Instrumentación Mecatrónica 2

Instrumentación Mecatrónica 2
Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Luis Echeverría Y.

Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica
Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Incluye una gran cantidad de sensores, basados en varios principios. En esta clase discutiremos los siguientes: Por comparación. Por deformación. Celdas de carga. Resistivas. Capacitivas Piezoeléctricas. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Por comparación. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Por deformación. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines
Capacity Range (Individual Load Cells) Load Cell Type Pesos bajos - 500kg Bending Beam S, Z type Single Point Button Pesos medios 500kg-20 Tn Single Ended Shear beam Double Ended Shear beam Canister Bending Ring S type Helix o Helical Pesos medios 20-50 Tn Pesos altos Tn >100 Tn Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Bending Beam Single Ended Shear beam Canister (compression, pancake, ring) Double Ended Shear beam Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Bending Ring S type Button type Single point Helical o Helix Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines La galga extensiométrica metálica. Ecuación de la galga Resistividad inducida por la deformación o efecto piezoeléctrico oscila alrededor de 0.4 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Metal  Hierro colado 0.17 Acero dulce 0.26 Aluminio 0.33 Cobre 0.36 Níquel 0.30 Plomo 0.40 G  1 + 2  1 + 2*  2 Materiales de las galgas metálicas Material Composición % G Advance o Constantan 45 Ni, 55 Cu Nichrome V 80 Ni, 20 Cr Isoelastic 36 Ni, 8 Cr, 0.5 Mo, 55.5 Fe 3.6 Karma 74 Ni, 20 Cr, 3 Al, 3 Fe 2.0 Armour D 70 Fe, 20 Cr, 10 Al 2.0 Platino Tungsteno 92 Pt, 8 W 4.0 Platino Pt 6.1 Niquel Ni 2.1 Monel 67 Ni, 33 Cu Manganina 84 Cu, 12 Mn, 4 Ni 0.47 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Elementos característicos de una galga. Dimensiones físicas, Soporte, Patrón de la galga, Resistencia, Material Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Tipos de galgas Uniaxiales Multiaxiales Roseta de dos ejes Roseta de tres ejes a 120° Roseta de tres ejes a 45° Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Tipos de galgas Multiaxiales Conjuntos o arreglos Roseta de tres ejes a 45° Roseta para membrana circular Roseta en puente Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines La galga extensiométrica semiconductora. Ecuación de la galga G1 = 100 a semiconductor tipo p = -140 a semiconductor tipo n G2 = semiconductor tipo p semiconductor tipo n Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines All semiconductor materials exhibit changes in resistance due to strain The most common material is silicon because of its inert properties and ease of production. The base material is doped, by diffusion of doping materials (usually boron or arsenide for p or n type) to obtain a base resistance as needed. The substrate provides the means of straining the silicon chip and connections are provided by deposition of metal at the ends of the device. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Operación tipo p Operación tipo n Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Características de las galgas. Metal strain gauges The properties of strain gauges vary by application Most metal gauges have a nominal resistance between 100 and 1000, (lower and higher resistances are available). 120  and 350  are common Gauge factor between 2-5 Dimensions from less than 3x3 mm to lengths in excess of 150 mm (almost any size may be fabricated if necessary). Rosettes (multiple axis strain gauges) are available with 45, 90 and 120 axes as well as diaphragm and other specialized configurations. Typical sensitivities are 5m Deformation is of the order of 2-3m/m. Much higher strains can be measured with specialized gauges. Semiconductor strain gauges usually smaller than most resistive strain gauges can be made with higher resistances. their use is limited to low temperatures can be much less expensive than metal strain gauges. often part of another device Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Problemas con las galgas. Strain gauges are subject to a variety of errors. Due to temperatures - resistance, especially in semiconductors, is affected by temperature in the same way as by strain. In metal gauges, this is usually small (materials with low temperature coefficients of resistance). In semiconductors, temperature compensation is sometimes provided on board or a separate sensor may be used for this purpose. A third source of error is due to the strain itself, which, over time, tends, to permanently deform the gauge. can be eliminated by periodic re-calibration can be reduced by ensuring that the maximum deformation allowed is small and below the recommended for the device. Additional errors due the bonding process Thinning of materials due to cycling. Most strain gauges are rated for: given number of cycles (i.e. 106 or 107 cycles), maximum strain (3% is typical for conducting strain gauges, 1% for semiconductor strain gauges) temperature characteristics specified for use with a particular material (aluminum, stainless steel, carbon steel) for optimal performance when bonded Typical accuracies are of the order of %. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Las galgas extensiométricas y la celda de carga. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de la deformación.
Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Medición de la deformación. Si R1 es una galga Si R>>>>>>>ΔR Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines ¼ de puente de resistencias con galga de compensación de temperatura (pasiva) DEBER Consultar el medio puente de resistencias con galga de compensación y demostrar que las galgas pasivas evitan la variación del voltaje de salida por la variación térmica de la resistencia. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Dispositivos piezoeléctricos o electroestrictivos. Un material piezoeléctrico exhibe un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico. Este efecto establece que, cuando cristales elásticos asimétricos son deformados por una fuerza, un potencial eléctrico es generado. Este efecto es reversible o sea, si un potencial es aplicado entre las superficies del cristal, aparecerán en el cristal esfuerzos mecánicos, que alteran las dimensiones del cristal. Los elementos que exhiben este tipo de comportamiento también se conocen como elementos electroestrictivos. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Las cargas y polaridad de las cargas superficiales inducidas dependen de la fuerza y magnitud de la fuerza aplicada Q = dF, donde d es la sensibilidad de carga del cristal medida en C/N. La fuerza F aplicada causa una variación del espesor Δt m. en el cristal: Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Donde a es el área del cristal, t es el espesor del cristal y Y es su modulo de elasticidad. La carga entre las caras opuestas del cristal arroja un voltaje Eo = Q/C, donde C es la capacitancia entre las caras y es igual a εa/t, entonces: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Al termino d/ε se le conoce como sensibilidad de voltaje y se representa por g, quedando entonces: Son cristales piezoeléctricos: Cuarzo Turmalina Sal de Rochelle fosfato dihidrogeno de amonio o ADP sulfato de litio titanato de bario titanato zirconato de plomo o PZT. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Los materiales piezoeléctricos naturales como el cuarzo son polarizados, los artificiales se pulverizan, compactan en diferentes formas y luego se aplica un fuerte campo eléctrico continuo, en el sentido en el que se aplicara la fuerza para que exhiban las características piezoeléctricas. Adhiriendo dos materiales piezoeléctricos cuyos ejes eléctricos son perpendiculares se logra obtener voltajes eléctricos al aplicar un momento o par. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines El rango de trabajo de los dispositivos electrostrictivos varia de 1 a 200 KN. Dispositivos Inductivos: Magnetoelásticos o Magnetoestrictivos Los sensores magnetoestrictivos se fundamentan en la magnetoestricción, la cual se define como la presencia de esfuerzos en un material cuando se encuentra en presencia de campos magnéticos. Estos esfuerzos pueden incluso inducir deformaciones en el material. Un material magnetoestrictivamente positivo se expande en presencia de campo magnético y un material magnetoestrictivamente negativo se comprime. Los metales utilizados en estos sensores son el hierro, níquel, cobalto o cerámicas como el Terfenol D Los sensores magnetoestrictivos trabajan fundamentados en tres efectos: el efecto magnetoestrictivo, el efecto Villari y el efecto Wiedemann. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Efectos de la Magnetoelasticidad
Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Efectos de la Magnetoelasticidad Direct Effects Inverse Effects Joule magnetostriction Change in sample dimensions in the direction of the applied field Villari effect Change in magnetization due to applied stress ΔE effect Magnetoelastic contribution to magnetocrystalline anisotropy Magnetically induced changes in the elasticity Wiedemann effect Torque induced by helical anisotropy Matteuci effect Helical anisotropy and e.m.f. induced by a torque Magnetovolume effect Volume change due to magnetization (most evident near the Curie temperature) Nagaoka-Honda effect Change in the magnetic state due to a change in the volume Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Sensores de efecto Villari. Cuando en un material magnetoestrictivo aparecen esfuerzos entonces sus propiedades magnéticas como el coeficiente de permeabilidad cambian. Los cambios en el flujo magnético se convierten en voltajes inducidos en el bobinas de captación mientras la deformación se lleva a cabo. Este fenómeno se conoce como el efecto Villari o magnetoestricción. Fuerza Material magnetoestrictivo Fuerzas Bobinas Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Este efecto es especialmente fuerte en las aleaciones de hierro – níquel. El rango del sensor depende básicamente del área de la sección del material magnetoestrictivo. Este tipo de sensores son generalmente no lineales y en muchos casos presentan histéresis. La precision del aparato se determina por su calibración. La permeabilidad del material aumenta cuando se encuentra sujeto a torsión. El dispositivo trabaja entre 15 y Hz. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Piezotransistores. Devices that utilize anisotropic stress effects are described as piezotransistors. In this effect, if the upper surface of a p–n diode is subjected to a localized stress, a significant reversible change occurs in the current across the junction. These transistors are usually silicon nonplanar type, with an emitter base junction. This junction is mechanically connected to a diaphragm positioned on the upper surface of a typical TO-type can. When a pressure or a force is applied to the diaphragm, an electronic charge is produced. It is advisable to use these force-measuring devices at a constant temperature by virtue of the fact that semiconducting materials also change their electric properties with temperature variations. The attractive characteristic of piezotransistors is that they can withstand a 500% overload. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Sensores de torque. Forces that cause extended objects to rotate are associated with torques. Mathematically, the torque on a particle is defined as the cross-product: Where is the particle's position vector relative to a pivot is the force acting on the particle. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Básicamente, la medición del torque puede ser estática o dinámica. En ambos casos se utiliza la deformación de superficial de un cilindro al “torcerse” por el efecto de una fuerza aplicada, perpendicular al eje y tangencial a la superficie Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines 2 1 3 4 Donde: D is diameter of the shaft J is polar moment of inertia xz is shearing stress ε is Stress as per Hooke’s Law T is Torque applied υ is Poisson Ratio of Material E is Modulus of Elasticity Sg is sensitivity of Strain Gage Vo is output voltage, and Vs is supplied voltage to Bridge Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Fuerza, Peso, Par, Torque y variables afines Si el eje cuyo torque se quiere medir gira, las galgas extensiométricas pueden conectarse con el sistema de acondicionamiento de señal por medio de transformadores. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad El par bimetálico Se denomina par bimetálico al sensor formado por la unión de dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente. Al cambio de temperatura el sensor se deforma según un arco circular uniforme Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Desplazamiento Deformación Radio de curvatura Fuerza Temperatura La ecuación que relaciona los parámetros de funcionamiento del sensor son: Δε = (αA - αB)ΔT Si hA= hB E*=EA/EB Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Los parámetros usuales de estos sensores son: Rangos de temperatura -75ºC a 540ºC 0ºC a 300ºC Espesor 10μm a 3 mm Materiales Invar (acero al níquel) – latón silicio – aluminio, véase tabla Formas constructivas voladizo, espiral, helice, diafragma y otras. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Resistencias detectoras de temperatura (RTD)
Medición de Temperatura y humedad Resistencias detectoras de temperatura (RTD) Son sensores de origen metálico fundamentados en el principio de variación de resistencia por cambio de temperatura. Su funcionamiento se rige por la ecuación de Callendar-Van Dusen: O Aunque es muy utilizada su aproximación lineal: R = R0(1 + ΔT ) ó R = R0(1 + A ΔT) El sensor presenta una característica estática lineal bastante clara. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Los coeficientes A, B y C para un RTD de platino, de acuerdo al estándar IEC (ITS90) son: A = x 10 –3 ºC –1 B = –5.775 x 10 –7 ºC –2 C = –4.183 x 10 –12 ºC –3 Es muy frecuente que se utilice la aproximación lineal del RTD, en cuyo caso y conociendo la resistencia del sensor a 100 ºC (R100), podemos fácilmente calcular , así: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Los RTDs se construyen de dos formas, con alambre o delgadas cintas de metal (film), como se observa en la figura 1. RTD de bobina de alambre RTD de film Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Materiales. Material Rango (ºC)  Comentario Cobre -200 a 260 Bajo costo Molibdeno -200 a 200 Alternativa de bajo costo al platino en pequeño rango. Níquel -80 a 260 Bajo costo, limitado rango de temperatura Níquel - Hierro Platino -240 a 660 Buena precisión Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Instalación del RTD Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Número de cables de conexión de los RTD y su forma interna a b a b 54 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Tubos de protección o Thermowell Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Bloque de terminales Cabezas Neplos, roscados y uniones Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Configuraciones finales Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

TERMISTORES: THERMally sensitive resISTOR
