FUNDAMENTOS Y CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES n Introducción a los sistemas de medida n Sistemas electrónicos de medida n Clasificación de los sensores.

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1 FUNDAMENTOS Y CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES n Introducción a los sistemas de medida n Sistemas electrónicos de medida n Clasificación de los sensores. n Sensores industriales 1

2 Capítulo 1 Introducción a los sistemas de medida

3 Generalidades n El ser humano percibe información del mundo a través de sus sentidos, pero no todos percibimos de la misma manera. Dificultades para cuantificación objetiva. n Nuestros sentidos son incapaces de estimar ciertas variables físicas. n Necesidad de instrumentos de medida que suplan estas deficiencias. n Definición de Instrumentación: Tecnología que comprende las técnicas, equipos y metodologías relacionadas con el diseño, construcción y aplicación de dispositivos físicos para mejorar, complementar y aumentar la eficiencia de los mecanismos de percepción del ser humano. n Instrumentación electrónica: Técnica que se ocupa de la medición de cualquier magnitud física, de su conversión a eléctrica y de su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un sistema de control, operador humano o a ambos.

4 La instrumentación electrónica en el control de procesos (I) n Control: Gobierno de un sistema por otro sistema n Conceptos y terminología relacionada con el control de procesos: Consignas o variables de control: Permiten especificar al operador la respuesta deseada de la planta. Señales de mando: Señales generadas por el sistema que, en funcion de las consignas, actuan sobre la planta para modificar la salida del proceso. Accionamientos o actuadores: Elementos que ejecutan las órdenes dadas por el operador a través de las entradas de consigna. Perturbación: Señal que modifica negativamente la salida de un sistema. Regular una variable: Mantener la variable en el valor deseado frente a las influencias externas. Señal de error: Diferencia entre la señal de referencia y la señal de realimentación

5 La instrumentación electrónica en el control de procesos (II) n Tipos de sistemas de control Lazo abierto Lazo cerrado (Realimentado)

6 La instrumentación electrónica en el control de procesos (III) n Sistema de medida en el contexto del control de procesos

7 Capítulo 2 Sistemas electrónicos de medida

8 Generalidades n Sistema: Conjunto de elementos en interacción dinámica, organizados de acuerdo con una finalidad. n Los elementos de un sistema poseen propiedades cuyo valor es necesario conocer para observar su evolución y/o asegurar su correcto funcionamiento. n Propiedades medibles: Cualquier propiedad de un objeto puede ser medible. Dentro de la industria podemos destacar las siguientes propiedades: Eléctricas Magnéticas Mecánicas Térmicas Químicas Radiaciones n Sistema de medida: Sistema que asigna un número ( información) a una propiedad de un objeto o suceso con la finalidad de describirlo. Objetivos de las medidas: Monitorizar o controlar un proceso. Proporcionar información para verificar el comportamiento de un sistema n Sistema electrónico de medida: Sistema de medida basado en circuitos que están formados por componentes electrónicos (Basados en las propiedades eléctricas de conductores y semiconductores).

9 Características de los sistemas electrónicos de medida n Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico implica una variación de un parámetro eléctrico. n No es necesario absorber energía del medio cuyas variables se quiere medir porque podemos amplificar la salida del sensor. n Existe gran variedad de circuitos integrados para acondicionar las señales generadas por el sensor. Algunos contienen sensor y circuito acondicionador. n La transmisión de señales eléctricas es mas versatil, aunque mas sensible a interferencias que las transmisiones mecanicas, hidraulicas o neumaticas. n Necesidad de convertir los valores de una propiedad a medir en valores de otra diferente ( La mayoría de las propiedades a medir no son eléctricas)

10 n Adquisición de datos: La información de las variables a medir es adquirida y convertida en una señal eléctrica. n Procesamiento de datos: Procesamiento, selección y manipulación de los datos por un procesador digital ( tipo microcontrolador) para alcanzar los objetivos perseguidos. n Distribución de datos: El valor medido se presenta al observador y se almacena o se transmite a otro sistema. Funciones de un sistema electrónico de medida

11 Estructura de un sistema electrónico de medida Amplificación Filtrado Linealización Modulación /Demodulación

12 Estructura de un sistema electrónico de medida Conversión A/D

13 Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 13

14 Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 14

15 Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 15

16 Ejemplo de sistema de medida © ITES-Paraninfo 16

17 Topología de estrella © ITES-Paraninfo 17

18 Topología de Buses © ITES-Paraninfo 18

19 n ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL

20 Acondicionamiento de la señal (I) n Aislamiento: Protección del circuito de medida contra transitorios de alta tensión en las entradas. Protección del sistema bajo comprobación contra sobretensiones desde el sistema de medida. Eliminar bucles de masa y tensiones en modo común. n Filtro: Eliminar componentes de frecuencia no deseadas. Tipo de filtro: –Medida de señal de continua o baja frecuencia -> Filtros Paso Bajo con frecuencias de corte entre 4 y 10KHz. (Pasivos, Activos); –Medida señal alterna -> Filtro para eliminar componentes de frecuencia fuera del ancho de banda de la entrada. Casos típicos: Filtros rechazo banda selectivos (50Hz), filtros antialiasing.

