Instrumentación Mecatrónica 1

Instrumentación Mecatrónica 1
Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Luis Echeverría Y.

Introducción a la Instrumentación

El Instrumento en un sistema Mecatrónico
Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Señales Las maquinarias y procesos son fuentes de señales de diferente naturaleza: Temperatura Presión Caudal Posición Nivel, etc. Las señales son importantes siempre y cuando lleven consigo información. La información se encuentra en: La magnitud Forma de onda Máximos y mínimos Tasas de variación Frecuencia Ancho de banda, etc. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dominio de la frecuencia
Tipos de señales Continuas Analógicas Dominio del tiempo Dominio de la frecuencia Señales Digital Discretas Digital binaria / ON-OFF Tren de pulsos Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Modelo de sistema de un Instrumento
Termómetro de mercurio (sensor) Motor eléctrico (actuador) Temperatura Dilatación Voltaje corriente Velocidad angular Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Característica Estática de los Instrumentos

Una función algébrica (O = f(I))
Definiciones La entrada de un sistema se encuentra relacionada con la salida del mismo, esta relación se puede expresar en términos de: Una función algébrica (O = f(I)) Un grafico que representa la salida (O) versus la entrada. Un diagrama de la función A esta relación se la conoce como Característica Estática Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Un sencillo sensor de peso, con un resorte de constante k
Peso (F) desplazamiento (y) Peso (F) marcador Característica Estática grafica y F=K.y (Ecuación de Resortes) y(F)=F/K [O= f(I), O=y, I=F] (Característica Estática algébrica) F Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Un motor eléctrico (actuador)
Voltaje (Va) Velocidad angular (W rpm) Motor eléctrico de DC Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Elementos de la característica estática
La característica estática involucra los elementos sistémicos de un instrumento los cuales son: a) Rango. Especificada por los valores mínimos y máximos de la entrada y la salida. O Omax = f(Imax) I Omin = f(Imin) Imin Imax Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

b) Alcance. Es la máxima variación de la entrada o la salida. Entonces el alcance de entrada es Imax – Imin y de salida es Omax – Omin c) Resolución. Representa el mas pequeño incremento de la entrada que presenta una respuesta. Si un sensor responde con una salida para cualquier valor de entrada se dice que tiene una resolución infinita. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero, se llama umbral. Si la entrada es discreta se expresa esta variable en porcentaje, tomando la variación mas grande de entrada, así: O Omax res=resolución porcentual ΔImax Omin I Imin Imax Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

d) Repetibilidad. O reproducibilidad se refiere a la habilidad del instrumento para dar idénticas salidas a la misma entrada en diferentes mediciones a intervalos grandes de tiempo. Los errores en la precisión de los instrumentos causan falta de repetibilidad. El ruido eléctrico y la histéresis también puede contribuir a la perdida de este factor. e) Precisión. Esta relacionada con la dispersión del conjunto de valores obtenidos por un sensor, de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad de las medidas es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. f) Exactitud. Se refiere a que tan próximo al valor real se encuentra el valor medido. g) Sensibilidad. Es la tasa de cambio de la salida con respecto a la entrada. Se define como: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Determine cual es su sensibilidad y evalúela para T = 100 °C
DEBER No.1 Ejemplifique la precisión y halle los valores estadísticos asociados a esta. Determine con que concepto estadístico se encuentra asociada la exactitud y ejemplifíquela numéricamente. Si la característica estática de un sensor de temperatura cuya salida es voltaje se encuentra dado por la expresión: Determine cual es su sensibilidad y evalúela para T = 100 °C Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

h) Forma de la relación I-O. La relación I-O puede ser: lineal no lineal lineal O Omax I Omin Imin Imax Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

N(I) es la curva de ajuste de la no linealidad
oi i N(I) es la curva de ajuste de la no linealidad Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

KI+a+Ns(I) para la subida KI+a+Nb(I) para la bajada i
i) Histéresis. Un instrumento presenta histéresis cuando la relación entrada - salida no es la misma si se la desde Imin a Imax que desde Imax a Imin. ob oi h os KI+a+Ns(I) para la subida KI+a+Nb(I) para la bajada i H(I) es la curva de histéresis Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Los factores modificantes alteran la constante K:
j) Efecto medioambientales. En general los instrumentos responde no solo a las entradas normales de señal, sino también a señales ajenas al proceso de medición. Los factores medioambientales, que afectan a un instrumento se clasifican en: Modificantes Interferentes Los factores modificantes alteran la constante K: Bajo los efectos de la señal modificante la respuesta O(I) del instrumento será: K’ K Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Los factores interferentes alteran la constante a:

Un instrumento expuesto a ambos fenómenos presentara una característica estática similar a la siguiente: KM y KI conocen como constantes de acoplamiento medioambiental modificatorio e interferente respectivamente. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

h) Errores. El error se presenta con respecto a un patrón de medida
h) Errores. El error se presenta con respecto a un patrón de medida. Hay principalmente dos tipos de errores importantes en los instrumentos: sistemáticos y aleatorio. En el sistemático es conocido e incluso fácil de cuantificar y contrarrestar, en muchos casos este error. En los aleatorios su origen es muchas veces desconocido, difícil de compensar y se lo trata estadísticamente. Los errores llevan a expresar la salida en función de bandas de error. O(I)real=O(I) ± error O Omax oideal h h Omin I Imax i Imin Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

