Estos sensores ofrecen la medida en valores discretos, o sea codificada en un número determinado de bits. Los codificadores de posición son sensores digitales y pueden ser incrementales o absolutos.
lunes, 28 de julio de 2008
SENSORES DIGITALES
Estos sensores ofrecen la medida en valores discretos, o sea codificada en un número determinado de bits. Los codificadores de posición son sensores digitales y pueden ser incrementales o absolutos.
1. Codificadores de posición
a. Muy simple.
Desventajas
a. La resolución está limitada por el número de marcas alternadas en el dispositivo codificador. En el caso de un disco utilizado como el mostrado en la figura, y utilizado para medir desplazamiento angular, la anchura entre marcas X expresada en función de la resolución (dada por el número de bits "n" sobre la rotación completa de la pieza "2*3.14r", donde "r" es el radio) es:
X= 2*3.14r/2^n
a. Como se requiere de un circuito que "cuente" las alternancias, un fallo eléctrico, ocasionará la pérdida de la información.
Se puede concluir que: Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas — herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios, etc.
2. Sensores autorresonantes
Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.
3. Otros métodos de detección.
3.a Basado en uniones semiconductoras
Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc.
Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.
a. Termómetros.
Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.
b. Fotodiodos y fototransistores.
La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.
3.b Basados en ultrasonidos.
3.c Basado en fibras ópticas
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar. Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada. Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
*Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
lunes, 7 de julio de 2008
Sensores Generadores.
Efecto Reversible
Efecto Irreversible.
Efecto Termoelectrico.
Efecto Peltier
Efecto Thompson
Efecto Seebeck
Si se abre el circuito, aparece una fuerza (termo)electromotriz (f.t.e.m.) cuya magnitud depende de la naturaleza de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.
Tipos de Termopares .
*Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y
respuesta lenta.
*Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
*Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
*Linealidad de la respuesta.
Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla 6.1.
Los termopares J son versátiles y de bajo coste. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares K se emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósferas oxidantes. Los termopares T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R Y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.
Construcción de Termopares.
Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.
Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.
· Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
· Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.
· Deben tener la precisión requerida.
· Deben responder con la velocidad necesaria
· Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
· Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
· Deben ser económicos .
conexion basica de un termopar
1. • Ley de los circuitos homogéneos
2. • Ley de los Metales Intermedios
Una consecuencia de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto, no es preciso calibrar todos los posibles pares de metales para obtener su tabla tensión temperatura. Basta con conocer el comportamiento de cada metal con respecto a uno tomado como referencia (platino).
3. • Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias. ,
Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares
Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.
La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.
Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.
Explicación de la tabla estandar de termopares.
El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.
Termopar tipo T (Cu- Constantan)Termoelemento positivo: Cu 100%Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.
Termopar tipo J (Fe- Constantan)Termoelemento positivo: Fe99,5%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -210ºC a 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.
Termopar tipo E (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.
Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%Rango de utilización: -270ºC a 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.
Termopar tipo STermoelemento positivo: Pt90%, Rh10%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.
Termopar tipo RTermoelemento positivo: Pt87%, Rh13%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.Termopar tipo BTermoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%Rango de utilización: 0ºC a 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.
Sensores Piezoelectrico
Es un efecto reversible, de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico a un material
piezoeléctrico, aparece una deformación. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.
Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.
Aplicaciones
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.
*La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.
* Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es
preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.
*La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.
* La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.
Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:
*Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
* Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)
*Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.
Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.
Sensores Piroelectricos
El efecto piroeléctrico fue descubierto en minerales como el cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos y se desarrolla en las caras opuestas de cristales asimétricos. La dirección de propagación suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, aunque puede ser modificada por un campo eléctrico cercano.
El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. El cristal cambia cuando la cantidad de radiación es notable, la carga también cambia y puede entonces ser medida con un dispositivo FET construido dentro del sensor. Y además son más rápidos que los termopares.
Aplicaciones:
Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son: o Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido) o Los sensores pasivos de infrarrojos. o Medida de radiación o Detección de llamas o Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios. o Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación. o Analizadores de IR, o Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación, o Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido --automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas. o Detección de pulsos láser de alta potencia. o En termómetros de alta resolución (6x10 °C). o Detector de personas o de movimiento.