21 Acondicionamiento (II) n Linealización: Conseguir una respuesta lineal del sensor respecto a la variable medida. n Excitación de sensores: Sensores pasivos: necesitan ser excitados para obtener una señal eléctrica proporcional a la variación de la magnitud física. Puede formar parte del circuito de acondicionamiento con fuentes de corriente o de tensión de referencia. Según la topología de excitación tenemos: –Medida a dos hilos. –Medida a tres hilos. –Medida a cuatro hilos.

22 Clasificación de los sensores

23 Generalidades Clasificación de los sensores Según el principio fisico de funcionamiento Según el tipo de señales que generan Según la forma constructiva Según el campo de valores que miden Según el tipo de variable física medida Activos Pasivos Analógicos Digitales Temporales De medida Todo- Nada (On-Off) Discretos Integrados Inteligentes

24 Según el principio físico de funcionamiento Clasificación de los sensores según el principio físico de funcionamiento Activos (Generadores) Pasivos (Moduladores) Piezoeléctricos Fotoeléctricos –Fotoemisivos –Fotovoltaicos Termoeléctricos (Termopares) Magnetoeléctricos –Electromecánicos –Fotovoltaicos Otros Resistivos (Resistencia variable) –Potenciométricos –Termorresistivos –Fotorresistivos –Extensiométricos –Magnetorresistivos –Electroquímicos Capacitivos ( Capacidad variable) Inductivos (Inductancia variable) –Reluctancia variable –Permeancia variable –Transformador variable –Magnetoestrictivos Semiconductores Otros

25 Según el tipo de señal eléctrica que generan (I) Clasificación de los sensores según el tipo de señal eléctrica que generan Analógicos Digitales Según el tipo de señal Según la polaridad Temporales Periódicas No periódicas Señales variables Señales continuas Unipolares Bipolares Señales senoidales Señales cuadradas Frecuencia Fase Frecuencia Relación alto/ bajo Duración de un impulso Numero total de impulsos

26 Según el tipo de señal eléctrica que generan (II) n Sensores Analógicos Sensores que generan señales eléctricas denominadas analógicas, que pueden tomar cualquier valor dentro de unos márgenes determinados y llevan la información en su amplitud. Tipos de señales analógicas: –Variables: Equivalen a la suma de un conjunto de senoides de frecuencia mínima mayor que cero. –Continuas: Aquellas que pueden descomponerse en una suma de senoides cuya frecuencia mínima es cero. Tienen un cierto nivel fijo durante un tiempo indefinido, y representan la información mediante su amplitud. Consideraciones: –El mundo físico es en general analógico -> La mayoría de sensores proporciona este tipo de señales. –Las señales tienen problemas de ruido, interferencias y distorsión, por lo que es necesario un circuito de acondicionamiento

27 Según el tipo de señal eléctrica que generan (III) n Sensores Digitales Sensores que generan señales eléctricas que solo toman un numero finito de niveles entre un máximo y un mínimo. Formato: –Salida en Paralelo –Salida en Serie Señal Analógica ELEMENTO SENSOR CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL Variable física a medir n Señal Analógica ELEMENTO SENSOR CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO CAD Variable física a medir PROCESADOR n S alida serie 1

28 Según el tipo de señal eléctrica que generan (IV) n Sensores Temporales Sensores que proporcionan a su salida señales eléctricas en las que la información esta asociada al parámetro tiempo. Consideraciones importantes: –Pocos sensores dan a su salida información en dominio temporal. –La señal analógica proporcionada por el sensor puede convertirse en una señal temporal que lleva la información en la frecuencia mediante un oscilador controlado por tensión. Variable física a medir ELEMENTO SENSOR OSCILADOR CONTROLADO POR TENSION Señal temporal Señal analógica SENSOR TEMPORAL

29 Según el tipo de señal eléctrica que generan (V) n Tipos de señales temporales: Señales temporales senoidales: –Reciben el nombre de señales moduladas –Se obtienen modificando un parámetro temporal de una señal senoidal generada por un circuito oscilador mediante un circuito electrónico denominado demodulador. Señales temporales cuadradas: Tienen una amplitud fija y un parámetro variable que puede ser: –Frecuencia o periodo –Relación entre la duración del uno y el cero (On/Off): Periodo constante Información contenida en la relación entre el tiempo que se está en cada estado ( Ciclo de trabajo) Suele decirse que está modulada en anchura de pulso. (PWM) –Duración de un impulso –Número total de impulsos que aparecen a la salida a partir de un determinado instante.