DEBER No.2 Un sensor de temperatura de estado solido es usado para interpolar entre el punto de congelación del agua (0 ºC), su punto de ebullición (100 ºC) y el punto de fusión del zinc (419.6 ºC). Las resistencias a estos valores son Ω, Ω y Ω. Se sabe que la característica estática del sensor se ajusta a una curva de la forma VT=Vo(1 + T + βT2), donde VT=voltaje a T °C, Vo es el voltaje a 0 °C y , β son constantes. Hallar las constante de esta ecuación y la característica estática grafica de la misma entre 0 y 500 ºC. Para determinar las constantes de acoplamiento medioambiental KM y KI para un sensor de presión, se han llevado a cabo las siguientes pruebas, bajo las condiciones indicadas obteniéndose los siguientes datos: I (psi) 2 4 6 8 10 O (mA) P1 7.2 10.4 13.8 16.9 21 P2 8.5 12.9 17.5 21.8 28 P3 5.0 9.6 12.6 15.8 18.9 23 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Determine lo siguiente: Cuales son las perturbaciones y de que tipo.
Donde; P1: Medición a una temperatura ambiente de 20 ºC y voltaje de alimentación de 10 V. (condiciones de trabajo) P2: Medición a una temperatura ambiente de 20 ºC y voltaje de alimentación de 12 V. P3: Medición a una temperatura ambiente de 25 ºC y voltaje de alimentación de 10 V. Determine lo siguiente: Cuales son las perturbaciones y de que tipo. Cual es la característica estática: grafica como algébrica. Prediga la presión de salida para las siguientes condiciones: Temperatura ambiental Voltaje de alimentación Entrada 20 10 8.5 12 11.9 25 20.6 21 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Característica Dinámica de los Instrumentos

Un sistema estable puede regresar a su estado de
Generalidades Estabilidad y equilibrio. La instrumentación como cualquier sistema, es capaz de responder a las variaciones de la entrada en el tiempo. Cualquier sistema que cambia con el tiempo es considerado un sistema dinámico. El entendimiento de las respuestas de un sistema dinámico a los diferentes tipos de entradas es muy importante en el diseño de sistemas mecatrónicos. El concepto mas importante en la respuesta de un sistema es la estabilidad. La estabilidad se define de diferentes maneras, la mas común es aquella que la vincula con el equilibrio. Un sistema en equilibrio podrá permanecer en el mismo estado en ausencia de factores externos. Un sistema estable puede regresar a su estado de equilibrio si un “pequeño” factor externo altera su estado inicial. Un sistema inestable normalmente no regresa al estado anterior y mas bien se aleja del mismo. Rugoso, con fricción Liso, sin fricción INESTABLE ESTABLE MARGINALMENTE Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

La instrumentación es inherentemente estable, sin embargo el comportamiento especifico de los materiales, mecanismos, circuitos u otros que lo componen pueden llevar a inducir inestabilidad transitoria en estos dispositivos. O t o1 o3 o2 t1 t2 IDEAL I t t1 t2 i1 i3 i2 i1 i3 i2 o1 o3 o2 I O Respuesta Dinámica (transitorio) Respuesta estática REAL O o1 o3 o2 t2 t1 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

En conclusión: Ningún instrumento o sistema responde instantáneamente a un cambio en las condiciones de la entrada. El tiempo que le toma responder a un cambio depende principalmente de la estructura interna del instrumento. La característica dinámica se encuentra descrita en función del tiempo. Se expresa con mucha frecuencia la característica dinámica en términos de la función de transferencia de un sistema, lo que involucra un conocimiento profundo del comportamiento físico – matemático del instrumento. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Función de transferencia
El análisis de la respuesta dinámica de un sistema puede ser realizado utilizando las ecuaciones que permiten expresar tanto entrada como salida en el tiempo: O(t) e I(t) Estas ecuaciones pueden ser tan sencillas como algébricas o muy complejas como un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Todo dependerá de la complejidad del instrumento. La función de transferencia es la relación de O/I, expresada en el espacio de la variable de Laplace s y denotada por G, según la ecuación: s es la variable compleja de Laplace Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Consideremos el siguiente modelo que representa a un sensor de fuerza:
x k F c M En este modelo, se aplica la fuerza F sobre un elemento de masa despreciable M, que se encuentra acoplado a una base fija mediante un resorte de constante k y un amortiguador de constante c. El elemento de masa despreciable como resultado de la fuerza aplicada se desplaza a lo largo del eje x. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

La ecuación que gobierna el funcionamiento es:
Fk = fuerza en el resorte Fc = fuerza del amortiguamiento Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Aplicando la transformación de Laplace a ambos lados de la ecuación tenemos:

La forma de la señal de entrada puede variar como:
F(s) X(s) La forma de la señal de entrada puede variar como: I I I escalón o paso A pulso rampa A m t t t Estas funciones de entrada pueden expresarse en el tiempo y mediante Laplace de las siguientes formas: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

I I I t t t escalón o paso A pulso rampa A m

Y aplicando la transformación inversa de Laplace tenemos:
Si al sistema mecánico indicado anteriormente suponemos que se aplica una entrada escalos de A (N), entonces la respuesta de salida será: Y aplicando la transformación inversa de Laplace tenemos: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Entonces la respuesta de un instrumento real a un cambio brusco en la entrada es:
F x A k A t t Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

