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INSTITUTO SAN JOSE A- 355 NIVEL SECUNDARIO – SECCION TÉCNICA Murguiondo 1029 - Cdad. Aut. De Bs.As. – CP: 1408 Te: 4642-3219 / Fax: 4644-1948

INSTRUMENTACIÓN 5° A-B ELECTRÓNICA

UNIDAD IV: SENSORES

ALUMNO:__________________________________________________________

INSTITUTO SAN JOSÉ A-355 – OBRA DON GUANELLA Nivel Medio - Sección Técnica

Instrumentación 2° CST A-B Elca. Docente: Gonzalo Gabriel Giammatteo

INSTRUMENTACIÓN 5° A-B ELECTRÓNICA

UNIDAD IV: SENSORES

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ELECTRÓNICA. DEFINICIÓN Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA Definición: Electrónica es la tecnología relativa al paso de partículas cargadas a través de un gas, del vacío o de un semiconductor. El movimiento de partículas cargadas a través de un metal exclusivamente no se considera Electrónica. Materiales: El elemento constituyente fundamental por excelencia es el Silicio (Si); aunque también son usados el Germanio (Ge) y el Arseniuro de Galio (AsGa). Hitos Fundamentales:      

El primer diodo (de válvula) se construyó en 1904. El primer transistor se construyó en 1947 por los premios Nobel John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain de los Bell Telephone Laboratories. El primer circuito integrado (CI) se construyó en 1958. Actualmente se fabrican circuitos que integran alrededor de 100 millones de transistores. Se sigue la ley de Moore, que afirma que “el número de transistores en un chip se dobla cada dos años; al igual que su velocidad de funcionamiento”. Se espera que la tecnología electrónica madure y no crezca al ritmo actual en 2020. Hay un límite a la ley de Moore en los 25nm (100 veces la anchura del átomo)

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Áreas Fundamentales 

Dispositivos: Tiene por objeto establecer las ecuaciones y modelos que expresan el comportamiento circuital de esos dispositivos en razón de sus características físico- tecnológicas.



Electrónica Analógica: Se trata de una electrónica eminentemente lineal. Por norma general los dispositivos trabajarán en su zona lineal; y su subsistema básico es el amplificador.



Electrónica Digital



Electrónica de Potencia

Esencialmente electrónicas de conmutación. Los dispositivos trabajan en los extremos de su zona lineal de funcionamiento, pero no dentro de ellas. Suele ser una electrónica no lineal.

SISTEMAS ELECTRÓNICOS Un sistema electrónico es cualquier disposición de componentes electrónicos con un conjunto definido de entradas y salidas. En general, las entradas y salidas de la electrónica del sistema se encontrarán en forma de señales eléctricas, pero las señales de entrada pueden derivarse de la medición de algunas magnitudes físicas y las salidas pueden usarse para hacer variar otras magnitudes físicas.

Ejemplos: Mando a distancia, amplificador de audio, sistema de control de un motor eléctrico, autómata programable, controlador de temperatura, etc.

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Procesamientos típicos en un sistema electrónico:    

Amplificación Suma / Resta Integración / Diferenciación Más general: CONTROL

Sistemas de control complejo: Autómata Programable, Control por computador. Siguen el esquema Entradas → sistema electrónico → salidas. Para temas de control complejo actualmente suele haber un predominio de los Sistemas Electrónicos Digitales.

SENSOR Convierte un parámetro físico en una señal eléctrica

CIRCUITO PARA ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES Interfaz de entrada en la que se usan AO y otro CI

A/D

CPU Y MEMORIA Microcontrolador

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PUERTO DE SALIDA

INTERFAZ DE SALIDA

CARGA (CA o CC)

Sirve como aislación entre el microcontrolador y las cargas de alta tensión. Dispositivos típicos son triacs, SCR, transistores de potencia

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SEÑALES ELÉCTRICAS En los sistemas electrónicos una magnitud física variable se representa generalmente mediante una señal eléctrica que varía de manera tal que describe dicha magnitud. Los dispositivos, circuitos y sistemas electrónicos manipulan señales eléctricas. Es posible clasificar las magnitudes físicas en varios tipos: Magnitud continua (nº infinito de valores): Originan las señales analógicas. Hay muchos tipos de señales analógicas. Las formas más habituales son:    

Tensión Intensidad Frecuencia Amplitud

Magnitud discreta (nº finito de valores): Señal digital con sólo 2 niveles, es decir una señal binaria. Originan las señales digitales (realmente son una abstracción). Ventajas que ofrece la representación mediante señales eléctricas:   

Resulta muy sencillo procesarlas mediante circuitos electrónicos, que son tanto económicos como fiables. Pueden transmitirse sin dificultad a largas distancias (a la velocidad de la luz). Pueden almacenarse para ser posteriormente reproducidas.

Señales periódicas y aperiódicas

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INSTITUTO SAN JOSÉ A-355 – OBRA DON GUANELLA Nivel Medio - Sección Técnica Espectro de frecuencias

Parámetros característicos de las señales

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Distorsión Ningún circuito electrónico es ideal; todos imponen límites en la amplitud y en la frecuencia de las señales que pasan a través de ellos. Esto puede traer como resultado señales que presenten distorsión al pasar a través del sistema. La distorsión puede presentar muchas formas:

Ruido Se trata de una fluctuación aleatoria de la señal, producido por variaciones dentro del sistema o por efectos externos del medio. Tiene varias causas y siempre está presente dentro de los sistemas electrónicos. El más habitual es el denominado ruido blanco, que es aquél que tiene componentes en todas las frecuencias.

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AMPLIFICADORES Definición “Amplificar es agrandar el material (eléctrico) de una información, de modo que ésta, sin verse alterada, se haga inteligible con una mayor claridad ” Un amplificador es un dispositivo que magnifica una señal. La potencia que ofrece en la salida ha de ser mayor que la presente en la entrada; por lo que es necesario el uso de una fuente de energía (fuente de tensión).

u2 = K · u1 Amplificador vs Transformador Las magnitudes eléctricas tensión y corriente de una señal dada no son completamente independientes, sino que vienen ligadas en función de la potencia que transporta una señal. Es posible, manteniendo la potencia de la señal, aumentar su tensión a expensas de su intensidad, o viceversa, pero a esto no podemos llamarlo amplificación (transformador). Para poder hablar de amplificación ha de darse un aumento de la potencia de la señal, bien porque aumenten su tensión e intensidad o bien porque lo haga una de ellas, varíe o no la otra. Por lo tanto, un amplificador puede considerarse también como un conversor de energía, que toma energía de una fuente de alimentación y la transforma en energía de la señal.

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Características ideales del proceso de amplificación Linealidad u1 = a1 • u(w1 ) + a2• u(w 2) + a3 • u(w3) + … u2 = K • u1 = K • a1• u(w1 ) + K • a2• u(w2 ) + K • a3 • u(w3 ) + …. Ancho de banda infinito Sea cual sea la frecuencia de la señal de entrada, la salida del amplificador debe poseerla. Unidireccionalidad El recorrido de la señal es de entrada a salida y la salida no tiene camino de retorno alguno hacia la entrada. Características reales del proceso de amplificación Lo habitual es que los amplificadores reales no cumplan fielmente las características ideales. 

Distorsión no lineal: Cuando la señal de salida presenta en su desarrollo de Fourier frecuencias que no se encuentran en el desarrollo de Fourier de la señal de entrada. El amplificador genera esas nuevas componentes de salida a causa de su no linealidad u2 = K0 + K1 • u1 + K2 • (u1 )2 +



Distorsión de frecuencia: Se produce cuando el amplificador no multiplica por la misma constante todas las componentes (frecuencias de Fourier) de la señal de entrada. K = K(w)



Distorsión de fase: Se produce la fase de las componentes de la señal de entrada sufre un desplazamiento desigual en función de su frecuencia.

INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE CONTROL Definición: Se define un sistema de control como “un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado (consigna) y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana”.

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Elementos de un sistema de control Un sistema de control elemental incluye: a) b) c) d) e)

Unidades de medida. Dispositivos Indicadores. Registradores. Elementos Finales de control (Actuadores) El Propio Proceso a Controlar.

Todos estos elementos constituyen un todo que forman lo que conceptualmente se denomina el lazo de control. Este lazo de control puede ser abierto o cerrado.

En los sistemas en lazo abierto no existe realimentación con el sistema, por lo que no se ajusta el control. Son sistemas más bien dedicados a la monitorización y el registro, no al control.

