Facultad de ingenieria quimica y textil




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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION



SENSORES Y TRANSDUCTORES

Ing. Jorge Cosco Grimaney

2012
SENSORES Y TRANSDUCTORES

Todo el control industrial depende de la habilidad para medir el valor de la variable controlada con exactitud y rapidez. De manera general, se ha encontrado que la mejor forma para medir el valor de la variable controlada es convirtiéndola en alguna clase de señal eléctrica para detectarla con un sistema de medida eléctrico debido a que:

  1. Las señales eléctricas pueden transmitirse de un lugar a otro

  2. Las señales eléctricas son más fáciles de linealizar, amplificar y filtrar

  3. Las señales eléctricas son fáciles de manipular para averiguar parámetros como; la rata de cambio variable, el tiempo de integración de la variable, si la variable ha excedido algún límite, etc.

Los dispositivos que convierten el valor de la variable controlada en una señal eléctrica se de denominan transductores o sensores eléctricos.

Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables controladas, en magnitudes eléctricas. Las variables de control pueden ser; temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. La magnitud eléctrica obtenida puede ser en una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), un potencial eléctrico (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc.

Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha sus propiedades físicas con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo.

Un sensor se diferencia de un transductor, en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía a otra, un sensor convierte un parámetro físico a una salida eléctrica y finalmente un actuador convierte una energía eléctrica a una salida física.

Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 mA, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable controlada dentro de un rango, para fines de control de dicha variable en un proceso

Existe una inmensa variedad de sensores disponibles en el mercado: sensores que generan una corriente eléctrica tras la aplicación de una fuerza como lo es el caso de los sensores piezoeléctricos, o sensores que cambian las propiedades de conducción según una variable externa. Consecuentemente no es una sorpresa que una forma de clasificar los sensores sea de acuerdo a la variable eléctrica que se modifica a través de la variable física, o por el contrario que se clasifiquen de acuerdo a la variable física que ellos puedan sensar. Por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura.

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma.

Clasificación

1. Según el tipo de señal de salida es decir la forma de codificar la magnitud medida, podríamos realizar la siguiente clasificación:

  • Analógicos: aquellos que proporcionan un valor de tensión o corriente entre un rango previamente fijado (normalmente 0-10V o 4-20mA).

  • Digitales: aquellos que proporcionan una señal codificada en pulsos o en alguna codificación digital (como BCD, binario, etc.). En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

  • Todo- nada: aquellos que únicamente poseen dos estados, los cuales están separados por un valor umbral de la variable detectada.

2. Según el tipo de magnitud física a detectar podemos establecer la siguiente clasificación:

- Posición lineal o angular

  • Desplazamiento o deformación

  • Velocidad lineal o angular

  • Aceleración

  • Fuerza y par

  • Presión

  • Caudal

  • Temperatura

  • Presión

  • Humedad

  • Viscosidad

  • Nivel

  • Color

  • pH

  • Presencia o proximidad

  • Táctiles

  • Intensidad lumínica

  • Sistemas de visión artificial

  • etc.

3. Según la variable eléctrica que se modifica a través de la variable física medida.

  • RESISTIVOS.- Convierten la variable física sensada en variaciones de resistencia. Los tipos más comunes de sensores resistivos los constituyen los potenciómetros, galgas extensiométricos y termo-resistencias.

  • INDUCTIVOS.- La inductancia de una bobina depende de su geometría, de la permeabilidad magnética del medio y del número de espiras que la conforman. Variando cualquiera de estos parámetros se obtiene una diferencia de potencial entre sus extremos que corresponde proporcionalmente a la variable física sensada

  • CAPACITIVOS.- Los condensadores son dispositivos que acumulan energía, están compuesto por dos placas metálicas separadas por un material llamado dieléctrico que puede ser líquido, sólido, gaseoso o un vacío. Si se pone un voltaje a través de las placas del capacitor este generará un campo eléctrico entre ellas. Los transductores capacitivos se emplean para detectar variaciones de la capacidad por el movimiento de una o de las dos placas o por variación del material dieléctrico entre las placas.

  • PIEZOLELECTRICOS.- El efecto piezoeléctrico, descubierto a finales del siglo XIX por Pierre y Jacques Curie, hace referencia a algunos materiales que son capaces de generar un potencial eléctrico en respuesta a una deformación o vibración mecánica. Dicho potencial se genera a lo largo de ciertos ejes cristalográficos como respuesta a la deformación mecánica. El material sufre un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por ende producen un potencial eléctrico.

  • GENERATIVOS.- Se basa en principios físicos de generación de fuerza electromotriz cuando se unen dos materiales (metales comúnmente) unidos en un extremo que producen un pequeño y único voltaje según la temperatura. El fenómeno es debido a dos efectos (Peltier y Thomson). El efecto Peltier hace referencia a una fuerza electromotriz FEM debida a la diferencia entre los dos metales, es decir que de acuerdo a una temperatura determinada se genera una diferencia de potencial (FEM) característica. El efecto Thomson se asocia con otra FEM generada por un gradiente a través del mismo metal. Aún cuando las FEMs generadas son muy bajas es posible medirlas, tras la amplificación de las mismas.

  • FOTOELECTRICOS.- Se basan en emisores de luz ( LEDs o Lámparas de tungsteno) que reflejados o refractados son captados por fotoceldas o fototransistores que las convierten la energía captada en corriente eléctrica

  • DE RADIACION.- Utilizan ondas electromagnéticas para radiar y absorber energía. Existen varios tipos como: Sensores de temperatura (absorben radiación y la convierten a Temperatura), Sensores c uánticos, Sensores fotoemisivos, Celdas fotoconductivas, Sensores fotovoltaicos, etc.



Características de los sensores o transductores

Exactitud

La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.

Precisión

La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.

Rango de funcionamiento

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango.

Velocidad de respuesta

El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

Calibración

El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una recalibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibración.

Fiabilidad

El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.

Histéresis

se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en que se alcance.

 

Estructura de aplicación con sensores o transductores

  • Elemento sensor o captador: Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica (señal).

  • Tratamiento de la señal. Si existe, realiza la función de modificar la señal obtenida para obtener una señal adecuada.

  • Etapa de salida. Comprende los circuitos necesarios para poder adaptar la señal al nivel requerido para la carga exterior.






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