Sensores Fotoelectricos
Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.
lunes, 2 de junio de 2008
1. Sensores resistivos.
1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)
La ecuación (2.1) indica que la resistencia medida es proporcional al recorrido del cursor. Esto no siempre es así, pues la resistividad del material no suele ser uniforme a lo largo de todo el recorrido. Tampoco la resolución es infinita, pues muchos potenciómetros funcionan a saltos y no de manera continua; también hay que tener en cuenta la resistencia del contacto. A pesar de todo ello, los potenciómetros permiten medir fácilmente desplazamientos tanto longitudinales como angulares, así como todo tipo de magnitudes físicas asociadas a los mismos.
Simplificaciones:
–Resistencia uniforme a lo largo del recorrido L
–Contacto del cursor perfecto, sin saltos ⇒resolución infinita
–Recorrido mecánico = recorrido eléctrico
–Si se alimenta con tensión alterna, su inductancia y capacidad han de ser despreciables (para R baja la inductancia puede ser significativa, mientras que para R grande la capacidad puede ser significativa)
–La resistencia no varía con la temperatura
–No existe rozamiento ni inercia del cursor
–No existe ruido derivado de la resistencia de contacto
1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)
En base a esta última ecuación, se puede afirmar que la resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga.
De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una variación de la resistencia.
Tipos
*Hilo metálico no bobinado
*Película de metal depositado
*Semiconductor (depositado d difuso)
*Limitaciones
*No puede superar el límite elástico
*Adhesivos especiales
*Errores de temperatura y autocalentamiento
*Aplicaciones
*Fuerza, par, presión
*Deformación
*Aceleración y vibraciones
1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)
El símbolo sin flecha indica que la variación es intrínseca por la característica resistiva, no por manipulación manualintrínseco y la anotación que la acompañaindica que su variación se debe a la temperatura y que tiene un coeficiente positivo. La ecuación característica de las termorresistencia es la siguiente:
Este dispositivo tiene como limitaciones:
*No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.
*El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.
*S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.
*Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares, tal como se verá mas adelante.
Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación, sino que considerando solo el primer término se tiene una excelente aproximación, es decir,
En el caso del platino, tenemos que ofrece una gran linealidad aunque su sensibilidad es menor que la de otros materiales como el níquel. Por esta razón, uno de los sensores de temperatura más comunes, debido a sus prestaciones, es la sonda de platino de 100Ω,conocida como Pt100. entre los dos mas comunes son:
Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 Ω a 0° C)
Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 Ω a 0° C)
1.4. Termistores (Variables térmicas)
Su símbolo será:
La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura. En el caso de una NTC la ecuación característica será
donde:
B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)
R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K)
Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, mas rápidas y permite hilos de conexión mayores. Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.
Los termistores tiene muchas aplicaciones algunos de los cuales son.
a. Medida de caudal en circuito puente
b. Protección por autocalentamiento
c. Medida directa de temperatura por variación de corriente.
1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856
Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición.
Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy)
Tiene las siguientes aplicaciones:
* Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
* Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.
1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)
Su símbolo es:
La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor:
–A bajas Temperaturas la mayor parte de los electrones están en la banda de valencia y se comporta casi como un aislante, Al aumentar la Temperatura aumenta la agitación térmica y los electrones comienzan a pasar de la banda de valencia a la de conducción (próximas a diferencia de los aislantes), La energía necesaria para realizar el salto puede venir de otras fuentes como la radiación electromagnética: E = h fsiendo h=6.62 10-34la constante de PlankWs2.
Si la radiación tiene energía suficiente para permitir el salto de la banda prohibida, pero sin exceder el umbral para que se desprendan del material por efecto fotoeléctrico externo, se tendrá efecto fotoeléctrico interno, y a mayor radiación mayor conductividad
Consideraciones:
–Constante de tiempo de subida (expresada en ms) mucho menor que la de caída o extinción (expresada en kΩ/s)
–Son sensibles a la Temperatura por la generación térmica de pares electrón/hueco y por el llamado ruido térmico (fluctuaciones de corriente al aplicar una tensión para medir su valor)–Respuesta espectral estrecha (ver gráfica adjunta)
–Los elementos previstos para longitudes de onda elevada deben mantenerse a baja temperatura para reducir el ruido térmico (células Peltiero criostatos)
Aplicaciones:
–Medidas de luz con poca precisión y bajo coste:
•Control automático del brillo y contraste en receptores de TV
•Control del diafragma en cámaras fotográficas
•Detección de incendios
•Control de iluminación
–Medidas de presencia y posición
1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)
A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio está en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente a resistencia entre los terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.