En función del grado de la ecuación diferencial que relaciona entrada con salida los sistemas se dividen en: Orden Ecuación Función de transferencia Cero Primero Segundo Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Identifique la entrada y la salida
DEBER No.3 Un acelerómetro es un sensor que responde al movimiento trasmitido a una masa inercial y puede ser modelado como se indica en la figura donde: M = masa inercial k y c son constantes. En este acelerómetro: Identifique la entrada y la salida Determine la ecuación que gobierna su comportamiento Halle la función de transferencia. Analice las diferentes respuestas que pueden presentarse ante una entrada en escalón. Grafique la característica estática para un rango de entrada de 0 – 100 g, y una masa de 100 Kg M k c yo ÿi Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Impedancia Para describir un sensor no es suficiente con determinar su característica estática y dinámica. La impedancia es otro factor importante que considera el hecho que al interactuar con el proceso un sensor necesariamente tiene que tomar energía del mismo. Si un sensor interactúa con el proceso a tal punto que altera el mismo entonces se dice que el sensor esta cargando al proceso y aparece un error por carga. El concepto de impedancia permite valorar si se produce o no este tipo de error. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Variable que interviene Fuerza Velocidad Caudal Diferencia de presión
En el proceso de medida de una variable x1 siempre interviene además otra variable x2, tal que el producto tiene dimensiones de potencia Po=x1*x2: Variable medida Variable que interviene Fuerza Velocidad Caudal Diferencia de presión Temperatura Flujo de calor Corriente Diferencia de tensión Las variables a medir NO MECANICAS, son variables de esfuerzo si se miden entre dos puntos o dos regiones y son variables de flujo si se miden en un punto Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Las variables a medir MECANICAS, son variables de esfuerzo si se miden en un punto y variables de flujo si se miden entre dos puntos. Variables de esfuerzo Variables de flujo Tensión eléctrica Corriente eléctrica Presión Caudal volumétrico Temperatura Flujo de calor Fuerza y par mecánicos Velocidad angular Para el caso de elementos que se puedan describir mediante relaciones lineales, la impedancia de entrada Z(s) se define como el cociente entre la transformada de Laplace de una variable de esfuerzo y la variable de flujo asociada y la admitancia Y(s) como el inverso de la impedancia El valor de ambas varia con la frecuencia y a frecuencias muy bajas es conoce como rigidez y compliancia . Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Entonces para tener un error de carga mínimo, al medir una variable de esfuerzo es necesario que la impedancia de entrada sea alta. Entonces si X1(s) es una variable de esfuerzo, entonces: Para que P sea pequeña X2(s) debe serlo también lo que hace que Z(s) sea grande. Si se mide variables de flujo, como X2(s), entonces para que la potencia absorbida por el sensor sea pequeña X1(s) debe serlo lo cual quiere decir una pequeña impedancia pero una gran admitancia. Para lograr las condiciones necesarias de medición a veces es necesario alterar internamente la estructura de los sensores. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Parámetros para la elección de un sensor
Magnitud a medir Características de salida Rango Resolución Exactitud Estabilidad Ancho de banda Tiempo de respuesta. Limites de la magnitud a medir. Magnitudes medioambientales Sensibilidad Tipo: Tensión, corriente. Forma de seña: Unipolar, flotante, diferencial Impedancia Destino Características de alimentación Características ambientales Tensión Corriente Potencia Frecuencia Temperatura Humedad Ruido eléctrico Ruido mecánico Agentes químicos Atmósfera explosiva Otros factores Peso Dimensiones Vida media Costo de adquisición Disponibilidad Tiempo de instalación Longitud y necesidad de cables. Tipo y disponibilidad de conectores. Situación en caso de fallo Costo de mantenimiento y calibración Costo de reposición Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición y detección de la
Presión

Hay tres tipos de medidas de presión:
La presión se define como la fuerza normal por unidad de área ejercida por un fluido (líquido o gas) en cualquier superficie. La superficie puede ser una cara de un sólido en contacto con el líquido o, para fines de análisis, un plano imaginario trazado a través del líquido. Sólo el componente de la fuerza normal a la superficie debe ser considerada para la determinación de la presión. Las fuerzas tangenciales que dan lugar a cortante o movimiento de líquidos no será un tema relevante en esta unidad. En el limite en el cual el área se acerca a cero la razon de la fuerza normal aplicada a la misma sobre el área representa la presión puntual. Hay tres tipos de medidas de presión: VACIO Patm Relativa Absoluta Manométrica (Gauge) Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Unidades de medición de la presión

Métodos mecánicos de detectar la presión
Hay algunas formas primarias de detectar la presión: Desplazamiento de una columna de liquido Por deformación de elementos elásticos. Funcionamiento de un pistón Al dispositivo primario se puede añadir con sensor secundario: galgas extensiométricas, dispositivos piezoeléctricos, sensores capacitivos, sensores inductivos, etc. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Desplazamiento de una columna de liquido

Deformación de elementos elásticos: Tubo de Bourdon
Normalmente tubo en C. Sección transversal no circular Un extremo se encuentra tapado mientras por el otro ingresa la presión. Un extremo se encuentra fijo mientras que el otro se desplaza libremente, bajo efectos de la presión. Tubo en C Tubo en espiral Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros con tubo de Bourdon en C
Tubos de forma circular con una sección cruzada oval. La presión del medio actúa en el interior del tubo y como resultado la sección cruzada oval se convierte en casi redonda. Debido a que se produce una curvatura de la tensión del anillo del tubo, éste dobla el tubo de Bourdon. El final del tubo, que no es fijo, se mueve. Por lo que este movimiento es una medición para la presión. Este movimiento lo indica la aguja. Los tubos de Bourdon doblan un ángulo de aproximadamente 250°, que se utiliza para presiones de hasta 60 bar aproximadamente. Para presiones altas se utilizan tubos de Bourdon con un número de espirales superpuestas del mismo diámetro (ej. Espirales helicoidales) o espirales con forma helicoidal (ej. Muelles helicoidales) en un nivel. Los tubos de Bourdon sólo pueden protegerse contra la sobrecarga hasta una extensión limitada. Para operaciones de medición con una dificultad particular los manómetros pueden mejorarse intercalando un sello químico, como separación o sistema de protección. Los márgenes de presión están entre ,6 y bar con una lectura de precisión (o clase) desde 0,1 a 4,0 %. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Deformación de elementos elásticos: Diafragma o membrana
Usan el principio de deformación elástica de una membrana o diafragma. Los dispositivos de membrana típicos contiene una cápsula dividida por un diafragma, como se muestra en el esquema de abajo. Un lado de la membrana está abierto a la presión externa específica, PExt, y el otro lado está conectado a una presión conocida, Pref. La diferencia de presión, PExt - Pref., mecánicamente desvía el diafragma. La deformación de la membrana se puede medir de diferentes maneras. Por ejemplo, puede ser detectado a través de una ajuga acoplada por un mecanismo, una galga extensiométrica, un transformador lineal variable diferencial (LVDT, ver el esquema de abajo), o mediante otros sensores de desplazamiento/velocidad. Una vez conocida la desviación se puede conocer fácilmente las fuerzas y presiones aplicadas Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Mejor respuesta de frecuencia que otros medidores de presión.
Ventajas: Mejor respuesta de frecuencia que otros medidores de presión. Precisión de sobre ±0.5% a full escala. Lineal cuando los desplazamientos no son más grandes que el ancho de la placa. Desventajas: Es un dispositivo caro. h es el espesor ν es el coeficiente de Poisson E es el modulo de elasticidad Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