En los sistemas en lazo cerrado se compara la información de los elementos de medida con una referencia (consigna) y la discrepancia (señal de error) determina la actuación Elementos más usuales de un sistema de medida y control electrónicos: Los sistemas de medida y control electrónicos constituyen hoy por hoy, la forma de implementación más extendida, aunque todavía es posible encontrar excepciones (regulador de Watt).

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En estos sistemas es habitual encontrar los siguientes elementos: 

Sensores: Elemento primario que a partir de la energía del medio proporciona una señal de salida que es función de la magnitud que pretende medir.



Transductor: (del latín tranducere=convertir). Dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente eléctrica. En la realidad es un dispositivo más complejo, ya que puede incluir amplificadores, acondicionadores de señal, conversores A/D, etc.

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Diferencia entre sensor y transductor: En un transductor se produce una conversión del tipo de energía.

Acondicionadores de señal: Reciben la señal de salida de los transductores y la preparan de forma que sea apta para tratarla mediante dispositivos tales como PLC, PC Industriales, microcontroladores, etc. Normalmente, el acondicionamiento de salida suele estar constituido por un amplificador de potencia. Conversores A/D: Adaptan la señal para su posterior utilización por un sistema digital mediante un proceso que suele constar de tres etapas: a) Muestreo: Se toman valores de la magnitud analógica a intervalos determinados de tiempo, denominado tiempo de muestreo. Su inversa constituye la frecuencia de muestreo. Página 14 de 100

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b) Cuantificación: Se representa la magnitud de la señal mediante un nº finito de valores. c) Codificación: Se representa el valor mediante un código determinado (binario de N bits, Gray,…) Es habitual oír hablar de conversores de diferentes tipos: Integración (doble rampa), V a F, Signa -Delta, aproximaciones sucesivas, ½ Flash-Flash, etc. Transmisión de Datos e Instrucciones: Módulo encargado de enviar los datos obtenidos al sistema de control. Hay multitud de métodos: analógicos o digitales, por línea directa o por bus, por red, etc. Suelen ser habituales el bus de instrumentación GPIB (IEEE 488), buses de control industrial como el CAN, VME, VXE…, u otros más clásicos como el RS232, RS485, USB, o incluso a través de Internet (ethernet). Procesado: Determinación de las actuaciones que se aplicarán al sistema físico. Se encarga de realizar tareas tales como: modificación de ganancias, filtrado, linealizaciones, integraciones, diferenciaciones, detección de picos u otro tipo de operaciones más complejas. Visualización y Registro: Almacenamiento de datos importantes, generación de alarmas y almacenamiento de históricos para su análisis posterior. Conversor D/A: Toma la información digital y la convierte en valores analógicos. Dependiendo del actuador, podría ser necesaria una conversión previa. Actuador: Dispositivo que realiza una conversión de energía para modificar el estado del sistema a controlar. Fuentes de alimentación: Dispositivos encargados de suministrar la energía necesaria a todos los elementos electrónicos.

Clasificación de los sistemas de medida y control Es posible clasificarlos atendiendo a diferentes criterios:

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CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES Atendiendo al fundamento físico: Hace referencia a la propiedad física cuya variación produce la excitación. 

Resistivos: Miden variaciones de la resistencia, que consiste en una medida de la oposición del dispositivo a ser atravesado por una corriente eléctrica. Son muy económicos

=

=

siendo la conductividad y la resistividad. Ejemplos: Potenciómetros, Galgas, RTDs, Termistores… 

1

.

Capacitivos: Miden variaciones de la capacidad. Dos conductores separados por un dieléctrico constituyen un condensador. Son muy precisos, el error de carga es mínimo pero no son lineales. =

siendo la constante dieléctrica, la superficie conductora y de separación. Ejemplos: Transductores de posición, nivel, fuerza…

la distancia

 Inductivos: Miden variaciones de la inductancia electromagnética, o magnitud del flujo magnético Φ que atraviesa el dispositivo cuando circula por él una corriente . Son sensibles, resistentes a la humedad, se ven afectados por campos electromagnéticos Φ = siendo la cantidad de espiras. Ejemplos: Transductores de posición, detectores de presencia… Atendiendo a la Alimentación



Activos: Ellos mismos generan una tensión o corriente, no requiriendo por tanto una alimentación externa. Se basan en diferentes efectos: termoeléctrico, piezoeléctrico…



Pasivos: Requieren de una alimentación o excitación externa para generar una señal.

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Atendiendo al Modo de Funcionamiento 

Deflexión: La magnitud medida produce un efecto físico que ocasiona una reacción en el sensor asociada a una variable útil fácilmente medible. Ejemplos: Potenciómetros, galgas, NTCs, RTDs, …



Comparación: Se compara la variable a medir con otra conocida (referencia de medida). El detector de desequilibrio proporcionará la medida del transductor. Ejemplos: Balanza, tubo en U para medida de presión, …

Atendiendo a la Señal de Salida 

Analógicos : La salida del transductor es un nivel de tensión o intensidad que varía de forma continua con la variable a medir dentro del rango de medida del transductor. Suelen emplearse valores normalizados a 0-10V y 4-20mA.



Digitales: La salida está codificada mediante un código binario o en forma de pulsos. Son codificaciones habituales la binaria, Gray, el BCD, …



Todo-Nada : Se consideran un caso particular de los digitales. La salida sólo presenta dos estados: activa o no activa. Ejemplo: Detectores de presencia, …

Atendiendo la Magnitud a Medir:           

Posición Velocidad Aceleración Temperatura Fuerza Par Nivel Presión Flujo Caudal Luminosidad

PROCESO DE MEDICIÓN Con frecuencia, al percibir una magnitud física el objetivo es medirla. El proceso de medición implica la comparación de alguna magnitud por medir con una norma.

Ninguna medición hecha con un sistema real es perfecta. Siempre existe un pequeño error que significa que el resultado obtenido con el sistema de medición es siempre ligeramente diferente del valor real o verdadero de la magnitud que se mide. De hecho el valor real nunca se conoce en verdad, sólo se aproxima mediante la medición. Página 17 de 100

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La linealidad refleja si hay o no una relación lineal entre el valor real y el medido. La no linealidad es difícil de corregir y, por tanto, es un parámetro importante a considerar. El offset o desviación cero refleja el valor medido cuando el sensor debería devolver cero. Genera un error, pero es más fácil de corregir. ERRORES Los errores relacionados con la medición son ocasionados por muchos factores y se pueden agrupar en varias categorías. 

Errores aleatorios o accidentales: Generan resultados diferentes en lecturas repetidas y pueden ser ocasionados por ruido o por variaciones ambientales. Como son aleatorios, a tales errores suelen aplicarse técnicas estadísticas para la reducción de su efecto (promedios).



Errores sistemáticos: Estos errores son constantes y ocasionados por características del sistema como la calibración incorrecta, los límites de definición o los efectos de carga en donde el sistema de medición cambia el valor de la magnitud que está midiendo. Los errores en la técnica que se emplea también pueden generar este tipo de error. No son remediables por medio de técnicas estadísticas ya que si, por ejemplo, un sistema está calibrado de forma incorrecta, cada lectura resultará afectada y el tomar una gran cantidad de lecturas no resolverá el problema. Una dificultad mayor relacionada con esta clase de errores es que no se les puede detectar mediante una disparidad en las lecturas obtenidas. Los errores sistemáticos se pueden reducir por medio de la calibración mejorada o de una mayor atención a la técnica.



Errores ilegítimos: No deberían existir, pero en ocasiones ocurren. Ejemplos de ellos son las equivocaciones en la medición o el cálculo. Estos errores deben eliminarse haciendo un diseño escrupuloso.

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Ejemplo: Fallo del misil Patriot Fuente: GAO (General Accounting Office)/IMTEC (Information Management and Technology Division) -92-26 February 4, 1992 United States

General Accounting Office

Washington, D.C. 20548

Information Management and Technology Division

B-247094

Dear Mr. Chairman: On February 25, 1991, a Patriot missile defense system operating at Dhahran, Saudi Arabia, during Operation Desert Storm failed to track and intercept an incoming Scud. This Scud subsequently hit an Army barracks, killing 28 Americans. After reviewing the facts associated with this incident it has been determined that a computer software problem was involved …………. El Patriot fue inicialmente diseñado para operar en Europa frente a misiles soviéticos que alcanzaban velocidades del orden de MACH 2 ( 1500millas por hora). A fin de ser detectado se diseñó de forma que fuese móvil, de forma que tras unas pocas horas de operatividad pudiese trasladarse a otra localización. Los militares estadounidenses trataron de aprovechar tales características en Arabia Saudí.