Medición de Temperatura y humedad TERMISTORES: THERMally sensitive resISTOR Es un sensor resistivo de temperatura de materiales semiconductores (estado sólido). Los termistores pueden ser sensores de temperatura de coeficiente positivo (PTC) o de coeficiente negativo (NTC). Los NTC son principalmente usados como sensores y los PTC en control electrónico. Los estándares aplicables al PTC son EN , IEC , DIN y DIN 44082 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Características estáticas PTC NTC Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad PTC RPTC=f (TPTC) RN es la resistencia medida a temperatura TN. Rmin es la resistencia a temperatura Tmin Rref es la resistencia de referencia que se presenta a una Tref. Zona de uso del termistor Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Mezclas de carbonato de bario, oxido de titanio, titanatos de estroncio, bario , plomo o silicio, que cumplen con las características térmicas y eléctricas deseadas son pulverizadas y comprimidas en discos, arandelas, barras, tabletas rectangulares o cilindros, dependiendo de la aplicación, sinterizándolas a temperaturas menores a 1400 ºC, para posteriormente añadirles los contactos dependiendo de la presentación y aplicación para finalmente recubrirles o colocarles una carcasa Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad NTC El valor de la resistencia del NTC (nominal), por lo general esta referida a 25 ºC Ecuación de Steinhart – Hart Aproximación exponencial R0 es la resistencia a una temperatura de referencia T0 (en kelvin) β o B es la temperatura especifica del material y su valor esta entre 2000 y 5000 ºK Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Esta compuesto de óxidos metálicos, de los cuales, los óxidos más comúnmente usados son de manganeso, níquel, cobalto hierro, cobre y titanio. La fabricación de los termistores usa tecnología de manejo de cerámicas y básicamente el proceso consiste en mezclar dos o mas óxidos metálicos y compactarlos en función de la geometría que se desea, luego se seca y se sinteriza a alta temperatura. Variando los tipos de óxidos, sus proporciones y la atmósfera de sinterización se pueden alcanzar un amplio rango de resistividades y coeficientes de temperatura. El NTC funciona en base al aumento de portadores, al romperse enlaces moleculares y atómicos, como resultado del aumento en la temperatura. El rango operativo del NTC se encuentra entre los –50ºC y 150 ºC para un buen numero de sensores, y hasta 300 ºC para sensores en bulbo de vidrio. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Aplicaciones del termistor Termostato Sensor de flujo Sensor de nivel ON/OFF Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Termocuplas o termopares
Medición de Temperatura y humedad Termocuplas o termopares Se fundamentan en el efecto Seebeck: Cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentran a una temperatura diferente a la del ambiente por ellos circula una corriente. Si la por un lado tenemos los cables unidos y por el otro se encuentran sueltos se presenta en este extremos el voltaje Seebeck. Todas las uniones de metales diferentes exhiben estas características. Para pequeños cambios de temperatura el voltaje Seebeck es linealmente proporcional a la temperatura: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Si bien el termopar es una alternativa de medición precisa, sensible y barata con respecto a otras alternativas, la medición del voltaje Seebeck es un problema por la aparición de termopares parásitos: Entre el constantan (C en la grafica) y los cables internos del medidor de voltaje se presenta la termocupla J2 cuyo voltaje se restara al de la termocupla J1 (V = V2 – V1). La termocupla J3 desaparece al tratarse de una unión de cobre con cobre. Entonces el voltaje V es resultado de la diferencia de temperatura entre J2 y J1, entonces para saber la Temperatura de J1 requiero saber la de J2. V V Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad La unión de referencia. Con la finalidad de fijar los parámetros de la unión (o junta) J2 se puede someter esta a una temperatura de 0ºC, fijándose de esta manera no solo la referencia de temperatura sino incluso el valor de V2. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Si usamos termocuplas que no usan cobre como uno de sus materiales sino otros metales el número de estos sensores parásitos aumenta. Sin embargo como se ve en el grafico anterior si la temperatura de las termocuplas Fe-Cu son las mismas, sus voltajes se cancelarían. No siempre los bornes del voltímetro pueden estar a la misma temperatura por lo que se utiliza el sistema conocido como Bloque Isotérmico entre la termocupla y los bornes del medidor. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad El bloque isotérmico es un excelente conductor del calor pero debe ser, obviamente un aislante eléctrico. Ya que puede ser un poco complicado mantener la junta de referencia a 0ºC, podemos reemplazar el baño de hielo en la unión de referencia por un bloque isotérmico, creando el circuito de referencia. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Juntamos todas las termocuplas parasitas en un solo bloque isotérmico. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Eliminamos el alambre adicional reemplazando las dos termocuplas de Cu-Fe y Fe-Const por una sola de Cu-Const (ley de los metales intermedios). Lo que nos da lo siguiente: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Entonces, por medio del termistor RT, determinamos la temperatura del bloque isotérmico pues la misma se la utilizara para determinar la temperatura real que quiero medir con la termocupla. Entonces para medir la temperatura de la vela, primero hallamos la temperatura del bloque isotérmico y convertimos esta temperatura en el voltaje de referencia y segundo el voltaje V1 será igual al voltaje medido más el de referencia, el voltaje resultante será el generado por la temperatura sujeta a la unión. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Otra forma de compensar la junta fría es incorporar un circuito eléctrico que arroje un voltaje que reste el generado en este termopar parasito, así: Sin embargo los circuitos de compensación suelen ser un poco más sofisticados que el indicado anteriormente. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Características estáticas Voltaje – Temperatura de las principales termocuplas industriales y valores Seebeck. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Tipos de termocuplas. Las termocuplas se clasifican por el origen de los dos cables que le forman. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Termocupla Metales Rango de entrada B Platino 30% Rodio (+) Platino 6% Rodio (+) ºC C Tungsteno 5% Renio W5Re (+) Tungsteno 26% Renio W26Re (-) ºC E Cromel (+) Constantan (-) -100 a 1000 ºC J Hierro (+) Constantan (-) 0-760 ºC K Cromel (+) Alumel (-) ºC N Nicrosil (+) Nisil (-) ºC R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) ºC S Platino 10% Rodio (+) 0 – 1750 ºC T Cobre (+) Constantan (-) -200 a 350 ºC Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Códigos de colores J T B K R/S Estados Unidos (ASTM) Inglaterra BS Inglaterra BS4937 Part Francia NFE Alemania DIN Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Formas de uso y Configuraciones. Normalmente la termocupla no se la usa exponiendo directamente los cables al punto de calor. Las termocuplas por lo general utilizan elementos de protección para su utilización. Sin embargo la unión de los hilos en una termocupla puede permanecer expuesta. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensores basados en uniones semiconductoras
Medición de Temperatura y humedad Sensores basados en uniones semiconductoras Las uniones semiconductoras son especialmente sensibles a la temperatura. La característica directa de un diodo es dependiente de la temperatura, sin embargo esta es no lineal y no repetitiva, por lo tanto se prefiere la dependencia térmica de la tensión base emisor del transistor, con corriente de colector constante. IESαF normalmente se le denota por IS. En la zona activa Ic>>Is y si Vbc es aproximadamente 0, entonces: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Pero Is también es función de la temperatura: B depende del dopado del semiconductor, pero es independiente de la Temperatura y VgO es el voltaje umbral y es de 1.12 V a 300ºK. Por lo tanto: Si VBE0 es el voltaje base emisor a una corriente de colector IC0 a una T0 tenemos que: La sensibilidad del sensor es de 0.34 mV/ºC a 2.2 mV/ºC y se calcula para un valor Ic = Ic0 y es de: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Detección de humedad Los hay de varios tipos: psicrómetros, biológicos, resistivos y capacitivos. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad El sensor capacitivo de humedad relativa consiste en una capa delgada de polímeros o materiales inorgánicos absorbentes, sobre una base conductora. La capa se cubre con una lamina conductora porosa. A medida que aumenta la humedad relativa aumenta el contenido de agua en el polímero. El agua tiene una constante dieléctrica alta. Esto significa puede almacenar mucha carga eléctrica. Esta capacidad eléctrica se puede medir mediante la aplicación de voltaje AC a través de las placas y la medición de la corriente que pasa. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad Tenga en cuenta que el polímero o material inorgánico (a menudo de óxido de aluminio) sólo desempeña un papel indirecto en la medición: es la abundancia de moléculas de agua lo que se mide. El sensor es normalmente de 7 x 4 x 0,5 mm de grosor. El principio es bastante simple, pero hay una larga historia de desarrollo de sensores resistentes a los contaminantes del aire, o inmersión en agua líquida Los sensores capacitivos tienen una seria limitación, el cambio en la capacidad es pequeña comparada con la capacidad de los cables de conexión del dispositivo. Esto significa que el acondicionamiento debe hacerse cerca del sensor. El acondicionamiento de los sensores capacitivos de humedad, al igual que otros detectores del mismo tipo se lo hace normalmente por puentes de impedancias o a través de osciladores. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Temperatura y humedad El sensor de humedad resistivo es una oblea delgada de polímero absorbente que tiene a los lados dos peines de metal o carbono, como contactos. El dispositivo tiene 10 mm de largo por unos 8 de ancho. Se puede adquirir solo, o con la electrónica de procesamiento Lo que se mide, en el sensor, es simplemente la resistencia eléctrica a través de la superficie del polímero, que cambia con el contenido de agua. Este sensor, necesita una tensión de excitación alterna, no por la medición, sino para evitar la destrucción del polímero por causa del efecto electrolítico .. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