También es posible determinar la presión en términos de las tensiones radiales o tangenciales de acuerdo a la siguientes relaciones: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros con elementos de diafragma
Los elementos de diafragma tienen forma circular y membranas planas u onduladas. Estas están sujetas alrededor del borde entre dos bridas o soldadas y sujetos a la presión del medio actuando en un lado. La desviación causada de esta forma se utiliza como medición para la presión y es mostrada por la aguja indicadora del instrumento. En comparación con los tubos Bourdon, estos elementos de diafragma tienen una fuerza activadora relativamente alta y debido a ello la sujeción en su periferia del elemento es insensible a la vibración. El elemento de diafragma puede someterse a una fuerte sobrecarga a través de los puntos de aceptación (al traer el elementos de diafragma contra la brida superior). Además, el instrumento de medición puede protegerse contra elementos extremadamente corrosivos cubriéndolo con un material especial . Las conexiones a proceso pueden ser bridas de conexión abiertas y los enchufes de purga pueden ser integrados para medir elementos muy viscosos, impuros o cristalizables. Los márgenes de presión están entre mbar y bar en clase precisión desde 0,6 a 2,5 %. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros con elementos con cápsula
El elemento de cápsula comprende dos membranas de forma circular, membranas onduladas selladas fuertemente alrededor de su circunferencia. Los actos de presión en el interior de la cápsula y el movimiento que genera es mostrada por la aguja como medida de la presión ejercida. Los manómetros con elementos de cápsula son especialmente apropiados para la medición de fluidos gaseosos y presiones bajas. Es posible una protección de sobrecarga con determinados límites. La presión ejercida en el interior de la cápsula es transmitida mecánicamente al mecanismo. Los márgenes de presión están entre ,5 mbar y ,6 bar en la clase de precisión 0,1 a 2,5. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros absolutos Estos instrumentos se utilizan donde las presiones han de ser medidas con independencia de las fluctuaciones naturales de la presión atmosférica. Como norma general pueden ser aplicados todos los tipos de elementos conocidos y principios de medición. La presión de los elementos a medir se compara contra una referencia de presión, que a la vez, es cero absoluto. Para este propósito se da un vacío absoluto como presión de referencia, en una cámara de referencia, en el extremo del elemento de medición no sujeto a presión. Esta función se consigue sellando la cámara de medición apropiada o la carcasa que la rodea. La transmisión del movimiento de elementos de presión y la indicación de presión es igual que en los manómetros con sobrepresión ya descritos. Los márgenes de presión están entre mbar y bar en la clase de precisión 0,6 a 2,5. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros diferenciales
La diferencia entres las dos presiones se determina directamente y se muestra en el dial del manómetro. De nuevo, aquí también pueden ser aplicados todos los elementos de medición de sobrepresión y los principios de medición conocidos. Las dos cámaras medias selladas están separadas por el elemento de presión o los elementos de medición, respectivamente. Si ambas presiones de funcionamiento son iguales, el elemento de presión no puede moverse y por lo tanto no se puede indicar la presión. Sólo se da una lectura de presión con diferencial cuando una de las presiones es superior o inferior. Las presiones de diferencial inferiores puede medirse directamente en caso que sean presiones estáticas elevadas. Con los elementos de diafragma se consigue una capacidad de sobrecarga muy alta. Debe observarse la presión estática permisible y la capacidad de sobrecarga en los lados ⊕ y ⊖. La transmisión del movimiento del elemento de medición y la indicación de presión es la misma que en los instrumentos de sobrepresión ya descritos en la mayoría de casos. Los márgenes de presión están entre mbar y bar en la clase de precisión 0,6 a 2,5 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Manómetros piezoeléctricos
Se encuentran fundamentados en el efecto piezoeléctrico, el mismo que determina el funcionamiento de ciertos materiales, los mismos que generan carga eléctrica como respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. Este fenómeno es reversible, o sea si se aplica un campo eléctrico al material piezoeléctrico el mismo se comprimirá o se expandiera, en función del sentido del mismo. Los principales materiales que exhiben estas propiedades son cristales, cerámicos, y algunos polimeros, de estos solo unos pocos exhiben el fenómeno lo suficientemente fuerte como para fines de aplicación. Entre los materiales tenemos el cuarzo (SiO2), las sal de Rochelle (KNaC4H4O6. H2O), ceramicas como el titanato zirconato de plomo (PZT-4, PCT-5A, etc), Titanato de bario, polimeros de Polivilideno de fluor, etc. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