Una curva característica típica de resistencia versus humedad relativa para un higrómetro resistivo se muestra en la figura 1 (b). Los transductores de higrómetro resistivo no pueden utilizarse en todo el rango de humedades relativas, del 0% a 100%. La mayoría de ellos tienen un limite de operación segura del orden del 90% de HR. Una exposición al aire con una humedad relativa mayoral 90% puede resultar en un exceso de absorción de agua por la película de cloruro de litio, una vez que suceda esto, las características de resistencia de higrómetro son alteradas en forma permanente.
1.8. Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.
Las mediciones de galgas extensiométricas involucran sensar cambios muy pequeños de resistencia. Es por esto que una selección apropiada y el uso de un puente, acondicionamiento de señal, cableado y adquisición de datos son componentes requeridos para lograr mediciones precisas.
Completar el Puente
A menos que esté usando un sensor de puente completo con cuatro galgas activas, entonces va a necesitar completar el puente con resistencias de referencia. Es por esta razón que los dispositivos de acondicionamiento para galgas típicamente proveen redes para completar medio puente, las cuales consisten de dos resistencias de referencia de alta precisión. El diagrama de la Figura 1 muestra el cableado de un circuito de una galga extensiométrica de medio puente a un acondicionador con resistencias para completar R1 y R2. El valor nominal de las resistencias es menos importante comparado con qué tan bien las dos resistencias se igualan. Idealmente, los resistors se igualan y proven un voltaje de referencia estable de VEX/2 a la punta de entrada negativa del canal de medición. Por ejemplo, las resistencias de complemento de medio puente incluídas en el módulo de acondicionamiento de señales SCXI-1122 son de 2.5 kW con una tolerancia de 0.02%. La resistencia alta de los resistores de complemento ayudan a minimizar la corriente que tomaría del voltaje de excitación.Exitación del Puente
Acondicionadores de señal para galgas típicamente proveen una fuente de voltaje constante para energizar el puente. Aunque no hay un nivel de voltaje estándar reconocido en la industria, niveles de voltaje de exitación de entre 3 V y 10 V son comunes. Mientras un voltaje de exitación mayor genera proporcionalmente un voltaje de salida mayor, el mayor voltaje puede causar errors debido a sobrecalentamiento. Es importante recalcar que el voltaje de exitación debe ser muy preciso y estable. De modo alternativo, se puede usar un voltaje menos preciso o estable y medir o sensar el voltaje de exitación para calcular la presión correcta.
Medición de Excitación
Si el circuito de la galga de presión esta localizado a una distancia larga del acondicionador de señal y la fuente de exitación puede generarse un error debido a la caída de voltaje causada por la resistencia en los cables que conectan el voltaje de exitación al puente. Para estos casos algunos acondicionadores de señal incluyen una función llamada sensor remoto la cual compensa por este error. Existen dos métodos communes para sensar remotamente. Con el sensor remoto con retroalimentación, usted conecta cables extra con sensores en el punto donde los cables del voltaje de exitación se conectan con el circuito del puente. Los cables con sensores extra sirven para regular la fuente de exitación para compensar por pérdidas en las puntas y así entregar el voltaje necesario al puente. Este esquema se usa en el modulo SCXI-1122.Una manera alterna de sensar remotamente usa un canal separado para medir directamente el voltaje de exitación que se le entrega al puente. Ya que las puntas del canal de medición llevan una corriente muy pequeña, la resistencia en las puntas es despreciable y no afectan a la medición. El voltaje de exitación medido es despues usado en la conversión voltaje-presión para compensar por las pérdidas en las puntas.
Amplificación de Señal
Las salidas de las galgas de presión y los puentes son relativamente pequeñas. En la práctica, la mayoría de los puentes de galgas y transductores de presión tienen salidas de menos de 10 mV/V (10 mV de salida por volt de voltaje de excitación). Con un voltaje de exitación de 10 V , la señal de salida será de 100 mV. Es por esto que los acondicionadores de señal para galgas incuyen amplificadores para aumentar el nivel de la señal, para incrementar la resolución de la medición y mejorar las relaciones de señal a ruido. Los modulos SCXI por ejemplo incluyen amplificadores de ganancia programmable, con ganancias de hasta 2000.Circuito de acondicionamiento para termorresistencias
Para adaptar las variaciones de resistencia que se producen en un RTD (termoresistencia) al circuito que va a tratar la información, se suelen utilizar los mismos montajes o circuitos que en los demás transductores que también varían su resistencia con el fenómeno a medir: puente de Wheatstone, amplificadores de instrumentación, acondicionadores integrados, etc.
