancia detectada por un material metlico y la distancia detectada por una lmina de hierro dulce Fe 306 de 1 mm de espesor (segn el euroestndar 25 y 27 o ISO 630). La lmina de acero dulce es ms ferromagntica que cualquier otro metal, por lo tanto puede quitar ms energa al campo magntico del sensor y por lo tanto se pueden detectar mayores distancias que con cualquier otro material.

tan

tan

Dis Detecc MaterialFR

Dis Detecc AceroDulce

7.2.4 Caractersticas Tcnicas Esta tabla solo representa una informacin general ms tpica de los sensores de proximidad inductivos:

Materiales que detecta Metlicos

Tensin de funcionamiento Tpica de 10 a 30 Vdc 20 a 220 Vac

Distancia de conmutacin nominal Tpica 0.8 a 10 mm Mx 250 mm

Intensidad mxima 75 mA a 400 mA

Temperatura de funcionamiento -25C a +70C

Vibracin 10 50 Hz




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1 mm amplitud

Sensibilidad a la suciedad Insensible

Vida til Larga vida

Frecuencia de conmutacin Tpica 10 a 5000Hz Mx 20000Hz

Construccin Cilndrica y rectangular

Tamao 4mm a 30 mm 25mm*40mm*80mm

Proteccin IEC529, DIN40050 Hasta IP 67

Proteccin elctrica Inversin de polaridad Cortocircuitos Picos de tensin Rotura de cable

7.2.5 Blindaje Los sensores de proximidad posen bobinas enrolladas en ncleo de ferrita y estas pueden ser blindadas y no blindadas. Los sensores inductivos no blindados pueden medir una mayor distancia que los blindados.

El sensor inductivo blindado tiene las siguientes caractersticas

El ncleo de ferrita tiene como funcin concentrar el campo radiado en la direccin de la deteccin. Un anillo alrededor del ncleo metlico sirve para restringir la radiacin lateral del campo.




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7.2.6 Tipo de montaje Cuando los sensores son instalados en alojamientos metlicos se deben conservar unas distancias mnimas de sujecin, tal como se indica en el dibujo, mnimo una distancia d igual al dimetro del sensor, Esta distancia permite que los sensores no influyan unos con otros. Este tipo de sujecin es los que se conoce como montaje enrasado.

Tcnica de montaje para determinar la mejor distancia de deteccin de metales. El montaje no enrasado se puede montar sobre superficies metlicas que pueden afectar el comportamiento del sensor. Este tipo de instalacin requiere




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unas distancias mnimas para que no se vea afectado el funcionamiento del sensor.

Estos sensores no tienen anillos de metal rodeando el ncleo para restringir la radiacin lateral del campo

Estos sensores no se pueden montar a ras de un metal Deben tener un rea libre de metal alrededor del ncleo

7.2.7 Grosor de los objetos para su sensado La distancia de sensado es constante para objetos estndar; sin embargo para materiales no ferrosos como por ejemplo el aluminio, el latn, el bronce, aluminio o el cobre, ocurre un fenmeno conocido como efecto epitelial, que consiste en una disminucin de la distancia de sensado cuando el objeto aumenta de grosor.

7.2.8 Mtodos de conexin de los sensores inductivos de proximidad Estos dispositivos vienen en tres formatos de acuerdo con su salida elctrica; y pueden ser PNP y NPN Dos hilos: Positivo y referencia




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Tres hilos: Positivo, referencia y seal de salida Cuatro hilos: Positivo, referencia, seal de salida y seal de salida inversa Conexin a 2 hilos

Conexin a tres hilos con salida PNP Un hilo es para la alimentacin en positivo Un hilo para la referencia o negativo Un hilos par la seal de salida. Seal que puede ir al PLC o al PC industrial, etc




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Conexin a tres hilos con salida NPN Un hilo es para la alimentacin en positivo Un hilo para la referencia o negativo Un hilos par la seal de salida. Seal que puede ir al PLC o al PC industrial, etc

Conexin a 4 hilos Un hilo es para la alimentacin en positivo Un hilo para la referencia o negativo Un hilos par la seal de salida. Seal que puede ir al PLC o al PC industrial, etc




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7.2.9 Simbologa estndar a 3 hilos

7.2.10 Cdigo de colores segn la DIN IEC 757; EB 50044

Terminal Color Abreviatura

Alimentacin + Marrn BN (Brown)

- Azul BL (Blue)

Salida (carga) Para 3 hilos Negro BK (Black)

Para 4 hilos

Normalmente abierto Negro BK

Normalmente cerrado Blanco WH (White)

7.2.11 Aplicaciones

Deteccin del embolo de un cilindro neumtico o hidrulico Deteccin de piezas metlicas en cintas transportadoras Deteccin de un rbol de levas por medio de sensores de proximidad

inductivos Medicin de la velocidad y sentido de rotacin Deteccin de posicin de un actuador giratorio neumtico Deteccin lateral de cuerpos de vlvulas Deteccin de la posicin final de la matriz de una prensa




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Mediante la deteccin del filamento del bombillo con el sensor inductivo se verifica la existencia del bombillo dentro del empaque.

sensores y transductores 1

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