T =vector de deformación
Los materiales piezoeléctricos están caracterizados por la ecuación constitutiva de la materia, que relaciona los aspectos eléctricos con los mecánicos, esta ecuación es: S =vector de esfuerzos T =vector de deformación D=vector de desplazamiento de densidad de carga E=vector de campo eléctrico s = matriz de acoplamiento elástico d =matriz de constantes piezoeléctricas y ε = matriz de permeabilidad eléctrica. Para los titanatos zirconatos de plomo (PZT) la forma reducida de la expresión es: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

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d x d x a Manómetros capacitivos
Se encuentran fundamentados en la capacitancia que se presenta entre las placas de un condensador plano. d x d x a (a) Capacitor simple (b) Capacitor diferencial Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivos de pistón
El manómetro tipo pistón la presión actúa directamente sobre un resorte. La posición del pistón en el cilindro esta en directa relación con la presión. Se utilizan diferentes mecanismos para poder visualizar la posición del pistón. El uso de este sensor esta relacionado con mediciones hidráulicas donde se requiere que golpes, vibraciones o cambios bruscos y momentáneos en la presión no alteren la medición. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Materiales de fabricación SENSOR MATERIALES Diafragma y galga
Aleación de níquel Inconel Bourdon en C y Hélice Acero inoxidable Aleaciones de cobre Hastelloy Monel Bourdon en Espiral Fuelle Standard Bronce fosforoso Capsula Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición y detección del
Flujo y Caudal

Formas de detectar y medir flujo y caudal
Placa – orificio Tobera Tubo Venturi. Tubo Pitot Tubo Annubar Presión diferencial Medidores volumétricos Área variable Rotámetro Vertedero con flotador para canales abiertos Turbina Sondas ultrasónicas Velocidad Fuerza Placa de impacto Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos
Tensión inducida Medidor magnético Disco giratorio Pistón oscilante Pistón alternativo Medidor rotativo Desplaza- miento positivo Medidores volumétricos Cicloidal Birrotor Oval Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos Torbellino Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Diferencia de temperatura en dos sondas de resistencia Térmicos
Medidor axial Medidor axial de doble turbina Momento Medidores másicos Par giroscópico Tubo giroscópico Fuerza de Coriolis Tubo en vibración Presión Diferencial Puente hidráulico Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

D = diámetro de la tubería η = viscosidad dinámica del fluido
Introducción Los tipos de flujo en tubería pueden ser predichos mediante el número de Reynolds ρ = densidad del fluido = velocidad media D = diámetro de la tubería η = viscosidad dinámica del fluido Con Re < 2000 el fluido es laminar, con Re > 4000 es turbulento y entre los dos se presenta el transicional. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

No intercambio de energía Flujo laminar
La ecuación de Bernouilli relaciona la velocidad del fluido v, la presión del fluido p y la altura h de un punto fijo. No fricción No intercambio de energía Flujo laminar Densidad constante (incompresible) Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

La medición de flujo. El flujo se mide como una cantidad volumétrica o una velocidad instantánea (mas comúnmente conocida como velocidad de flujo) Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

UNIDADES Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivo de presión diferencial
Estrangulamiento (cambio de sección) Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivo de presión diferencial: Tipos
Venturi Placa - orificio Boquilla Codo Pitot Cuña Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Placa-Orificio Venturi BOQUILLAS Dall Venturi Flujo Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivo de presión diferencial: Tubo de Pitot
Punto de estancamiento Transforma la velocidad de flujo (energía cinética) en energía potencial. La conversión se lleva a cabo en el punto de estancamiento ** Consultar ecuación para fluidos compresibles subsónicos y fluidos supersónicos compresibles Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Construcción simple y barata Casi no requiere calibración.
Ventajas: Construcción simple y barata Casi no requiere calibración. No induce caídas de presión en el fluido. Requiere simplemente un agujero por donde entrar en contacto con el fluido. Desventajas: La precisión y la resolución pueden no ser altas para ciertas aplicaciones. El tubo debe estar perfectamente alineado con el fluido para dar buenas lecturas. Cualquier desalineación no debe exceder del ±5%. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivo de presión diferencial: Placa - Orificio

Perdida de carga vs. β Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Característica estática
Q = caudal Cd = coeficiente de descarga Cf = coeficiente de flujo (0.6 … 0.9) Ao = área del orificio Suponiendo laminar y con rozamiento nulo (no viscoso) Considerando la presencia de viscosidad y turbulencia presente que generan perdidas en forma de calor. Considerando la imposibilidad de determinar con exactitud la vena contracta. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Característica estática practica para los dispositivos de obstrucción

Tipos de orificios        Orificio tipo restrictivo
LINE I.D. Orificio tipo restrictivo Orificio universal Orificio de doble diámetro Orificio concéntrico estándar Orificio doble en cuadrante Orificio excéntrico Orificio segmental STAMPED   45° QUADRANT RADIUS A d e E   BEVEL DIA. LINE I.D. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Ubicación de las tomas de presión

Consideraciones generales de los dispositivos de obstrucción
The following general characteristics of differential pressure flowmeters should be borne in mind when deciding on the most suitable meter for a given application. 1. No moving parts; robust, reliable and easy to maintain; widely established and accepted. 2. There is always a permanent pressure loss (ΔPP) due to frictional effects. The cost of the extra pumping energy may be significant for large installations. 3. These devices are non-linear, i.e. Q ∝ eΔP or ΔP ∝ Q2. This limits the useful range of a meter to between 25% and 100% of maximum flow. At lower flows the differential pressure measurement is below 6% of full scale and is clearly inaccurate. 4. Can only be used for clean fluids, where there is well-established turbulent flow, i.e. ReD > 104 approximately. Not generally used if solids are present, except for Venturis with dilute slurries. 5. A typical flowmeter system consists of the differential pressure sensing element, differential pressure transmitter, interface circuit and microcontroller. For a transmitter giving a d.c. current output signal (typically 4 to 20 mA) the interface circuit consists of an amplifier acting as a current-to-voltage converter and an analogue-to-digital converter. For a resonator transmitter giving a sinusoidal output of variable frequency, the interface circuit consists of a Schmitt trigger and a binary counter. The computer reads the input binary number, converts it into differential pressure ΔP and then calculates the measured flow rate Q. The calculation is based on values of ρ1, C, β, etc., stored in memory. The system measurement error E = QM − QT is determined by the transmitter accuracy, quantisation errors and uncertainties in the values of the above parameters. 6. Considerable care must be taken with the installation of the meter. The standards give detailed information on the following: (a) The geometry of the flowmeter itself. C values are only applicable to meters with the prescribed geometry. (b) Minimum lengths of straight pipe upstream and downstream of the meter. (c) The arrangement of the pressure pipes connecting the flowmeter to the differential pressure device. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