Puente de Wheastone
El puente Wheatstone es un circuito muy interesante y se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias .
En la disposición eléctrica del circuito de abajo vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido R2/R1) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio.
Una aplicación muy interesante del puente Wheatstone en la industria es como sensor de temperatura, presión, etc. (dispositivos que varían el valor de sus resistencia de acuerdo a la variación de las variables antes mencionadas).
Es en el amperímetro donde se ve el nivel o grado de desbalance o diferencia que hay entre el valor normal a medir y la medida real.
También se utiliza en los sistemas de distribución de energía eléctrica donde se lo utiliza para detectar roturas o fallas en la líneas de distribución
ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que
opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento
esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que
ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con
los que interacciona. Para ello, se le requiere:
a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.
b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.
*Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
*Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
*En fuentes de alimentación
*Alta impedancia de entrada.
*Alto rechazo de de señales en modo comun CMRR, superior a 100 dB.
*Ganancia estable y que pueda ser variable con una única resistencia y sin que se contrapongan directamente ganancia y ancho de banda.
*Tensión y corriente de desequilibrio (offset) bajas y con pocas derivas.
*Impedancia de salida baja.
*Existen convencionalmente dos tipos de amplificadores de instrumentación
*Amplificador de instrumentación basado en dos amplificadores y
*Amplificador basado en tres amplificadores.
*El amplificador de instrumentación cuenta con tres amplificadores dos seguidores de tensión para mejorar la impedancia de entrada del amplificador y un amplificador diferencial para rechazar las señales en modo común
2. Sensores de reactancia variable
· Efecto de cara mínimo o nulo.
· Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
· La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.Como limitación tienen que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada. En este documento se trataran los sensores inductivos.
2.1. Sensores Capacitivos
objetos metálicos es más adecuado escoger un sensor inductivo.
Para distancias superiores a los 40 mm es totalmente inadecuado el uso de este tipo de sensores, siendo preferiblemente una deteccion con sensores ópticos o de barrera
Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple.
La lámina de metal en el extremo de un sensor esta conectado eléctricamente a un oscilador. El objeto que se detecta funciona como una segunda lámina. Cuando se aplica energía al sensor el oscilador percibe la capacitancia externa entre el objetivo y la lámina interna.
Los sensores capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que activa el circuito disparador que a su vez cambia el estado del switch.
Principio de funcionamiento:
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.
2.1.1. Condensador variable
Efecto de borde:
Es el efecto que se produce en los bordes de un condensador de placas paralelas, el cual consiste en el desvío de las líneas de campo eléctrico, haciendo que estas no se comporten en forma perpendicular a dicha placa. Su comportamiento en esta area de las placas es “arqueada”, es decir, las líneas de campo eléctrico van de una placa a la otra en forma de arco y no en forma lineal. Un método para reducir el efecto de bordes sin alterar las relaciones geométricas, consiste en emplear guardas.
Apantallamiento:
Es la acción de recubrir los cables conductores para evitar las interferencias. Este hecho proporciona un error en el sistema, y es la aparición de condensadores parásitos.
Los problemas que presenta este tipo de medidor es que:
*No se puede despreciar el efecto de los bordes.
*El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
*Existen muchas interferencias capacitivas.
*Los cables de conexión generan condensadores parásitos.
Algunas aplicaciones de los sensores son.
a. Medida de desplazamientos lineales y angulares
.b. Detector de proximidad.
c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.
2.1.2. Condensador diferencial
Aunque se ha mejorado en linealidad, el condensador diferencial no esta exento de problemas: dispersión del campo eléctrico en los bordes de los electrodos, aislamiento entre placas, capacidades parásitas, cables de conexión, etc. La dispersión del campo en los bordes de los electrodos puede apreciarse mejor en la figura a. Para evitar este efecto, en la figura b se ha colocado un electrodo de guarda rodeando al electrodo 3. Este electrodo de guarda se mueve junto al electrodo 3 y está puesto a su mismo potencial. Ahora, las líneas de campo aparecen distorsionadas en el borde de la guarda, lo cual no importa ya que no es un electrodo de medida. En cambio el campo si es uniforme en los electrodos de medida. El electrodo de guarda protege simultáneamente al electrodo 3 de campos externos que puedan afectar a la linealidad de la medida.
