lunes, 28 de julio de 2008

SENSORES DIGITALES

La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos sensores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la simplificación que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencias electromagnéticas en determinados casos.
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

Los codificadores de posición: Solo veremos los incrementales y los absolutos.Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica. El nombre de codificador se debe a que en su estructura va implícito un sistema de codificación. Se dividen en dos:
Codificadores incrementales:
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.
Por tanto tiene como ventajas:
a. Muy simple.
b. Se requiere de pocos recursos para su implementación.
c. No necesita dispositivos de alta tecnología.

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.
b. El circuito puede complicarse ante la necesidad de detectar el sentido de giro de la pieza.

Codificadores absolutos:
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.


Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas. Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.

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.

Construcción del codificador absoluto:
El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje.
Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.




2. Sensores autorresonantes

Sensores Autorresonantes: El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencimetro—contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero,

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.



Tipos de Sensores Autorresonantes:


Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.
Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.
Termómetros Digitales de Cuarzo
Microbalanzas de cuarzo
Sensores de gas resonante
Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

Caudalimetro de Vórtice
El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.
Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

Sistema de acondicionamiento
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

3. Otros métodos de detección.

Como se mencionó en un principio, los otros métodos de detección se basan en técnicas no descritas en los apartados anteriores, pero, aunque no necesariamente representan sensores digitales, deben ser comentados.

3.a Basado en uniones semiconductoras

Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.
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.

Construcción y circuito de acondicionamiento
El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.

El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.

Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.

3.c Basado en fibras ópticas

Construcción y circuito de acondicionamiento.

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.

Ventajas De La Fibra Óptica

Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.


*Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
*Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
*Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
*Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
* La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Parámetros De Una Fibra Óptica

Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Entre los parámetros estructurales se encuentra:

*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

*Atenuación.
*Ancho de banda.

lunes, 7 de julio de 2008

Sensores Generadores.

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica, a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación.
Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Efecto Reversible

Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto reversible cuando a partir de la señal b, se puede generar la señal a.

Efecto Irreversible.

Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto irreversible cuando a partir de la señal b, no se puede generar la señal a.

Efecto Termoelectrico.

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o tambien son llamados termopares

Efecto Peltier

Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella; su explicacion basica seria que ciertamente existe un campo el eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y de la temperatura de la unión. esto se puede observar en la siguiente figura.
Al hacer circular corriente por un circuito de termopares una union se enfria y la otra se calienta


Efecto Thompson

Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor cuando la corriente fluye del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. Esto se muestra en la siguiente figura:

Efecto Seebeck

Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito formado por dos metales homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica. Es decir, hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica.
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.
Al conjunto de estos dos metales con una unión firme en un punto se le denomina termopar.

Tipos de Termopares .

Consideraciones en las uniones de un termopar:
*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.

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.
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.

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:
· 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

Normas de aplicación practica por los Termopares

1. • Ley de los circuitos homogéneos

En un circuito con un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor, aunque varíe la sección transversal del conductor.Las temperaturas intermedias, a que pueda estar sometido cada conductor, no alteran la fuerza termoelectromotriz debida a una determinada diferencia de temperatura entre uniones. Esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. En su lugar se emplean los denominados cables de compensación, que son más baratos que los del termopar y añaden fuerzas termoelectromotrices despreciables.

2. • Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.
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. ,

Si dos conductores homogéneos distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2. Esto tiene una consecuencia práctica importante; la unión de referencia no tiene por qué estar a 0ºC, puede usarse otra temperatura de referencia. Incluso no tiene que ser fija siempre que sea conocida.

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares

Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro.
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.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).
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 K (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%Rango de utilización: -270ºC a 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.

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

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.
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

Este sensor tiene la capacidad de cambiar la polarización de algunos materiales sometidos a cambios de temperatura generarando un potencial eléctrico producido por el movimiento de las cargas positivas y negativas a los extremos opuestos de la superficie a través de la migración. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados. La piroelectricidad está estrechamente relacionada con la piezoelectricidad, de tal modo que todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos.
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

Es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
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.

Este es un tipo de sensor que convierte la variación de una señal física en una variación de resistencia, Ejemplos de este tipo de transductores son los potenciómetros y galgas extensiométricas (varía la longitud); las resistencias variables con la temperatura (RTD), transductores de efecto Hall y fotorresistencias (varía la conductividad); y los termistores CTN y CTP (variación de la resistencia con la temperatura en los semiconductores).