DEBER En base al diagrama de flujo indicado en la pagina 329, del libro ”Principles of measurement systems de John P. Bentley. – 4th ed”, desarrolle un programa para el dimensionamiento de los flujometros de placa orificio Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Dispositivo de área variable: El rotámetro
Rotameters are the most widely used type of variable-area (VA) flowmeter. In these devices, the falling and rising action of a float in a tapered tube provides a measure of flow rate. Rotameters are known as gravity-type flowmeters because they are based on the opposition between the downward force of gravity and the upward force of the flowing fluid. When the flow is constant, the float stays in one position that can be related to the volumetric flow rate. That position is indicated on a graduated scale. Note that to keep the full force of gravity in effect, this dynamic balancing act requires a vertical measuring tube. Other forms of gravity-type VA meters may incorporate a piston or vane that responds to flow in a manner similar to the float’s behavior. All these devices can be used to measure the flow rates of most liquids, gases, and steam. There are also similar types that balance the fluid flow with a spring rather than gravitational force. These do not require vertical mounting, but corrosive or erosive fluids can damage the spring and lead to reduced accuracy. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

El Rotámetro: Tipos de rotámetros

El Rotámetro: Tipos de flotadores
The tapered tube’s gradually increasing diameter provides a related increase in the annular area around the float, and is designed in accordance with the basic equation for volumetric flow rate: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Aplicabilidad del rotametro:

Dispositivos mecánicos: La turbina
Entre 4 y 8 alabes Alabes de material ferromagnético. Cada alabe forma un circuito magnético con el imán y la bobina, formando un tacogenerador de reluctancia variable. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Si m es el número de alabes y t el grosor de los mismos tenemos:
Despreciando los rozamientos, entonces la velocidad angular es proporcional a la velocidad angular del rotor wr: k depende de la geometría del sistema de alabes. Si Q es el caudal que provoca en el área A una velocidad media v: Si m es el número de alabes y t el grosor de los mismos tenemos: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

De los circuitos de reluctancia variable tenemos:
Donde b es la amplitud de la señal de flujo magnético. (Páginas 170, 171 y 172 de libro Principles of measurement systems, Bentley 4ed). La señal del tacogenerador es pasada por un Integrador y un Schmitt Trigger, la señal cuadrada resultante tiene una frecuencia f: Si K es la sensibilidad lineal o factor de medición, tenemos: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Flujometro electromagnético

the fluid fills the tube, then v = Q/(πD2/4), giving:
The principle is based on Faraday’s law of electromagnetic induction. This states that if a conductor of length l is moving with velocity v, perpendicular to a magnetic field of flux density B, then the voltage E induced across the ends of the conductor is given by: E = Blv Thus if a conducting fluid is moving with average velocity v through a cylindrical metering tube, perpendicular to an applied magnetic field B, then the voltage appearing across the measurement electrodes is: E = BDv where D = separation of electrodes = metering tube diameter. The above equation assumes that the magnetic field is uniform across the tube. If we further assume that the fluid fills the tube, then v = Q/(πD2/4), giving: If the magnetic field coils are energised by normal direct current then several problems occur: polarisation (i.e. the formation of a layer of gas around the measuring electrodes), electrochemical and thermoelectric effects all cause interfering d.c. voltages. These problems can be overcome by energising the field coils with alternating current at 50 Hz. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición y detección del
Desplazamiento

La resistencia eléctrica de un material puede variar por:
Sensores Resistivos La resistencia eléctrica de un material puede variar por: Variación de la longitud del material Variación del área transversal del material Variación de la resistividad Obstrucción o alteración de la movilidad de los portadores de carga eléctrica l A Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Potenciómetros V l V l’ Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

La relación de la resistencia a la variación del campo es cuadrática
Magnetoresistencias Si aplicamos un campo magnético a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, dependiendo de la dirección del campo, además de la tensión Hall hay una reducción en la corriente por el desvió de electrones por el campo. En la mayoría de conductores el efecto es de segundo orden pero en los materiales anisótropicos, como en los elementos ferromagnéticos este efecto es muy acusado, con variaciones del 2% al 5%. La relación de la resistencia a la variación del campo es cuadrática Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Fabricación y características
Como materiales de fabricación se utiliza principalmente el permalloy (aleación de hierro y niquel). El material se lo deposita en un sustrato de vidrio. Las aplicaciones se encuentran entre la medición de campo magnético y las aplicaciones indirectas. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Fototresistencias Estos sensores están basados en la variación de resistencia de un semiconductor por incidencia de radiación óptica (radiación electromagnética de longitud de onda entre 1mm y 10 nm) La relación entre la resistencia de un fotorresistor y la iluminación E (densidad superficial de energía recibida expresada en luxes), es fuertemente no lineal y su modelo simple es: R=AEα Donde A y α dependen del material y de la forma de fabricación. Par el SCd el valor de α esta entre 0.7 y 0.9 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensores capacitivos de desplazamiento: Planteamiento general
C = capacidad del condensador εo =constante dieléctrica del vacio εr =constante dieléctrica relativa del material A = área transversal de la placa. d =distancia entre placas Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Considerando el efecto de borde tenemos:
Deber: Determine la capacidad de un condensador cilíndrico Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensor capacitivo sencillo
x d d d x x a d Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Aplicaciones del sensor capacitivo
Deber: Determine la relación desplazamiento capacidad para los sensores de la lamina anterior Aplicaciones del sensor capacitivo Sensor de presión capacitivo Galga extensiométricas capacitiva Medidor de composición de la mezcla gasolina-etano Inclinómetro diferencial capacitivo Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