Aplicaciones de los sensores capacitivos diferenciales:
Estos sensores se utilizan especialmente para medir desplazamientos lineales y angulares.
Este tiene la ventaja de proporcionar mediciones de desplazamiento muy exactas. El circuito necesario para montarlo es similar al puente de wheatstone solo que en lugar de resistencias se usan condensadores. Se debe usar también una capacitancia variable para balancear el circuito.
Este tipo de transductor es útil para medir presión sanguínea, registrar los movimientos de las paredes del pecho, presión plantar, sonidos del corazón y los pulsos radial y braquial. Para lograrlo una de las placas de condensador se mantiene fija, mientras la segunda está unida a un miembro elástico.Una interesante aplicación de los sensores capacitivos la constituyen los capacitares biológicos. Estos utilizan las propiedades dieléctricas del tejido vivo como una parte del capacitor. Cremen (1907) insertó un corazón latiente de rana entre las dos placas de un condensador y registró el cambio de capacitancia cuando el corazón se llenaba y vaciaba de sangre. Un sistema similar fue desarrollado por Joseph (1944) quien colocó el tórax de sujetos humanos, en registro simultáneo con el ECG mostró que los cambios capacitivos estaban asociados con la actividad cardiaca. Para estudiar el flujo sanguíneo Atzler y Lehman (1932) usaron sujetos humanos colocando un electrodo encima del pecho y el segundo en contacto con la espalda. Fening (1936) desarrolló lo que el llamó oscilocapacitógrafo, utilizando una rata que yacía sobre una placa del capacitor, y la otra placa la colocaba 5mm por encima del tórax del animal. Los movimientos respiratorios cambiaban la capacitancia a través de una variación del área, la separación de las placas y la distribución del dieléctrico, cambios que alteraban la corriente del ánodo del tubo oscilador. Así se obtenía un buen registro de la respiración de las ratas. Para una descripción de estos y otros experimentos refiérase al libro de Wilches o Webster.
En general se puede establecer que los sensores capacitivos tienen un pequeño tamaño, construcción robusta y un pequeño desplazamiento volumétrico. La señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Además son sensibles a variaciones de temperatura.
Ventajas
Simplicidad mecánica
Error de rozamiento mínimo
Tamaño y masa pequeños
Alta resolución y sensibilidad
Buena reproductibilidad
Alta estabilidad con la temperatura
Fácil integración en C.I.
Desventajas
Resistencias parásitas
Alta impedancia de salida
Afectados por campos electromagnéticos
Necesidad de apantallamiento
Utilización de guardas
Aplicaciones de estos sensores:
+Desplazamientos lineales y angulares.
+Detector de proximidad.
+Cualquier magnitud que implique un desplazamiento (presión, fuerza, etc)
+Medida de humedad por variación de e.+Medida de Tª (de e=k/(T-Tc)).
+Medida de espesores de materiales dieléctricos.
+Medida de nivel de líquidos.
+Presión, fuerza, par y aceleración
+Deformaciones, galgas capacitivas
+Humedad (óxido de aluminio como dieléctrico)
+Análisis químico
+Nivel de líquidos
2.1.3. Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia
Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz. Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial. Para el caso de condensador simple se tiene.
Divisor de tension
Los divisores de Tensión se usan frecuentemente en el diseño de circuitos porque son útiles para generar un voltaje de referencia, para la polarización de los circuitos activos, y actuando como elementos de realimentación.
La caída de tensión en cada una de las resistencias, es proporcional a su valor. Es decir, si las dos resistencias conectadas en serie tuvieran el mismo valor (por ejemplo, ambas son de 200 Ohms), en cada una de ellas caería la mitad de la tensión. (Si la fuente fuera de 12 Volts, entre los terminales de cada resistencia se medirían 6 Volts).