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Para localizar el misil, el sistema de detección toma información sobre la velocidad del misil y el tiempo transcurrido desde la última localización. Ambos números reales que deben almacenarse en los registros de 24 bits que posee el sistema, lo que produce una imprecisión en las medidas. En concreto la del tiempo, que se guarda en múltiplos de 1/10.= 1/24 + 1/25 + 1/28 + 1/29 + 1/212 + 1/2 13+ .... que en 24 bits no tiene una codificación exacta; introduciendo un error de 0.0000000000000000000000011001100... binario, ó 0,000000095 decimal. En el momento del accidente la batería antimisil llevaba operativa 100 horas seguidas. Multiplicando por el número de décimas de segundo en 100 horas sale 0,000000095×100×60×60×10=0,34.). El Scud tiene una velocidad de 1676 m/s; por lo que en ese tiempo se desplaza más de medio kilómetro.

RUIDO El ruido existe en todos los sistemas electrónicos. Su presencia aumenta la cantidad de errores aleatorios relacionados con cualquier medición y finalmente provoca una restricción sobre los valores más pequeños que se pueden medir. Para medir la calidad de una imagen frente al ruido se suele utilizar la denominada relación señal-ruido (S/N Ratio), que se define como:

=

ñ

[

] = 20 log

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ñ

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S/N ratio [dB]

S/N ratio:1

Calidad de imagen

60 dB

1000

Excelente. Sin ruido aparente

50 dB

316

Buena. Ligera presencia de ruido, pero prácticamente imperceptible.

40dB

100

Razonable. Grano fino o “nieve” en la imagen; lo que origina la pérdida de ciertos detalles.

30 dB

32

Calidad Pobre, Gran cantidad de ruido

20 dB

10

Inservible

Todos los componentes elect rónicos que poseen resistencia generan lo que se llama ruido térmico o ruido Johnson como resultado del movimiento aleatorio de sus átomos (inducido en forma térmica). Este tipo de ruido pertenece a lo que se denomina ruido blanco ya que presenta component es en todas las frecuencias, con igual potencia de ruido en todas las partes del espectro. Como todos los transductores tienen resistencia, todos producirán ruido térmico que se agrega a su señal de salida siguiendo la ecuación

donde:

= 1,3805 . 10

= (4. . . . )

(Constante de Boltzmann)

: Ancho de banda del sistema de medición

: Temperatura dela resistencia en grados Kelvin : Resistencia en [Ω]

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS:

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

RANGO O CAMPO DE MEDIDA (RANGE): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento; Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ej. : Rango de un medidor de temperatura es de 100°C a 300°C.



ALCANCE (SPAN): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Para el ejemplo anterior el alcance es 200°C.



ZONA MUERTA (DEAD ZONE): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento. Es decir que no produce respuesta. Viene dada en tanto por ciento del Span de la medida. Por ejemplo, si la zona muerta es de ±0.1% del Span (200°C) entonces 0.1x200/100 = ±0.2°C.



CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO: Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida, es mayor que el valor inferior del Rango. El cero de instrumento esta dentro del rango de medición (-25 a 300°C).



ELEVACIÓN DE CERO: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del rango de medición. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en porcentaje de span. Ejemplo: 25°C.



CAMPO DE MEDIDA CON SUPRESIÓN DE CERO : Es aquel campo de medida, en el que el valorcero de la variable o señal de medida, es menor que el valor inferior del campo. El cero de instrumento esta fuera del rango de medición (100 - 300 ).



SUPRESIÓN DE CERO: Es la cantidad con que el valor inferior del rango de medición supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en porcentaje del span (alcance). Ejemplo: 100°C, 50%.



SENSIBILIDAD (SENSITIVITY): Es definida como la razón de un cambio en la salida al correspondiente cambio en la entrada bajo condiciones estáticas o de estado estacionario, se Página 22 de 100

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designa por K. Cuando un transductor saca 5 mV por grados Celsius, la sensibilidad es de 5mV/ °C (relación lineal). La sensibilidad viene dada en tanto por ciento del Span de la medida. Si la sensibilidad de un instrumento de temperatura es ±0.05% (Span = 200), su valor será de 0.05x200/100 = ±0.1 Unidades de salida/°C. 

EXACTITUD (ACCURACY): Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias formas de expresar la exactitud.  Tanto por ciento del alcance. Para el ejemplo anterior que tenia un rango entre 100 y 300 °C y para una lectura de 150ºC con una exactitud de ±0.5% del SPAN, el valor real estará comprendido entre 150ºC ± 0.5*200/100 = 150 ± 1ºC, es decir, entre 149 y 151ºC.  Directamente en unidades de la variable medida. Por ejemplo, se tiene ±1°C de exactitud. En cada valor de temperatura leído hay una incertidumbre (error) de ±1°C.  Porcentaje de la lectura real. Para una lectura de 150ºC con una exactitud de ±1% de la lectura la incertidumbre será de ± 1.5ºC. En este caso la exactitud varía en cada punto del instrumento.  Porcentaje de la lectura a Plena Escala (Full-Scale) del instrumento. Una exactitud de ±0.5% FS en un rango de 100° a 300°C la incertidumbre será de ± 0.5*300/100 = ±1.5°C.  Porcentaje de la longitud de la escala del instrumento. Por ejemplo, si la longitud de la escala del instrumento es de 150mm, y la exactitud de ± 0.5% representará una incertidumbre de ± 0.75mm.

La exactitud varía en cada punto del campo de medida del instrumento, aunque el fabricante la especifica en todo el margen del instrumento. Esto quiere decir que el instrumento puede tener una exactitud por ejemplo en la zona central de la escala y otra totalmente diferente en sus extremos. Por eso cuando se desea obtener la máxima exactitud en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para ese punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida.



FIDELIDAD (PRECISION): Suele confundirse con exactitud, pero una medición precisa puede no ser una medición exacta. Si el medidor está expuesto a la misma entrada en varias ocasiones y los resultados tienden a permanecer estrechamente juntos, entonces se dice que el instrumento es de alta precisión. La fidelidad implica que tenga simultáneamente una conformidad en las sucesivas lecturas y un número alto de cifras significativas y es, por tanto, una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud.

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

FIABILIDAD: Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de limites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificas.



REPETIBILIDAD (REPEATIBILITY): Es la capacidad de reproducción de la señal de salida del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. Se considera en general su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del Span; un valor representativo es el de ±0,1 %. 0,1 x 200 / 100 = ±0,2°C. Nótese que la repetibilidad no incluye la histéresis.

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

REPRODUCTIBILIDAD: Término aplicado a la capacidad de un sistema de medida o instrumento para mostrar la misma lectura para una entrada en distintas ocasiones, pero bajo las mismas condiciones y a lo largo de un período de tiempo determinado. Por ejemplo un valor representativo sería ±0,2% del alcance a lo largo de un período de 30 días. La repetitividad es la reproductibilidad cuando se aplica una entrada constante repetidamente en cortos intervalos de tiempo, bajo las mismas condiciones.



HISTÉRESIS (HYSTERESIS): Máxima diferencia entre lecturas, para la misma entrada. Cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del span de la medida. Ej: Si en un termómetro de rango 0 - 100°C, para el valor de la variable 40°C el instrumento marca 39,9 al subir la temperatura desde 0, e indica 40,1 al bajar la temperatura desde 100°C, el valor de histéresis es de : (40,1 – 39,9)*100/(100-0)= 0,2% del span ±0,2°C.



RESOLUCIÓN: Es el mínimo valor medible de un cambio en la variable de entrada. Esta característica del instrumento sólo puede ser cambiada por re-diseño. Generalmente es expresada como un porcentaje del alcance de medida. En algunos casos, la resolución de un sistema de medición es limitada por la sensitividad del acondicionador de señal asociado. Cuando esto ocurre, la resolución puede ser mejorada empleando un mejor acondicionamiento. En sistemas digitales, la resolución es una cantidad perfectamente definida que es simplemente el cambio en la variable dinámica, representada por el cambio de 1 bit en la palabra binaria de salida. En éstos casos, la resolución puede ser mejorada, sólo con una codificación diferente de la información análoga, o adicionando más bits a la palabra. La resolución se expresa como un porcentaje de la lectura a plena escala (FS).



DERIVA (DRIFT): variaciones en la señal de salida, que se presentan en un período de tiempo determinado, mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Causas: Variaciones Fuentes de Alimentación, componentes, etc.  DERIVA DE CERO: Variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna.  DERIVA TERMICA DE CERO: Variación en la señal de salida a medida cero, debido a los efectos únicos de la temperatura. La deriva se expresa como porcentaje de la señal de salida a escala total (FS) a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variación de la temperatura. Por ejemplo la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2% del alcance(span).