aplicaciones capacitivos de nivel

Ventajas de los sensores capacitivos
Error por carga mecánica mínimo. No errores por fricción o histéresis. No se necesita mucho esfuerzo para desplazar la parte móvil. Como las placas tienen poca masa la inercia es mínima. Estabilidad y repetitividad elevadas. Alta resolución. Los valores habituales de C suelen estar entre los 1 y 500 pF. La frecuencia de alimentación suele ser superior a 10 kHz Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensor capacitivo diferencial
x d Los sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir desplazamientos entre y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100 pF Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Otras formas de condensadores diferenciales

Puente capacitivo para acondicionamiento

Osciladores para sensores capacitivos

Sensores inductivos de desplazamiento: Planteamiento general
La inductancia se expresa como: donde N es el numero de vueltas de la bobina, i la corriente y Φ el flujo magnético El flujo magnético viene relacionado con la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia R como: Entonces: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Para una bobina de sección A y longitud l, R viene dada por:
Si el circuito magnético incluye tramos de material ferromagnético y tramos de aire la reluctancia R es: Donde A0 es el área de aire y l0 su longitud Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

l2,A2 R2 R3 R1 l1,A1 l3,A3 μ0 R0 l0,A0 μ0 μr R4 l4,A4 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensores de reluctancia variable

l l μoμr 2l x a l l μo l Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Los campos magnéticos parásitos afectan a L.
La aplicación de una inductancia variable esta sujeta a serias limitaciones: Los campos magnéticos parásitos afectan a L. La relación entre L y R no es constante sino que varia hacia los extremos del dispositivo pues el campo no es uniforme. El flujo magnético disperso es mayor que el flujo eléctrico disperso en los conductores. esto limita el alcance de medidas para una longitud determinada y es una fuente de interferencias. La temperatura de trabajo debe ser inferior a la de Curie. Entre las ventajas se cita: Les afecta poco humedad ambiental y otros contaminantes. Alta sensibilidad. Entre los materiales tenemos: Con núcleo de aire se puede trabajar a altas frecuencias pero su variación de inductancia pequeña. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Con núcleos ferromagnéticos, la frecuencia de trabajo no puede rebasar unos 20 kHz

Aplicaciones Además de sensor de desplazamiento lineal y angular tenemos las siguientes aplicaciones: presión espesor Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Acondicionamiento de sensores de reluctancia variable

Sensores de Corriente de Foucault
La impedancia de una bobina por la cual circula una corriente alterna, es alterada si se introduce una superficie conductora en su campo magnético. Ello es debido a que se inducen corrientes de Foucault, en la superficie, que crean su propio campo magnético, opuesto al de la bobina. Cuando mas próximo estén la bobina y la superficie, mayor es el cambio de impedancia. Para emplear este fenómeno en los sensores, el espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser lo suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas y viene dada por: donde: σ es la conductividad del material, μ su permeabilidad y f la frecuencia de la corriente Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Aplicaciones Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT) y RVDTs
Constituye un transformador con un bobinado primario y dos secundarios alrededor de un núcleo tubular, en el cual se desplaza un elemento ferromagnético. Los bobinados secundarios son idénticos. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

El primario es alimentado por una señal AC de amplitud Vp y frecuencia f (Hz) y los secundarios se encuentran conectados en oposición de serie de tal forma que el voltaje de salida es la diferencia de los voltajes de los secundarios: V1 – V2 = Voutsen (2πft+φ). El núcleo ferromagnético móvil se desplaza por el núcleo alterando la autoinductancia mutua entre primario y secundario. Sin el núcleo en el interior el voltaje es idéntico en los secundarios y el voltaje de salida es 0 V. Cuando el núcleo se desplaza, el V1 – V2 dependen en magnitud y fase de su posición. Deber: Consulte el circuito equivalente del LVDT y sus ecuaciones de V e I Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

En B sucede lo opuesto que en A.
C es el punto medio del sensor, o sea x=½l, mientras A y B se encuentras equidistantes de C. En A la bobina secundaria inferior se encuentra fuertemente acoplada a la primaria mientras que el acoplamiento con la superior es mínimo, por lo tanto la amplitud de V2 es mayor que la de V1, y V1 – V2 presenta un desfase de 180° con respecto a Vp. En C el acoplamiento es igual, por lo tanto V1 y V2 son iguales y por lo tanto, en teoria V1 – V2 se anulan. Este se conoce como el punto nulo (NULL POINT). En B sucede lo opuesto que en A. El voltaje AC es convertido en DC, para poder discriminar entre puntos como A, B y C. Esto se lo hace mediante un detector de fase o demodulador, que permite obtener un rango de voltaje positivo para A y negativo para B pasando obviamente por 0. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Deber: Consulte y explique un circuito detector de fase para un LVDT
Ventajas del LVDT: Operación libre de desgaste. Resolución infinita. Vida mecánica infinita. Operación fuera de rango sin provocación de daño. Sensibilidad de un solo eje. Núcleo y bobinas separables. Robusto a ambientes hostiles. Repetibilidad en el punto nulo. Rápida respuesta dinámica. Salida absoluta. Rangos del LVDT: Los LVDTs son diseñados para medir en el rango de ± 0.25 mm a ± 25 cm. El rango de frecuencia de la señal de entrada esta entre los 400 Hz y los 50 KHz. La máxima no linealidad de este dispositivo es de 1% fsd. Para una aplicación típica de ± 2.5 cm se utiliza una Vp de 4 a 6 V y una frecuencia de 5 KHz. Mas información del sensor: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Aplicaciones Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sincros, Resolver e Inductosyn