30 Según el rango de valores de salida n Sensor de medida: Proporciona a la salida todos los valores posibles correspondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de un determinado rango. n Sensor todo-nada: Detecta si la magnitud de entrada está por encima o por debajo de un determinado valor. Proporciona a la salida una señal eléctrica que solo puede tomar dos valores. ELEMENTO SENSOR CIRCUITO ELECTRÓNICO DETECTOR DE NIVEL Variable física a medir Señal temporal Señal analógica SENSOR TODO-NADA

31 Según el nivel de integración de los sensores n Sensor discreto: Sensor en el que el circuito de acondicionamiento se realiza mediante componentes electronicos separados e interconectados entre sí. n Sensor integrado: Elemento sensor y circuito acondicionador (al menos este ultimo) construidos en un unico circuito integrado, monolitico o hibrido. n Sensor inteligente: Realiza al menos una de las siguientes funciones Cálculos numéricos Comunicación en red ( No una punto a punto) Autocalibracion y autodiagnostico Multiples medidas con identificacion del sensor

32 Según la variable fisica medida Clasificación de los sensores según el tipo de variable física medida Presión Temperatura Humedad Fuerza Desplazamiento/ Velocidad/ Aceleración de objetos Caudal Presencia y/o posición de objetos Nivel de sólidos o líquidos Químicos Magnitudes eléctricas Magnitudes ópticas Otros

33 Combinación de los principios físicos de funcionamiento y las variables físicas medidas por los sensores

34 Sensores Industriales. Parámetros Característicos

35 Generalidades n Sensores adecuadamente construidos para trabajar en las condiciones existentes en un entorno industrial ( Temperatura elevada, presencia de polvo, humedad relativa alta…etc) n Principales parámetros característicos: Características de entrada Características eléctricas Características mecánicas Características de funcionamiento Características ambientales Características de fiabilidad De salida De alimentación De aislamiento Estáticas Dinámicas

36 Características de entrada (I) n Campo de medida: Conjunto de valores de la magnitud a medir que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida del sensor. Se indica mediante la especificación de los valores extremos. Unidireccional ( Ej.: 0 a 10 cm) Bidireccional Desplazado ( Ej.: 50 a 100 kg/ cm 2 ) n Sobrerrango o sobrecarga: Máximo valor de la magnitud a medir que puede aplicarse sin ocasionar un cambio en sus características que rebase una tolerancia determinada. n Forma de variación de la magnitud de entrada Simétrico ( Ej.: ± 30 º C ) Asimétrico (Ej.: -10 a 70 º C ) Datos estáticos Datos dinámicos Datos transitorios Datos aleatorios

37 Características de entrada (II) n PONER FOTOS SEÑALES ENTRADA

38 Características eléctricas de salida n Ligadas al tipo de formato empleado. Tienen una gran importancia pues de ellas depende la compatibilidad entre el sensor y el sistema acoplado a él. n Tipos: Sensores de salida analógica Sensores de salida digital Sensores de salida todo-nada Sensores de salida temporal Por tensión Por corriente

39 Sensores de salida analógica (I) n Sensores de salida por tensión: La impedancia de salida del sensor debe ser mucho mayor que la de la entrada del circuito al que se conecta para que sea despreciable la caída en los hilos de conexión. Adecuada para transmitir la información cuando la distancia entre el sensor y el equipo electrónico es reducida. Márgenes comunes de tensión: 0 a 10 V, 1 a 5 V, -5 a 5 V, -10 a +10 V SENSOR Vg Z 2 Z 0 SISTEMA ELECTRONICO

40 Sensores de salida analógica (II) Jh SENSOR Ig Z 2 Z 0 SISTEMA ELECTRONICO I R ELEMENTO SENSOR CONVERTIDOR TENSIÓN- CORRIENTE Salida por corriente Señal analogica SENSOR ANALÓGICO DE SALIDA POR CORRIENTE Variable física a medir

41 Sensores de salida analógica (II) n Sensores de salida por corriente Impedancia de salida del sensor elevada (Del orden de decenas de KΩ) e impedancia de entrada del sistema electrónico muy pequeña (Del oden de decenas de Ohmios). Transmision no influenciada por la variacion de la impedancia de los cables. Señales parásitas (Ruido) de pequeña amplitud.