LINEALIDAD: Máxima desviación comparando la relación entrada /salida y la línea recta más aproximada. Se expresa esta desviación como un porcentaje de la escala total (FS). Ejemplo: Un transductor tensión/presión tiene una linealidad de 8% FS (rango 0-100 psi), 8 x 100/100=8 psi → desviación máxima para una tensión dada. Página 25 de 100

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Aproximación lineal: Recta que aproxima la curva entrada/salida sobre un rango. Ej: La ecuación para la figura siguiente es:



TEMPERATURA DE SERVICIO (O DE OPERACIÓN): Rango de temperaturas en el cual se espera que trabaje el sistema dentro de límites os de error especificados.



VIDA ÚTIL DE SERVICIO: Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento mas allá de tolerancias especificadas.



CALIBRACIÓN: Calibración es el proceso de comparar un instrumento de exactitud desconocida, para asegurar que funcione dentro de los límites de la tolerancia especificada por el fabricante, o que tenga la exactitud requerida en el trabajo para el que fue escogido. El instrumento estándar para comparación es normalmente de una exactitud de por lo menos cuatro veces mayor que el instrumento a calibrar y cuando no se puede tener éste estándar, se toma el promedio de varios estándares. Una Calibración estática es una calibración realizada de manera que da tiempo al elemento para que su salida se sitúe en un valor fijo. Página 26 de 100

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Una Calibración dinámica es a menudo una comparación del elemento a calibrar con otro estándar, que es mucho más rápido.

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Si la señal de entrada a un elemento se modifica de repente de un valor a otro, la señal de salida no cambia de forma instantánea a su nuevo valor. La manera en que un elemento responde a cambios súbitos de entrada se conoce como características dinámicas del elemento.  RESPUESTA EN EL TIEMPO (RESPUESTA TRANSITORIA): Viene acotada por los siguientes parámetros:  Error Dinámico: Diferencia entre el valor indicado y el real, siendo nulo el error estático.  Velocidad de respuesta: Rapidez con la que responde a los cambios en la variable de entrada.  Tiempo de subida (Rise Time-tr): Tiempo transcurrido desde que la salida tiene el 10% de su valor final hasta que esta alcanza el 90% de dicho valor. En los denominados sistemas subamortiguados es el tiempo que tarda el sistema en llegar por primera vez a su valor final.  Tiempo de establecimiento (setting time-ts): Tiempo que se requiere para que la salida está acotada dentro del 2 ó 5% del valor final, según el criterio que se adopte.  Sobreimpulso (Overshoot-Mp): Valor máximo que sobrepasa la salida a su valor final.

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Atendiendo a su respuesta transitoria, es habitual catalogar los sistemas en los siguientes tipos: 

Sistemas de Orden 0: Su salida se rige por la ley

dond

( )

= .

( )

es la denominada sensibilidad del sistema.

Ejemplo de tales sistemas lo constituyen los potenciómetros, constituidos por resistencias y cumpliendo por tanto la ley de Ohm = . 

Sistemas de Orden 1:

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Ejemplo: Sensor de temperatura

RESPUESTA EN FRECUENCIA Se obtiene al variar la frecuencia de una onda seno de amplitud constante aplicada a la entrada del sistema, a fin de analizar cómo varía la sensibilidad del elemento con la frecuencia de la señal de entrada. Interesa siempre trabajar en la zona plana de la curva de respuesta (zona con sensibilidad independiente de la frecuencia).

Sistemas de Orden 0

Sistemas de Orden 1

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CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA/SALIDA Variables de esfuerzo y de flujo: Su definición depende de la naturaleza de la variable que se mida. 

Variables Mecánicas  Variable de esfuerzo: Se mide en un punto o región del espacio (escalar) (Ej.Fuerza).  Variable de flujo: Se mide entre dos puntos o regiones del espacio (vector) (Ej.Velocidad).



Variables no Mecánicas:  Variable de esfuerzo: Se mide entre dos puntos o regiones del espacio (vector) (Ej.Tensión eléctrica ).  Variable de flujo: Se mide en un punto o región del espacio (escalar) (Ej. Corriente).

Al medir se produce un error por carga, esto es, hay un error intrínseco en la variable medida ya que se extrae energía en el proceso de medición. Se define la impedancia de entrada ( ) como: ( )

Si se desea medir:

=

( ) ( )

Una variable de esfuerzo

Interesa

alta

Una variable de flujo

Interesa

baja

Se define la impedancia de salida como la modificación de la medida según la potencia extraida. DIAGRAMAS P&I Los diagramas P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) constituyen una norma de uso recomendado para la representación de instrumentos, estandarizado a través de la norma DIN/ISA-S5.1 emitida por la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA, Instrument Society of America). Según esta norma, el instrumento se representa por un círculo con una serie de letras en su interior que indican su función y, adicionalmente, un número que indica a qué bucle de control pertenece.

Símbolos para instrumentos o Funciones Situación Primaria accessible para El operador Instrumento Discreto

Control o display compartido

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Field mounted

Situación Auxiliar accessible para El operador

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Función de Cómputo

Control Lógico Programable Notas: 1. El tamaño del símbolo puede variar de acuerdo a los requerimientos del usuario o tamaño del documento. 2. El usuario puede usar sus propias abreviaciones para indicar la situación del elemento. 3. Los dispositivos inaccesibles (tras un panel) tendrán el mismo símbolo, pero presentarán una línea horizontal punteada

El significado de cada letra es el siguiente:

Letras de Identificación Primera Letra Medida o Valor Inicial

Letras Sucesivas

Modificador

Tipo de Lectura o Función Pasiva

A Analysis

Alarm

B Burner, combustion

User's choice

C User's choice D User's choice

User's choice

Sensor (primary element) Ration (fraction) Glass, viewing device

H Hand Current (electrical)

J

Power

K Time, time schedule

High Indication Scan Time rate of change

L Level M User's choice

Control station Light

Middle, intermediate User's choice

O User's choice

Orifice, restriction

P Pressure, vacuum

Point (test connection)

User's choice

Integrate, totalizer

R Radiation S Speed, frequency

Low

Momentary

N User's choice

Q Quantity

User's choice

Differential

G User's choice

I

Modificador

Control

E Voltage F Flow rate

Función de salida

Record Safety

Switch

T Temperature

Transmit

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User's choice

INSTITUTO SAN JOSÉ A-355 – OBRA DON GUANELLA Nivel Medio - Sección Técnica U Multivariable V

Multifunction

Vibration, mechanical analysis

Y

Event, state, or presence

Z Position, dimension

Multifunction

Multifunction

Valve, damper, louver

W Weight, force X Unclassified

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Well X axis

Unclassified

Unclassified

Y axis

Relay, compute, convert

Z axis

Driver, actuator

Unclassified

Source: Control Engineering with data from ISA S5.1 standard

La primera letra indica siempre la variable que se mide o controla. Por ejemplo, T se refiere a la variable temperatura. A veces se usa una letra adicional a esta, denominada modificadora de la primera letra para indicar diferencia (D) relación (F), etc. De la variable medida. Así TD significaría diferencia de temperatura. La segunda letra describe la función cumplida por el elemento. Si tiene varias funciones primero se colocan las relativas a funciones pasivas (I - Indicación, R -Registro…) y luego las activas (T- Transmisión, C-Control Analógico, S-Interruptor…). Por ejemplo:   

PT : Transmisor de presión (primera y segunda letra) PDT: Transmisor de Diferencia de Presión (primera letra con su modificadora y segunda). PIT: Transmisor de Presión con Indicador Local.

A continuación se ponen números que relacionen los instrumentos con equipos o lugares de la instalación. Eventualmente pueden colocarse letras para asegurar que el elemento quede perfectamente identificado sin ambigüedades.

Líneas de conexión Conexión al proceso o alimentación al instrumento: Señal Neumática o señal sin definir (usan gas como medio de transmisión) Señal eléctrica Tubo capilar (Sistema lleno): Señal hidráulica Señal electromagnética o sonido (guiada): (Si no es guiada se representa con una onda senoidal) Enlace Interno del sistema (software or data link):

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Ejemplo:

    

FE-110: Elemento primario de medición de caudal. Como se colocaron las dos barras sobre la línea de caudal indica que se trata de una placa orificio con tomas de brida. FIT-110: Transmisor conectado al elemento anterior, con un indicador local (I). Este transmisor es electrónico ya que la señal de salida está dibujada con guiones. FY110A: Relé que extrae la raíz cuadrada de la señal y se usa el sufijo A ya que el mismo lazo contiene otro relé. FRC-110: Controlador que presenta una letra modificadora R que significa que posee un registrador (dispositivo de almacenamiento de datos). FY-110B: Relé conversor de señal eléctrica a señal neumática (en línea de trazo continuo con un doble guión cortándola).