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

Es un resistor que posee un contacto móvil deslizante o giratorio (figura 2.1). Este Constan de una resistencia através de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él ( en el wiper) irá cambiando. La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos viene dada por:
donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fracción de longitud correspondiente, ρ la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal.




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)

La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.
La unidad de medida de la deformación se expresa mediante ε (épsilon). Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial.
El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión.
La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga.
Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada.
El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la figura siguiente:
La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo; si se considera un hilo metálico de longitud L, área A y resistividad ρ, su resistencia R vendrá dada por:
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)

Es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles.
El símbolo que la caracteriza es.

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,

Donde α es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia(normalmente 0 grados).
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)

LOS TERMISTORES también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de esa manera. Si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.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.
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)

LAS MAGNETORRESISTENCIAS se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético.
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)

LAS FOTORRESISTENCIA o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores.
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)

Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo. Esta construcción esta ilustrada en a figura1 (a).


Figura 1

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.

Circuito de acondicionamiento para potenciómetros

Para el caso de los potenciómetros se suele emplear para su acondicionamiento una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y el mismo Sensor (potenciómetro), alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente, a este circuito de acondicionamiento se le conoce como divisor de tensión. Puede darse el caso que el Sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos.En la siguiente figura se puede observar la aplicación de esta interfaz al caso de Potenciómetros.
Acondicionamiento para Señales de Galgas Extensiométrica

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.



En dicho circuito, se hace circular una corriente constante por el RTD, por lo que las variaciones de resistencia (debido a los cambios de temperatura) provocarán variaciones proporcionales de la tensión VRTD

Circuito de acondicionamiento del temistor

Son semejantes para los RTD, con la importante salvedad que supone la condición "no lineal" de los termistores. Por ello, se ha de hacer una linealización de su comportamiento. La forma más cómoda y fácil es colocarle una resistencia en paralelo, tal como muestra la figura 1.22. Con esto, el valor del paralelo RT _R para las diferentes temperaturas,sigue una variación bastante lineal, en comparación con como variaba RT sola.

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

Amplificador de Instrumentacion

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya
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.

En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación: es muy utilizado para amplificarseñales debiles en hospitales y centros de urgencia, EJ: ELECTROCARDIOGRAMA y en muchas aplicaciones industriales. Aplicaciones
*Para acondicionar la salida de un puente de wheastone
*Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
*Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
*En fuentes de alimentación
Un amplificador de instrumentación se caracteriza por tener:
*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

Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
· 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

Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. Para
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

Son condensadores virtuales que crean interferencia o error cuando una de las dos superficies (placa) se coloca a tierra, ya que si otro conductor próximo, por ejemplo la de red de distribución, esta a un determinado potencial con respecto a tierra, la placa que no este conectada a tierra alcanzará también un potencial que según su frecuencia puede interferir en el circuito hasta impedir la medida.

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

Condensador diferencial se denomina al formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Vemos cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.
Aplicaciones típicas de esta configuración son los micrómetros, acelerómetros e inclinómetros.

Si se disponen las tres placas del condensador diferencial cómo se muestra en la figura derecha y se varía el área entre placas, se tiene que la medida diferencial de la capacidad nos permite obtener una salida lineal con el desplazamiento. Con esta técnica se han llegado a medir desplazamientos de hasta 10-10 mm.

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

Circuitos de acondicionamiento para sensores capacitivos
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

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Estas variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo.

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

Los sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entrehierros. Si tenemos un circuito de N espiras que concatena un flujo y por el que circula una corriente i, la inductancia L se puede expresar como:
donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.
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)

Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

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.

2.2.3. Acondicionamiento

3. Sensores electromagnéticos

Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. Se tienen dos tipos: sensores basados en la ley de Faraday y los Sensores basados en el efecto Hall.

3.1. Basados en la ley de Faraday

Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:” por lo que este sensor se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera una fuerza electromotriz.

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

Son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussímetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (vatímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y está sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde, Iin crea B, a su vez B crea VH que es proporcional a Iin (Ibias = constante).

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

La palabra Sistema se utiliza en muy diversas áreas, pero en todas ellas su definición podría ser: "Conjunto de dos o más elementos interconectados entre sí para formar un todo unificado que tiene por objeto realizar una o varias funciones".

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.

esquema general de un sistema de medida y control