Procesamiento de señal del resolver
El sincro se encuentra compuesto de un rotor energizado con señal AC y un estator conformado por tres bobinas a 120º conectadas es Y. En el resolver la configuración es similar pero tenemos solo dos bobinas en el rotor a 90º. Debido a la complejidad de fabricación los sincros han ido cediendo el mercado del desplazamiento angular a los resolvers. Los resolvers trabajan con voltajes de entrada que van de 2 a 40 Vrms a frecuencias de 400 Hz a 10 KHz Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

V(bsen) = V.sen(ωt).sen(2πX/S) y V(bcos) = V.sen(ωt).cos(2πX/S)
La operación del Inductosyn es similar a la del Resolver, en este una pequeña franja donde se encuentran labradas una especie de bobinas se desplaza sobre otra fija y más grande. La pequeña se conoce como el deslizador y la grande la escala. Sobre la escala se aplica una señal de voltaje V.sen(ωt) que acopla señales sobre el deslizador induciendo voltajes proporcionales a seno y coseno en las pequeñas “bobinas” del deslizador. Si S es la distancia de un “ciclo de alambre” y X el desplazamiento del deslizador, los voltajes indicidos en las “bobinas” de seno y coseno son: V(bsen) = V.sen(ωt).sen(2πX/S) y V(bcos) = V.sen(ωt).cos(2πX/S) El bajo voltaje de transformación, por lo general requiere de amplificación. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Mas información sobre el Inductosyn http://www.ruhle.com
El inductosyn trabaja con frecuencias que van de 200 Hz a 200 KHz, con voltajes de 2 V. Las precisión están entre ± mm a ± mm para los lineales y ± 0.5 arc-seg a ± 1 arc-seg (1° tiene 60 arc-seg) Mas información sobre el Inductosyn Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensor de efecto Wiedemann
Una torsión mecánica, aparece en un alambre magnetoestrictivo, por el que circula una corriente, en el lugar donde se aplica un campo magnético axial. La distancias de medición alcanzan hasta los 7 m. La ventaja de usar este sensor está en su alta linealidad (en el orden del 0,05% del fondo de escala), buena capacidad de repetición (del orden de 3μm), y estabilidad a largo plazo. El sensor puede soportar ambientes agresivos, tales como alta presión , alta temperatura , y fuertes radiaciones. Otro punto fuerte de este sensor es su baja sensibilidad a la temperatura. Las aplicaciones de este sensor incluye cilindros hidráulicos, máquinas de moldeado por inyección (para medir el desplazamiento lineal para la posición de sujeción del molde, inyección de material de moldeo, y la eyección de la pieza moldeada), minería (para la detección de movimientos de las rocas tan pequeñas como 25μm), trenes de laminación , prensas, forja, ascensores, y otros dispositivos cuando una resolución fina a lo largo de grandes dimensiones es un requisito. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensor de efecto Wiegand
El efecto Wiegand es un fenómeno de generación de pulso en un alambre de Vicalloy (cobalto, hierro y vanadio Co52Fe38V10) que ha sido procesado con la finalidad de crear dos regiones magnéticas distintas en la misma pieza, que se conocen como capa y núcleo. Estas dos regiones magnéticas reaccionan de forma distinta a la aplicación de un campo magnético. La capa requiere de un campo magnético fuerte para revertir su polaridad magnética, mientras que el núcleo invierte para campos magnéticos pequeños. Cuando la capa y el núcleo invierten su polaridad se genera el llamado Pulso Wiegand que es sensado por una bobina Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensor de efecto Hall Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla, en la placa, un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas. Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así creado, implica que el otro lado tiene una carga opuesta, creándose entonces una diferencia de potencial; la segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata de un campo positivo o negativo. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

En la mayor parte de los metales, la carga es negativa, pero en algunos metales como el hierro, el zinc, el berilio y el cadmio es positiva, y en los semiconductores es positiva y negativa al mismo tiempo. Hay una desigualdad entre los intercambios negativos y los positivos; también en este caso, la medida del potencial permite saber cuál domina, el positivo o el negativo. Los sensores basados en efecto Hall suelen constar de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto, siempre que sea ferromagnético. La tensión Halls obtenida V, depende del grosor del material t, en la dirección del campo magnético aplicado, del campo magnético B, de la corriente primaria i y de propiedades eléctricas del material recogidas en el llamado coeficiente Hall AH La relación entre estos parámetros es : AHIB = Vt Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

V = V(B) + V(i) + V(p) + V(T) + …..
Sin embargo en la realidad la tensión Hall, suele depender de otros parámetros como: tensión mecánica, presión o temperatura de manera que: V = V(B) + V(i) + V(p) + V(T) + ….. Frente a otros sensores magnéticos el sensor Hall tiene la ventaja de que su funcionamiento no depende de la variación del campo detectado. El semiconductor es preferido para la fabricación de estos sensores. Los hay de SbIn, AsIn, Ge, AsGe, Si entre otros materiales. Las aplicaciones del sensor Hall pueden ser analógicas (lineales) o digitales (conmutación). Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición y detección de
Fuerza – Peso - Torque

Medición y detección de
Temperatura

Instrumentación Mecatrónica 1

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