 FV-110: Se trata del elemento final de control, consistente en una válvula con actuador neumático.

SENSORES BASADOS EN EFECTOS RESISTIVOS: INTRODUCCIÓN Se agrupan dentro de este grupo todos aquéllos sensores en los que el proceso de medición se traduce en una medida de variaciones de la resistencia, la cual consiste en una medida de la oposición del dispositivo a ser atravesado por una corriente eléctrica.

siendo

la conductividad y

=

=

1

.

la resistividad. Ejemplos: Potenciómetros, Galgas, RTDs, Termistores…

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POTENCIÓMETROS

Definición

Símbolo Potenciómetro

Reóstato

Un potenciómetro se define como una resistencia con un contacto móvil deslizante (cursor),accionado normalmente por desplazamiento lineal o relativo, que desde el punto devista dinámico(suponiendo despreciable la resistencia delcursor) constituye un sistema de orden 0.

Se puede observar que la resistencia entre el cursor y uno de sus terminales es proporcional al desplazamiento del mismo.

=

. . (1 − ) =

. . (1 − )

donde: Rp = resistencia nominal del potenciómetro. = la resistividad del material. L = longitud del material. S = sección transversal. x = desplazamiento del cursor a partir de uno de sus extremos. = fracción de longitud correspondiente 0 ≤ ≤ 1 Rn·a = resistencia entre el terminal de referencia y el cursor.

Equivalente Thévenin Suponiendo que el potenciómetro se alimenta con una tensión V y que Rp es la resistencia nominal del potenciómetro, su equivalente Thévenin quedaría:

Ventajas e inconvenientes de su utilización. El comportamiento descrito es ideal e implica aceptar algunas simplificaciones cuya validez no se puede garantizar en todos los casos. Se asume que:  

La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue una ley determinada. El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia continua (no a saltos) por tanto, la resolución es infinita. Para potenciómetros con resolución elevada, pero no infinita, deben tenerse en cuenta el ruido debido a factores como el polvo, la humedad, oxidación o desgate. Página 34 de 100

INSTITUTO SAN JOSÉ A-355 – OBRA DON GUANELLA Nivel Medio - Sección Técnica 





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Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su inductancia y capacidad deben ser despreciables.  Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es despreciable, sobre todo para potenciómetros bobinados.  Para valores de Rp altos, la capacidad parásita puede tener importancia. La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto al medio que lo rodea como al propio auto calentamiento. Existe una relación entre tensión aplicada y potencia disipada: demasiadas pérdidas en el núcleo).  varía con la corriente => limitarse a tensiones inferiores a 15 V eficaces.  Ventajas: El circuito magnético esta mas definido => mas insensible a campos externos, produce menos campo de interferencias y las variaciones de inductancia son mayores.  Inductancias nominales empleadas: 1 a 100 . Página 63 de 100

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Características:  





Necesitan un apantallamiento magnético a su alrededor, ya que los cambios magnéticos parásitos afectan a L. L y R no son constantes sino que varían hacia los extremos del mismo porque el campo deja de ser uniforme. El flujo magnético disperso es mayor que el flujo eléctrico disperso en los condensadores. Esto limita el alcance de medida y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos próximos. L y R son inversamente proporcionales: si el parámetro variable es la longitud, el dispositivo tendrá una impedancia inversamente proporcional a la misma. Si lo que varía es , entonces hay proporcionalidad entre la impedancia y la magnitud a medir. Todos los materiales basados en propiedades magnéticas deben trabajar a T° inferior a la de Curie → limita su aplicación.

Entre las principales ventajas destacaremos las siguientes:   

Les afecta poco la humedad ambiente y otros contaminantes, a diferencia de los sensores capacitivos. Imponen poca carga mecánica, aunque superior a la de un condensador variable. Alta sensibilidad, superior a la de los sensores capacitivos.

Aplicaciones:   

Medida de desplazamiento y posición, y detectores de proximidad de objetos metálicos, en particular en entornos industriales, con polvo y vibraciones. En esas condiciones, los interruptores electromecánicos y ópticos tienen escasa fiabilidad. Estos sensores también pueden medir otras magnitudes si un sensor primario apropiado las convierte en un desplazamiento.

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Sensores basados en corrientes de Foucault: Si un conductor magnético macizo se mueve a través de un campo magnético no uniforme o se somete a la acción de campos oscilantes se inducen en el metal unas corrientes circulantes denominadas corrientes de Foucault o “Eddy currents”.

La intensidad de estas corrientes depende de la potencia del flujo magnético, así como de la velocidad del cambio, es decir la frecuencia de la fuente de alimentación alterna aplicada. En los sensores inductivos se aprovecha el efecto de estas corrientes, para detectar la presencia de objetos metálicos. La impedancia de una bobina por la que circula una corriente alterna queda alterada si se introduce una superficie conductora dentro de su campo magnético. Esto es debido a que se inducen corrientes de Foucault en la superficie conductora, de manera que estas crean su propio campo magnético que es opuesto al de la bobina.

Características: Para poder emplear este método, el espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración, que viene dada por:

donde

 

es la conductividad. su permeabilidad. la frecuencia de la corriente.

=( . .

)

La gran ventaja de estos sensores es que no requieren materiales ferromagnéticos para su funcionamiento. Pueden emplearse a temperaturas muy altas (> 600°C)

Configuraciones habituales:  

Bobina perpendicular a una superficie metálica (freno en trenes). Manguito conductor que desliza sobre la bobina. Página 65 de 100

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Transformadores diferenciales (LVDT) El transformador diferencial de variación lineal se designa normalmente por sus siglas inglesas LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de dos secundarios al desplazarse en su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.

Al alimentar el primario con una tensión alterna, en el secundario aparece una tensión cuyo módulo es proporcional al desplazamiento (x) del núcleo, dentro de unos márgenes. Según se muestra en la figura, el desplazamiento puede ser positivo o negativo con respecto a la posición de equilibrio, para la cual la salida vale cero. Obsérvese que los devanados del secundario se conectan en oposición serie. Esta es la forma de conseguir que la salida valga cero en la posición de equilibrio, para la que la tensión es igual en ambos. De lo dicho anteriormente se desprende que el LVDT puede ser considerado como un generador de tensión alterna, con frecuencia igual a la de excitación del primario, modulada en amplitud por el desplazamiento del núcleo.

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Limitaciones del LVDT: 



En la posición central la tensión de salida no pasa por cero: en los dispositivos reales es imposible conseguir una simetría total en los dos bobinados y circuitos magnéticos del secundario, por esto, en la posición de equilibrio, la tensión no pasa por cero sino por un mínimo. Normalmente es inferior al 1% del fondo de escala. La temperatura puede modificar la ganancia del LVDT: un aumento de temperatura del dispositivo incrementa al alza la resistencia del primario, con lo que baja la corriente y con ella la tensión de salida. Por esta razón, en ocasiones es recomendable una alimentación del primario en corriente. Cuando la frecuencia de alimentación es alta, predomina L1 sobre R1 y el efecto de la temperatura es menor.

Ventajas del LVDT:  

 

 

Resolución: en teoría es infinita, en la práctica muy alta, superior al 0.1% del fondo de escala. Carga mecánica mínima: al ser muy bajo el rozamiento entre el núcleo y los devanados, la fuerza necesaria para producir el desplazamiento es prácticamente despreciable. A esta fuerza de arrastre hay que añadir la fuerza magnética que se ejerce sobre el núcleo. Es proporcional al cuadrado de la corriente del primario, es cero en la posición central y aumenta linealmente con el desplazamiento. En todo caso, la fuerza total resultante es mucho menor que la que hay que aplicar para desplazar el cursor de un potenciómetro. Duración casi ilimitada y alta fiabilidad: esto es consecuencia del bajo rozamiento de la única parte móvil, el núcleo. Su tiempo medio antes de fallar puede ser de hasta 2x106 hs. (¡228 años!) Aislamiento eléctrico: entre el circuito primario y el secundario. Y también entre el elemento sensor (núcleo-vástago) y el circuito eléctrico, ya que hay un acoplamiento magnético. Esto tiene interés cuando se realizan medidas en atmósferas peligrosas (gases y líquidos inflamables), porque queda limitada la energía que se puede disipar dentro del recinto de medida. Alta linealidad: en muchos casos hasta del 0.05% del fondo de escala. Alta sensibilidad: dependiente de la tensión y frecuencia de alimentación del primario y, de la resistencia de carga del secundario (RC).