42 Características eléctricas de alimentación n La mayoría de los sensores son pasivos y necesitan una fuente de alimentación. La tensión de alimentación puede ser continua o alterna, aunque generalmente es continua. n Parámetros a considerar: Ondulación residual: Máxima tensión alterna pico a pico superpuesta a la tensión continua para que el sensor funcione correctamente. Consumo de corriente en vacío: Máximo valor de corriente que el sensor demanda de la fuente de alimentación cuando no se conecta una carga a su salida. Impedancia de la fuente e impedancia de entrada: Impedancia presentada al sensor por la fuente de alimentación y a la fuente de alimentación por el sensor respectivamente.

43 Características eléctricas de aislamiento n Cuando dos o más partes de un sensor están aisladas eléctricamente es importante conocer el grado de aislamiento entre ellas. n Parámetros a considerar: Resistencia de aislamiento: Resistencia entre las partes aisladas medida mediante la aplicación de una tensión continua de determinado valor. Tensión de ruptura o rigidez dieléctrica: Máxima tensión que se puede aplicar entre las partes aisladas sin que se produzca un arco eléctrico o sin que la corriente que circule entre ambas supere un valor determinado.

44 Características estáticas n Establecen la relación entre la entrada y salida de un sensor cuando el tiempo transcurrido desde la ultima variación de la entrada es tal que la salida alcanza el régimen permanente. n Curva de calibración (Static Transfer Function) Campo de medida (range) Alcance, Fondo de escala (span –FS-) Salida a Fondo de escala (full scale output –FSO-) Sensibilidad No linealidad Zona muerta Histéresis Deriva Saturación Resolución n Errores de medida Veracidad Precisión Exactitud Repetibilidad Reproducibildad

45 Características estáticas: Curva de calibración (I) n Curva de calibración: Relación entre la entrada y salida de un sensor en régimen estático. Puede ser lineal o no lineal. Lineal No Lineal

46 Características estáticas: Curva de calibración (II) n Sensibilidad n No linealidad

47 Características estáticas: Curva de calibración (III) n Zona muerta n Histéresis

48 Características estáticas: Curva de calibración (IV) n Saturación n Resolución

49 Características estáticas: Errores de medida n Tipos de errores Error absoluto Error relativo Error sistemático Error aleatorio n Parámetros asociados con los errores de medida Veracidad Precisión o fidelidad Exactitud

50 Errores © ITES-Paraninfo 50

51 OperaciónResultadoResultado corregido Suma Diferencia Producto * Cociente * Propagación de errores © ITES-Paraninfo 51

52 CALIBRACIÓN

53 Calibración © ITES-Paraninfo 53

54 Calibración © ITES-Paraninfo 54

55 Características dinámicas

56 © ITES-Paraninfo 56

57 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 57

58 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 58

59 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 59

60 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 60

61 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 61

62 Características dinámicas © ITES-Paraninfo 62

63 Sistemas de primer orden © ITES-Paraninfo 63

64 Sistemas de segundo orden © ITES-Paraninfo 64

65 Características mecánicas (I) n Características que hacen referencia a los aspectos de tipo mecánico relacionados con el sensor industrial y sus condiciones de manejo e instalación. n Especificaciones del fabricante: Configuración constructiva y dimensiones externas Instrucciones de montaje Tipo, tamaño y localización de las conexiones eléctricas y mecánicas Forma de realizar ajustes externos en caso de ser necesarios Material de la carcasa Grado de protección o sellado de la carcasa ante agentes externos

66 Características mecánicas (II) n Grado de protección o sellado: Norma 144 de la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) perteneciente a ISO (Organización Internacional de Normalización). Especifica el grado de oposición a la entrada de agentes externos sólidos o líquidos. Se indica mediante las siglas IP (Ingress Protection) seguidas de dos cifras decimales. Cuanto más altos son los números, mayor es la protección de la carcasa. n METER TABLA IEC 144

67 Caracteristicas ambientales n Efectos térmicos n Efectos de la aceleración y las vibraciones n Efectos de la presión ambiental n Efectos de las perturbaciones eléctricas n Humedad, corrosión, atmósfera salina n Efectos del montaje

68 Características de fiabilidad n Hacen referencia a la vida útil del sensor y a los errores que pueden aparecer con el transcurso del tiempo como consecuencia de su envejecimiento. n Parámetros que la definen: Vida útil (Lifetime) Vida de almacenamiento (Storage life) Estabilidad temporal de la salida Deriva de cero (Zero Drift) Deriva de la sensibilidad (Sensibility drift)