e = -Ndφ/dt Sensores basados en la Ley de Faraday
Medición de Velocidad Sensores basados en la Ley de Faraday En un circuito o bobina con N espiras, que abarque un flujo magnético φ, si este varia con el tiempo se induce en el un voltaje o fuerza electromotriz e que viene dada por: e = -Ndφ/dt El flujo puede variar por si solo (como el que s generado por una corriente alterna) o puede varias por el movimiento de las espiras en el interior de un campo constante. Los tacogeneradores de alterna son del primer tipo, mientras los sensores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos son del segundo tipo. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Velocidad Tacogeneradores. Un generador rotatorio produce una señal de voltaje proporcional a la velocidad angular sobre el eje del mismo. Una posible configuración podría ser la que se ve en la figura. Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo ( creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica. Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo que pueden resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad angular. Estos sensores tienen diferentes adaptaciones mecánicas y tamaños para acoplarse a los ejes, así como diferentes características de voltaje de salida, que varían entre 2 y 6000 V para velocidades entre 1000 y rpm. Los hay de DC y de AC, dependiendo del origen de la excitación magnética (por imán DC y por bobina AC). Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Velocidad Sensores de velocidad lineal (LVTs). Los hay de dos tipos. El detector de devanado móvil, similar a los altavoces, en una bobina que se desplaza en presencia de un campo magnético se induce un voltaje, tal como se indica en la siguiente figura: Para aumentar la longitud del conductor y con ello la sensibilidad se usa un alambre muy fino. La sensibilidad es del orden de 10 mV por mm/s, con un ancho de banda de 10 a 1000 Hz. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Velocidad El detector de núcleo móvil, un imán permanente se desplaza en el interior de una bobina, tal como se indica en la figura: El margen de desplazamiento de estos sensores varia entre 0.5 cm y 20 cm. Los modelos comerciales utilizan bobinas conectadas en oposición serie para evitar que al desplazarse a velocidad cte. en el interior de la bobina la tensión de salida sea cero como se indica en la siguiente figura: Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Velocidad Esta disposición permite un mayor margen de desplazamiento (hasta 25 cm). Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición basada en sensores de efecto HALL
Medición de Velocidad Medición basada en sensores 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

Medición de Velocidad 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. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Medición de Velocidad 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 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. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Tacómetros de Reluctancia Variable
Medición de Velocidad Tacómetros de Reluctancia Variable La caída del campo magnético debido a la interrupción del mismo entre dientes de un engranaje ferroso proporciona una salida de señal analógica (onda sinusoidal). Este sensor es conveniente para rangos velocidad entre 30 a 1000 pulgadas por segundo, con engranajes de 1 a 32 dientes. Este esquema de medición es muy empleado en mediciones automotrices. Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

Sensores de efecto Wiegand
Medición de Velocidad Sensores 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

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Tacómetros fotoeléctricos.
Medición de Velocidad Tacómetros fotoeléctricos. Utilizan una fuente de luz, de cualquier longitud de onda y un dispositivo fotosensible: fotorresistencias, celdas fotovoltaicas, fotodiodos, fototransistores, fotoSCR, etc. Pueden trabajar por recepción o por reflexión. Estos dispositivos, junto con los de reluctancia variable por la característica de transformar una rotación mecánica en pulsos eléctricos suelen tomar el nombre de encoders o generadores rotatorios de pulsos. La rueda giratoria perforada suele tomar el nombre de rueda de codificación y su resolución esta dada por el numero de cuentas por revolución o CPR. Los encoders ópticos comerciales tienen entre 96 y 2048 Luis Echeverría Y. - Laboratorio de Automatización y Mecatrónica

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Instrumentación Mecatrónica 2

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