 Respuesta dinámica elevada: consecuencia de la baja inercia del núcleo, entre otros factores. Aplicaciones del LVDT: Las medidas de desplazamiento y posición: son las aplicaciones más inmediatas de los LVDT. En articular, es muy frecuente su uso como detectores de cero en servosistemas de posición. Los alcances de medida pueden ir desde ±100 ± 25 .

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Otras magnitudes: aquí también, mediante el empleo de los sensores primarios adecuados, es posible medir magnitudes cuya variación pueda ser transformada en un desplazamiento del núcleo. Esto ocurre en el caso de presiones, aceleraciones, niveles de líquidos, etc.

Transformadores variables: Se trata de un transformador en el que los devanados admiten un desplazamiento relativo (angular o lineal) entre ellos. Como consecuencia del desplazamiento cambia la inductancia mutua y, por tanto, la tensión inducida en el secundario.

La tensión de salida tiene la misma frecuencia que la de entrada, pero su amplitud depende de la inclinación relativa entre los devanados, aunque no es proporcional. Este principio de medida se presta bien a las aplicaciones donde hay que determinar una posición o desplazamiento angular. Por su construcción, aguantan temperaturas y humedades más altas que otros sensores de desplazamiento angular y soportan bien choques y vibraciones, por lo que están considerados unos sensores robustos.

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Transformador síncrono trifásico (SINCROS) Es un caso particular de transformador variable. Consta de un estator cilíndrico de material ferromagnético, con tres devanados dispuestos espacialmente a 120º y conectados en estrella, y un rotor, también de material ferromagnético, con un devanado, que gira solidario al eje cuya rotación se desea medir. La excitación se produce en el rotor. En la figura se muestra un esquema simplificado. Aplicando el resultado obtenido para el transformador variable y admitiendo que los tres estatores están en vacío:

Resolvers o revolucionadores: Son otro tipo de transformadores variables, similares a los sincros, pero con devanados dispuestos formando un ángulo de 90º en el estátor y en el rotor. El formato de representación de ángulos es distinto, pues se emplean dos tensiones en vez de tres. La conexión y la denominación del dispositivo cambia según la aplicación pretendida. En los llamados generadores de seno y coseno (“vector resolver”) hay un devanado en el rotor actuando de primario y dos devanados en el estator actuando de secundario. Las tensiones inducidas son:

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SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS: Los sensores vistos hasta el momento se pueden describir bien mediante uno o dos condensadores variables, o bien mediante una o más inductancias mutuas o inductancias mutuas variables. Existen otros dispositivos 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.

Sensores basados en la ley de Faraday: Ley de Faraday: La inducción electromagnética fue descubierta casi simultáneamente y de forma independiente por Michael Faraday y Joseph Henry en 1930. La inducción electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.

Supongamos que se coloca un conductor eléctrico en forma de circuito en una región en la que hay un campo magnético. Si el flujo Φa través del circuito varía con el tiempo, se puede observar una corriente en el circuito (mientras el flujo está variando). Midiendo la f.e.m inducida se encuentra que depende de la rapidez de variación del flujo del campo magnético con el tiempo.

. .

.=

=

=−

El significado del signo menos, es decir, el sentido de la corriente inducida se muestra en la figura. Además, en el caso de tener una bobina con espiras, la tensión o fuerza electromotriz inducida que aparece en ésta viene dada por la expresión:

. .

.(

)=

=

=− .

Tacogeneradores o Tacómetros: Su fundamento es similar al de un generador de energía. Se dispone de un circuito de N espiras con un movimiento relativo de giro con una velocidad w, respecto a un campo fijo, de densidad de flujo . La tensión inducida será entonces:

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Se induce, por tanto, una tensión alterna de amplitud y frecuencia proporcionales a la velocidad de giro. El sensor sería mucho más práctico si sólo variara la amplitud con la velocidad de giro. Para conseguir esto, se emplea una disposición como la que se muestra en la figura. Hay dos devanados, uno de excitación y otro de detección, dispuestos con un desfase espacial de 90°. El rotor, cuya velocidad de giro se pretende medir, está formado por una serie de espiras cortocircuitadas dispuestas alrededor de un tambor. Es lo que se denomina rotor en jaula de ardilla. Si el devanado de excitación se alimenta con una tensión alterna de amplitud constante y frecuencia , al girar el rotor a una velocidad , en el devanado de detección, se obtiene una tensión de salida:

( . + Φ)

= . . Sensores de velocidad lineal (LVS):

Se basan en la ley de Faraday aplicada a un conductor de longitud

que se mueve con velocidad lineal

perpendicular a un campo magnético con densidad de flujo . La tensión inducida será:

=

Este tipo de sensores obtiene sensibilidades de 10

Sensores basados en el efecto Hall:

. .

y un ancho de banda 10 − 1000

.

El efecto Hall, descubierto por E. H. Hall en 1879, consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta.

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El sentido de la tensión obtenida para el caso de un semiconductor, depende del tipo de portadores de corriente mayoritarios, sobre estos actúa una fuerza (Fuerza de Lorentz).

Se produce así una acumulación de cargas en las superficies que dan origen a una tensión tal que la fuerza sobre los portadores equilibra la fuerza debida al campo magnético. Como la dirección de la fuerza depende del tipo de portadores mayoritarios, la tensión de Hall tiene distinto signo para un material semiconductor tipo que para uno tipo .

= Donde

. .

es el grosor del material en la dirección del campo magnético aplicado. es la corriente que circula por el material. es el campo magnético aplicado. es el coeficiente de Hall, que recoge propiedades eléctricas del material (densidad de carga y movilidad de los portadores).

No obstante, este comportamiento descrito es un tanto ideal, en la práctica, y en lo que concierne a los sensores la tensión de Hall también depende de otros factores como son:

 Presión: la dependencia de la presión es un factor a tener en cuenta por el fabricante al encapsular el 

componente. Temperatura: por una parte afecta a la resistencia del material y por otra a la movilidad de los portadores mayoritarios.

Aplicaciones típicas:   

Medición de campos magnéticos (gaussímetros) Realización del producto de dos magnitudes que se convierten en una corriente eléctrica. Ej. Medición de la potencia eléctrica (Vatímetrros). Medición de intensidad.

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SENSORES GENERADORES: Termopares (sensores termoeléctricos) Efecto Seebeck: (Thomas J. Seebek 1822). En un circuito de dos metales distintos y homogéneos, A y B, con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica. Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica. Si el circuito está abierto aparece una fuerza termoelectromotriz que depende de los dos metales y de las temperaturas entre las uniones.

Al conjunto de la unión de estos dos metales de le denomina TERMOPAR. Efecto Peltier: (Jean C. A. Peltier 1834). Consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales distintos al pasar una corriente por ellos. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor.

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Efecto Thompson: (William Thompson 1847). 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 cambia de signo con ella.

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 siguiente tabla.

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Aplicaciones: 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 0°C 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. La tabla mas abajo mostrada, refleja la salida en correspondiente a distintas temperaturas de la unión de un termopar tipo J referenciado a 0°C.

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En sistemas automáticos se emplean polinomios que aproximan las tablas con exactitud en función de su orden.

Donde

es la tensión obtenida. es la temperatura.

=

+

. +

.

Según la aplicación se dispone de diferentes tipos de uniones:

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+

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Normas de aplicación práctica para termopares: Ley de circuitos homogéneos: En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque varíe la sección transversal del conductor.

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.

Ley de las temperaturas intermedias: Si dos metales 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.

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Compensación de la unión de referencia: Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia.

Solución de gran exactitud y fiabilidad, pero de alto costo y difícil mantenimiento. Una solución que permite usar un hilo más económico se muestra en la siguiente figura

Si el margen de variación de la T° ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión al aire.

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Compensación electrónica de la unión de referencia: Consiste en detectar las variaciones de la unión de referencia con otro sensor colocado en la vecindad de la unión de referencia y se suma una la tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe ser estable.

SENSORES PIEZOELÉCTRICOS: Efecto piezoeléctrico: 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. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.

Materiales:  

Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina Sintéticos : ceraminas

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Aplicaciones: 

Detección de magnitudes mecánicas

Limitaciones:     

No poseen respuesta en CC. Deben trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del material. Los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura (Cuarzo hasta 260ºC y la turmalita 700ºC). La impedancia de salida de los materiales piezoeléctricos es muy baja. Algunos materiales piezeléctricos son delicuescentes.

Ventajas: 

Alta sensibilidad y bajo costo.



Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas < 1microm), apta para medir variables esfuerzo (fuerza presión).

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La siguiente figura muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia .

SITEMAS DE MEDIDA INTELIGENTES - SENSORES DIGITALES (ENCODERS). ENCODERS ÓPTICOS Definición: El encoder óptico es un sensor que permite detectar el movimiento de rotación de un eje. Es en definitiva un transductor que convierte una magnitud (posición lineal y angular) en una señal digital. El encoder opera solidario al eje del elemento cuya posición se desea determinar. Utiliza luz para obtener la medida.