Amplificador de Carga
Un amplificador de carga es un tipo especial de preamplificador que se usa en acelerómetros piezoeléctricos sin circuitos integrados.Su propósito es de convertir la impedancia de salida extremadamente alta del acelerómetro a un valor bajo,adaptado para transmitir la señal de vibración a través de cables a otros instrumentos que la van a procesar.El amplificador de carga es sensible a la cantidad de carga eléctrica generada por el acelerómetro en lugar de al voltaje que genéra el mismo.Ya que la carga es independiente del cable conectado al acelerómetro,la sensibilidad del acelerómetro no varía con la longitud del cable como lo hace cuando se usa un amplificador de voltaje.
Amplificador de transconductancia
Un amplificador de transconductancia variable (OTA) es un dispositivo electrónico parecido a un amplificador operacional. Si bien en un amplificador operacional, la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que es proporcional a la tensión de entrada:
Esto se consigue con una alta impedancia de salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la salida. Esto implica que el OTA trabajará con bajas corrientes de salida.
Estos circuitos integrados (C.I.) disponen de una entrada de corriente (Amplifier bias input) que controla la ganancia de corriente.
Colocando una resistencia a la salida, se puede hacer la conversión de corriente a tensión, transformando el dispositivo en un amplificador controlado por tensión a través de la referida entrada (amplifier bias input).
La aplicación práctica más común de estos dispositivos es la de amplificador de ganancia variable controlada por tensión (como control de volumen en equipos de audio). Actualmente, para estas aplicaciones existen C.I. de controles de volumen específicos, controlados por una tensión DC o por una señal digital para adecuar un interfaz de un pulsador o de la señal de un mando a distancia.
La posibilidad de programar la transconductancia permite dos tipos de aplicaciones. En el primer grupo están comprendidas aquellas aplicaciones en las cuales se debeoptimizar alguna especificación (ruido, corrientes de polarización, resistencias de entrada y salida, etc.). En el segundo grupo se incluyen dispositivos de tipo paramétrico o controlado, como amplificadores de ganancia controlada por tensión, filtros controlados, osciladores controlados, resistencias controladas, etc
2.2. Sensores inductivos
Principio de funcionamiento
El campo magnético se determina a través de sus efectos sobre los elementos que se encuentran en su área de afectación. Los efectos se pueden agrupar en dos:
· Fuerza magnética: efecto notorio especialmente en elementos ferromagnéticos, pero también en sus efectos sobre cargas eléctricas en movimiento (ejemplo fuerza de Lorenz).
· Efectos de inducción: efecto resultante de la variación en función del tiempo del campo magnético en elementos conductores eléctricos (ejemplo: motores, transformadores).
2.2.1. Reluctancia variable
Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que
Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:
donde;
μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area delas bobinas.
Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad. Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.
Esto sensores tiene los siguientes problemas:
a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.
Por contra tienen la siguientes ventajas:
a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad
2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)
Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida.
Sin embargo tiene las siguientes ventajas:
a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d.Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.h. Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.
3. Sensores electromagnéticos
3.1. Basados en la ley de Faraday
Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:
*Perfil de velocidades simétrico.
*Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
*Electrodo de acero o titanio
*Tubería llena
*Campo magnético continuo o alterno.
*Debe ser ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.
3.2. Basados en el efecto Hall
Tiene como limitación.
+La temperatura cambia la resistencia del material.
+Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,
Tiene como ventajas:
+Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
+Inmune a las condiciones ambientales.
+Sin contacto.Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos
domingo, 4 de mayo de 2008
1. DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE MEDIDA Y CONTROL
El Sistema de Medida y Control es aquel que realiza funciones de medición de magnitudes físicas, químicas, biológicas, … procesando estas informaciones para regular el funcionamiento del sistema físico que pretende controlar, según los datos obtenidos en el proceso de adquisición de datos y medición, es decir; es la asignación objetiva y empírica de un número a una cualidad o propiedad de un objeto o evento, de tal forma que la describa. Por tanto, el resultado de la medida debe ser independiente del observador (objetiva), basado en alguna experimentación(empírica), y de tal forma que exista una correspondencia entre las relaciones numéricas y las relaciones de las propiedades descritas.
En un sistema se puede observar como el proceso de la medida incluye, además de la adquisición de la información por parte de un sensor o transductor, el procesamiento de la misma y su presentación para que nuestros sentidos puedan percibir los resultados. Por otro lado, cuando dichas medidas se realizan de manera remota se requiere la transmisión de la información.
Algunos ejemplos de medida a efectuar por un sistema de control pueden ser: medida de la temperatura interna de un horno, medida de la posición o del esfuerzo en un brazo robot, etc.