Se basan en optoacopladores: Un diodo fotoemisor y un transistor fotoreceptor. Detectan la presencia/ausencia de luz a través de un disco solidario al eje, con ranuras radiales.

Tipos de encoders ópticos: 

Incrementales:  Dan salidas serie de acuerdo con el ángulo del eje de rotación, mientras éste gira.  No dan salida si el eje está parado.  Es necesario un contador para conocer la posición del eje.

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

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Absolutos:  Dan una salida paralelo (codificada), indicando la posición angular del eje.

Encoders incrementales, atendiendo a su salida se clasifican en: 

Unidireccionales:  Dan una sola salida A.  No se puede determinar el sentido de giro.



Bidireccionales:  Dan dos salidas serie A y B.  Se distingue el sentido de giro por la diferencia de fase.



Salida de paso por cero  Un pulso por vuelta Z.

La resolución se mide por el número de pulsos de la salida por cada revolución del eje. Cuantas más ranuras tenga el disco, mayor será la resolución del encoder. Las ranuras de la salida A están desplazadas (1/4 + 1/8) de periodo T respecto de las de la salida B. Diferencia de Fase (sentido de giro): Si gira en sentido horario la fase A está adelantada y si gira en sentido antihorario, retrasada respecto de la fase B.

Encoders absolutos: La salida paralelo, puede estar codificada en: 

BCD (Binario Codificado a Decimal)



Gray: El cambio de números sucesivos se realiza con la conmutación de un solo bit, minimizando la posibilidad de errores. DECIMAL 00010203040506070809101112131415-

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

BCD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 0001 0010 0011 0100 0101

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GRAY 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 0001 1010 1011 1001 1000

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Cada salida está conectada a un optoacoplador. Los discos codifican la salida mediante la anchura y la distribución de las ranuras, franjas o pistas.

Tipos de salidas:

Parámetros del encoder. 

Resolución:  Número de pulsos por revolución del eje.  Típicas: 10, 60, 100, 200, 300, 360, 500, 600, 1000 y 2000.



Respuesta máxima en frecuencia  La frecuencia máxima a la cual el encoder puede responder eléctricamente.

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 En los encoders increméntales es el máximo número de pulsos de salida que se pueden emitir por segundo. 

Velocidad máxima de rotación  El número máximo de revoluciones que el encoder puede soportar mecánicamente.  La velocidad del eje del encoder debe respetar la velocidad máxima de rotación y la frecuencia máxima de respuesta.

 Frecuencia >

Resolución



Par de arranque:  Cuanto menor sea más sencillo es de arrancar.



Momento de inercia  Es el momento de inercia de rotación del eje.  Cuanto menor sea más sencillo es de parar.

Precauciones: 

Acoplamiento del eje:  Hay que tener en cuenta las pequeñas tolerancias que puede llegar a absorber el acoplamiento.  Tolerancia de excentricidad  Distancia radial entre los ejes del encoder y del motor.  Tolerancia de inclinación  Ángulo entre los ejes del encoder y el motor.  Tolerancia de desplazamiento axial  Distancia axial entre los ejes del encoder y del motor.  Existen acoplamientos de plástico y de metal.



Cableado:  No cablear las líneas de alimentación del encoder junto a las de potencia o alta tensión.  Para alargar el cable considerar la frecuencia de trabajo. Puede distorsionarse la forma de onda. Se recomienda el modo de salida driver de línea.  Cuando se conecta o desconecta el encoder se puede generar un pulso erróneo. Esperar 100 ms.

Ajuste de la posición inicial: Con la salida de paso por cero y el chaflán del eje del encoder, el ajuste de la posición inicial es sencillo.

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Prevenciones: 

Prevención de contaje erróneo:  Cuando el encoder se para próximo al flanco de subida o bajada, se puede generar un impulso erróneo.  Para prevenir este efecto se debe usar un contador reversible.



Extensión de la salida de driver de línea.  Se recomienda utilizar pares de cables trenzados y un receptor RS-422A.  De este modo se elimina el ruido en modo común.

Curvas características: 

Vida del soporte:  Muestra la duración del soporte del encoder, número de revoluciones, al ser sometido a cargas axiales (Ws) y radiales (Wr).



Extensión del cable  El tiempo de subida de los impulsos de salida aumenta al alargar el cable. Esto afecta a las características de fase diferencial de las fases A y B.  La tensión residual de salida también aumenta, lo cual nos limita el valor de la carga.

Vida del soporte: Muestra la vida útil en revoluciones del soporte con cargas axial y radial.

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Extensión del cable: El tiempo de subida y la tensión residual aumentan en función de la longitud del cable de salida.

Resistencia y Normalizaciones: Grados de protección IP

Homologaciones y Normalizaciones:        

CENELEC: Compatibilidad europea. NAMUR: Ambientes explosivos. DIN: Dimensiones, formas, códigos de color. Alemana. VDE: Seguridad eléctrica. IEC: Internacional. ISO. UL: Estados Unidos. Pruebas para componentes. “Listing Mark” y “Recognition Mark” CSA: Canadiense. Página 86 de 100

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Aplicaciones: 

Detección del ángulo y posición de un brazo de robot industrial con seis grados de libertad.



Detección de la tabla XY en máquinas herramienta con control numérico.



Detección de la longitud de un hilo y del punto de corte.

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INSTITUTO SAN JOSÉ A-355 – OBRA DON GUANELLA Nivel Medio - Sección Técnica 

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Detección de la coordenada en una máquina automática de dibujo y detección de la posición en máquinas con control numérico.

Conexión a periféricos: Mirar para cada modelo de encoder las posibilidades concretas de conexión en el catálogo.        

Contadores digitales (H7BR, H7CR, ...) Controladores de sensores (S3D2, S3D8) Tacómetros digitales Procesadores inteligentes de señal (K3Nx) Schmidt CMOS Schmidt TTL, LSTTL Contadores de alta velocidad de autómatas. Unidades de control de posición.

SENSORES INTELIGENTES. Un sensor inteligente es el que combina la función de detección y alguna de las funciones de procesado de señal y comunicación. Estas funciones suelen realizarse por un µP, por ello a cualquier combinación sensor-µP se le denomina sensor inteligente. Un sensor inteligente posee una amplia gama de funciones además de las de transducción, entre ellas podemos reseñar:        

Acondicionamiento de señal correcciones de cero, ganancia y linealidad compensación ambiental (temperatura humedad) escalado conversión de unidades comunicación digital autodiagnóstico detección y acción sobre el sistema al que se conecta. Página 88 de 100

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Por ello los sensores inteligentes incorporan al menos algún algoritmo de control (PID, PD) y capacidad de comunicación digital. La repercusión de un sensor inteligente en un sistema electrónico de medida y control es que reduce la carga sobre controladores lógicos programables, tales como PLC, o PC, aparte de aumentar la fiabilidad del sistema.

Sistemas de comunicación para sensores: La señal procedente del sensor una vez acondicionada debe ser transmitida. Para distancias cortas se suelen emplear transmisión por hilos, como, par trenzado, cable coaxial, línea telefónica, con el inconveniente de baja velocidad de transmisión y ancho de banda. Para distancias muy grandes, se utiliza la telemedida vía radio. Esta posee un ancho de banda y velocidad mayores. En presencia de interferencias electromagnéticas y cuando es requerido un gran ancho de banda se utiliza fibra óptica. Si la información se transmite en forma de tensión continua proporcional a la magnitud medida, la distancia cubierta debe ser pequeña, ya que en un entorno industrial las tensiones parásitas inducidas en el bucle formado por los conductores pueden falsear las medidas(los cables apantallados son caros). La telemedida por frecuencia posee mayor inmunidad a las interferencias, pero no existe una normativa explicita entre los distintos fabricantes. Además las señales de frecuencia pueden ser fuente de interferencias en circuitos próximos. La telemedida en corriente supera estos problemas.

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Telemedida por corriente: bucle 4-20mA La magnitud medida se convierte en una corriente continua proporcional, que se transfiere por la línea y es detectada en el extremo receptor midiendo la caída de tensión en una resistencia conocida. Para evitar corrientes interferentes se utiliza un par a de cables trenzados. El receptor puede explorar canales con diferente longitud sin que esta afecte a la exactitud. Los valores de corriente normalizado son: 4-20mA, 0-5mA, 0-20mA, 10-50mA, 1-5mA, 2-10mA.En el caso de utilizar un transmisor en modo flotante es posible realizar el enlace con solo dos hilos compartidos por la alimentación y la señal. La posibilidad de emplear un sistema de dos hilos con el consiguiente ahorro depende del receptor.

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Comunicación simultánea analógica y digital: HART Un sistema de comunicación de 4-20mA es punto a punto y unidireccional. Al ser punto a punto añadir un nuevo sensor implicaría añadir su cableado. La unidireccionalidad implica el no poder interrogar al transmisor. El protocolo HART(Highway Addressable Remote Transductor) desarrollado por Rosemount dota a los sistemas analógicos de capacidad de comunicación digital. Esta capacidad permite tener toda la información relativa al instrumento en el propio instrumento: fabricante, modelo, nº de serie factores de calibración, límites de medida, etc. - Las señales analógicas y digitales utilizan el mismo medio pero van separadas, las señales analógicas van al controlador del proceso mientras las digitales van al sistema de mantenimiento. En este caso la conexión no es punto a punto, ya que se permite tener hasta 15 dispositivos conectados a un mismo anillo. HART permite un solo par trenzado de hasta 3000m, o múltiples pares con blindaje común de a hasta 1500m. HART representa un ‘0’ con una frecuencia de 2200Hz y un ‘1’ con una frecuencia de 1200Hz.

Su nivel de continua es cero, y por lo tanto permite superponerse directamente al bucle de continua. La velocidad de transmisión es de1200 b/s. La estructura de datos es: 1 bit star, 8 de datos.

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BUSES PARA SENSORES

CONEXIONES DE SENSORES Los sensores industriales proveen salidas en dos tipos de señal:  

por lazo de corriente por tensión.

Si el sensor ofrece salida por tensión, puede ser conectado directamente a las entradas de tipo relé. Si por el contrario, el sensor provee salida por lazo de corriente, debe realizarse un circuito de adaptación de la señal para poder conducirla a dichas entradas. Este documento explica cómo conectar sensores de proximidad inductivos de dos, tres y cuatro cables a las entradas a relé, de dispositivos de control con alimentación 12/24 Vcc y con alimentación 100/240 Vca.

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

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Ejemplo 1: Conexión de Sensor de Proximidad Inductivo tipo N, alimentación en 10–30 V.C.C., dos cables. Gráfico de estructura interna:

Gráfico del circuito con sensor conectado al controlador:

Análisis del valor del resistor

y su efecto en la conexión del sensor con el controlador:

En el diagrama de circuito, el cuadro en línea punteada representa el sensor de proximidad inductivo; representa el componente inductivo del sensor; representa el resistor adicional; representa la resistencia interna de la entrada de señal del controlador; representa la corriente de base del transistor, y que equivale a la corriente de salida del sensor inductivo en estado normal (no activado); representa la corriente de colector del transistor; representa la corriente de emisor del transistor; representa la corriente de salida del sensor de proximidad inductivo; la diferencia de potencial entre L+ y L- es utilizada para alimentar el componente inductivo, el transistor y el circuito de adaptación interno.

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El terminal de masa brinda el potencial de referencia común, no la real puesta a tierra del sistema. Por lo tanto, todo potencial eléctrico en este circuito es una diferencia de potencial respecto a dicha masa, no respecto a tierra. Cuando una masa metálica se encuentra dentro de la distancia de actuación del sensor de proximidad, la corriente de base proporcionada al transistor por el componente inductivo incrementa la corriente que circula por el emisor del transistor, poniendo al mismo en estado de conducción, resultando en una corriente de salida del sensor que circula por el resistor , y estableciendo en el mismo una diferencia de potencial . Por lo tanto el controlador con un resistor en paralelo obtiene una señal de tensión en su entrada equivalente a .

Análisis de valores mínimos y máximos del resistor sensor: 



en función de las características del

Parámetros técnicos del sensor de proximidad:  Tensión de alimentación 10-30 Vcc  Corriente de salida =100mA  Corriente de fuga (señal en OFF): = 0,8 mA.

Parámetros técnicos de la entrada relé del PLC:  Tensión de alimentación 12/24 Vcc  Resistencia interna de entrada de señal: = 50 KΩ  Rango de tensión para señal en estado “0” (OFF): 0 ~ 5 V  Rango de tensión para señal en estado “1” (ON): 12 ~ 24 V

Si el sensor de proximidad se encuentra en OFF, la corriente de fuga máxima debería ser 0,8 mA., y la máxima tensión en la entrada del controlador debería ser 5 V.

Si

> 6,25 Ω entonces ≤ 6,25 Ω.

(

=

)

=

5 0,8

= 6,25 Ω

> 5 , causando un error de evaluación de la señal. Por lo tanto

Si el sensor de proximidad se encuentra en ON, la corriente máxima de salida debería ser 100 mA, siendo la máxima tensión de alimentación del sensor 30 V. = si

< 6,25 Ω entonces

> 100

5 100

=

= 300 Ω

, dañando el sensor de proximidad. Por lo tanto

> 300 Ω.

Analizando las relaciones entre corriente de fuga, corriente de salida, tensión de alimentación y rangos de tensión en entradas del controlador (estados OFF y ON), el valor del resistor es

donde valor comercial propuesto para

300 Ω
> entonces ’ ≅ , y por lo tanto puede ser ignorada. La existencia de una resistencia en la entrada del relé, en paralelo con el resistor instalado, no afecta sensiblemente la diferencia de potencial establecida en , y dicha diferencia de potencial en es vista como una señal (ON-OFF) en la entrada del relé. El diagrama de conexión entre el sensor de proximidad de dos cables tipo N (alimentación + señal) y el relé, ambos con alimentación en CC, es el siguiente:

En sensores de proximidad de dos cables con contactos NA ó NC, el diagrama de conexión es el mismo, la única diferencia es la señal de su salida en relación con la cercanía al metal. En sensores de tres y cuatro cables, la diferencia está en los métodos de conexión de su(s) salida(s): 

Sensor de proximidad inductivo de tres cables tipo P (alimentación independiente y señal) y relé, ambos con alimentación en CC:

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

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Sensor de proximidad inductivo de cuatro cables tipo P (alimentación independiente, NA + NC) y relé, ambos con alimentación en CC:

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Ejemplo 2: Conexión de Sensor de Proximidad Inductivo, alimentación en 90-250 Vca, dos cables. Gráfico de estructura interna:

Gráfico del circuito con sensor conectado al controlador:

Análisis de valores mínimos y máximos del resistor sensor: 



Parámetros técnicos del sensor de proximidad:  Tensión de alimentación: 90 - 250 Vca  Corriente de salida =200mA  Corriente de fuga (señal en OFF) ≤ 1,7 mA

en función de las características del

Parámetros técnicos de la entrada relé del PLC:  Tensión de alimentación: 100-240 Vca  Resistencia interna de entrada de señal = 842 Ω  Rango de tensión para señal en estado “0” (OFF): 0 - 40 V  Rango de tensión para señal en estado “1” (ON): 85 - 240 V. Página 97 de 100

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Si el sensor de proximidad se encuentra en OFF, la corriente de fuga máxima debería ser 1,7 mA., y la máxima tensión en la entrada del controlador debería ser 40 V.

si

(

=

)

=

40 1,7

= 23,25 Ω

> 23,5 Ω entonces > 40 , causando un error de evaluación de la señal. Por lo tanto ≤ 23,25 Ω. Si el sensor de proximidad se encuentra en ON, la corriente máxima de salida debería ser 200 mA., siendo la máxima tensión de alimentación del sensor 250 V.

=

=

250 200

= 1,25 Ω

si < 1,25 Ω entonces > 200 , dañando el sensor de proximidad. Por lo tanto > 1,25 Ω Analizando las relaciones entre corriente de fuga, corriente de salida, tensión de alimentación y rangos de tensión en entradas del controlador (estados OFF y ON), el valor del resistor es

1,25 Ω
entonces ’ ≅ , y por lo tanto puede ser ignorada. La existencia de una resistencia RL en la entrada del relé, en paralelo con el resistor instalado, no afecta sensiblemente la diferencia de potencial establecida en , y dicha diferencia de potencial en es vista como una señal (ON-OFF) en la entrada del relé. El diagrama de conexión entre el sensor de proximidad de dos cables y el relé, ambos con alimentación en CA, es el siguiente:  En sensores de proximidad de dos cables con contactos NA ó NC, el diagrama de conexión es el mismo, la única diferencia es la señal de su salida en relación con la cercanía del metal.

 En sensores de tres y cuatro cables, la diferencia está en los métodos de conexión de su(s) salida(s). Sensor de proximidad inductivo de tres cables (alimentación y señal NA + NC) y relé, ambos con alimentación en C.A.:

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