Sensores y transductores

Transductores Los transductores son dispositivos que convierten una señal de una forma física en otra señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Convierte una forma de energía en otra forma de energía, sin cargar la primera forma de energía. En general, sí un dispositivo convierte una señal en otra, ya sean mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas o moleculares (químicas) puede ser considerado un transductor. No obstante, la tendencia generalizada es considerar transductores a aquellos que ofrecen una salida eléctrica por razones muy evidentes.

Sensores Los sensores son dispositivos que, a partir de la energía del medio donde mide, suministran una señal de salida que es función de la variable medida. El término sensor sugiere una significación mas amplia y precisa que lo permitido por los sentidos, en la búsqueda de disponer de información de variables físicas de cierta naturaleza y magnitud. Sin embargo, en la mayoría de los casos, sensor y transductor, se usan como sinónimos. En robótica se utilizan los términos captadores, sensores o transductores de entrada, a los dispositivos que convierten señales físicas, en señales eléctricas; mientras que los términos actuadores, accionamientos o transductores de salida, como los dispositivos que convierten señales eléctricas en presentación o manejo de formas de energía asociadas al control de variables del proceso.

Dominio de los datos Se entiende por dominio de los datos a la magnitud mediante la cual se representa, procesa y transmite la información de variables físicas. Se discriminan los siguientes tipos de dominios: El dominio analógico El dominio temporal El dominio digital

El dominio analógico El dominio analógico, en el cual la información esta contenida en la amplitud de la señal. Este dominio es el más susceptible a interferencias.

El dominio temporal El dominio temporal, en el cual la información se ubica en las relaciones de tiempo, periodo, frecuencia, fase y duración de pulsos. La información mínima se discrimina después de transcurrido un ciclo completo.

El dominio digital El dominio digital, en la cual la información se expresa en forma binaria mediante pulsos que definen palabras, serie o paralelo, codificadas. La obtención de la información mínima correspondiente a la palabra paralelo es mas inmediata que a la palabra serie.

Conversiones entre dominios Un sistema de medida tendrá diferentes conversiones entre dominios según sea la medición de la variable física, pudiendo ser: Conversión de dominio directa o Conversión de dominio indirecta.

Conversión de dominio directa La Conversión de dominio será directa cuando la información cuantitativa de la variable física se obtiene mediante la comparación con una referencia. Tal es el caso de la balanza clásica.

Conversión de dominio indirecta Mientras que la medición de la variable física se considerará indirecta cuando la magnitud de interés, se calcula en base a otras mediciones y a la aplicación del principio que rige dicha variable. Un ejemplo sería la medición de la potencia mecánica transmitida por un eje, a partir de la medición de la velocidad de rotación del eje y de la medida del par.

Selección del sensor ¿Cuál es la variable física a medir? Antes de efectuar la selección del sensor se deben formular tres interrogantes esenciales: ¿Cuál es la variable física a medir? ¿Qué principio físico del sensor es el más adecuado para medir esa variable? ¿Qué precisión se requiere?

Factores que contribuyen a la precisión del sensor Los parámetros básicos del sensor. Las condiciones físicas. Las condiciones ambientales y La compatibilidad con los otros equipos.

Para garantizar el mínimo error del sistema se recomienda: 1) Calibrar el sistema en sitio. 2) Registrar las condiciones ambientales, simultáneamente con cada medición. 3) Controlar artificialmente las condiciones del entorno.

Galgas extensiométricas resistivas La galga extensiométrico es un sensor que convierte un desplazamiento mecánico en una variación de resistencia. Este dispositivo se fija a ciertos materiales a objeto de medir los esfuerzos aplicados. Su fabricación consiste en alambres delgados u hojas metálicas delgadas. La resistencia de alambre aumenta su valor al aumentar su longitud y al disminuir su sección transversal.

Sensibilidad de una galga extensiométrico La sensibilidad de una galga extensiométrico se expresa en términos del Factor de Galga, K, definido como la razón de la unidad de cambio de la resistencia entre la unidad de cambio de longitud., lo que corresponde a

Factor de Galga, K El Factor de Galga, K, se define como la razón de la unidad de cambio de la resistencia entre la unidad de cambio de longitud, lo que corresponde a

Factor de Galga, K K = Factor de galga R = Resistencia nominal de la galga R = Cambio en la resistencia de la galga l = Longitud normal de la galga sin esfuerzo  l = Cambio en la longitud de la galga

Esfuerzo normal o deformación unitaria La unidad de cambio de longitud,  l / l se conoce como esfuerzo normal o deformación unitaria, , lo que equivale a la expresión:

Factor de Galga, K

Resistencia de un conductor  = La resistividad especifica del conductor A = Área de la sección transversal del conductor

Conductor sometido a un esfuerzo en dirección longitudinal Al someter al conductor a un esfuerzo en dirección longitudinal, las variables que intervienen en la determinación del valor de la resistencia también cambian

Sección del conductor r = Radio del conductor y D = Diámetro del conductor

Sección del conductor

Tipo de galga y su montaje Galgas: a) Versión en laminilla b) Montaje protegido c) Versión en conductor cilíndrico

Al aplicar una tensión mecánica al conductor de la galga Se produce un incremento l en su longitud simultáneamente con una disminución  D en el diámetro, con lo cual la resistencia R del conductor cambia a Rs

Multiplicando y dividiendo por l y por D

Multiplicando y dividiendo por l y por D

Relación de Poisson, , La relación de Poisson, , se expresa como el cociente de la tensión mecánica en la dirección lateral a la tensión mecánica en la dirección axial

Rs en función de 

El factor de galga en función de la relación de Poison Para la mayoría de los metales siendo 0,303 para el acero, y 0,33 para el aluminio y el cobre. De los valores establecidos por el rango, se determina que para la mayoría de los metales

Valores de K Para la aleación de constantan K  2 Para la aleación conocida como Alloy 479 K = 4 Para el platino K = 6 Para el Isoelast K = 3,5.

Ley de Hooke La ley de Hooke relaciona el esfuerzo y la tensión mecánica en términos del módulo de elasticidad del material bajo tensión mecánica. El esfuerzo se puede definir como la fuerza aplicada por unidad de área y la tensión mecánica como la elongación del miembro esforzado por unidad de longitud.

Ley de Hooke P = Fuerza aplicada o carga  = Tensión mecánica A = Area E = Constante del material, módulo de elasticidad o de Young  = Deformación unitaria

Ejemplo Una galga extensiométrico resistiva con sensibilidad desconocida se suelda a una columna de un material a la cual se aplica una carga de 13.000 N/cm2. El módulo de elasticidad del material utilizado es 12.050 Kg / mm2; siendo la relación de Poisson 0,30 Calcule: a) La deformación unitaria y b) El factor de galga.

Ejemplo Datos:  = 13.000 N/cm2  = 0,30 E = 12.050 kg / mm2 Solución:  = 0,30 E = 12.050 kg / mm2 Solución: a) De la ley de Hooke

Ejemplo La resistencia de la galga experimento un incremento en su valor del 0,11 %.

Ejemplo b) Se determina el factor de galga

Detectores de temperatura resistivos RTD Los termómetros de resistencias se caracterizan por emplear un elemento sensible a la temperatura, tales como el platino, el cobre, el níquel, dentro de cierto rango. En la figura se ilustra el símbolo del RTD (Resistente Temperatura Detector), la diagonal recta indica que su valor resistivo varia linealidad con respecto a la variable identificada (Temperatura) con coeficiente positivo.

El comportamiento del RTD El comportamiento del RTD se define por la relación siguiente Para el hilo de platino: 1 = 3,90x10-3/K y 2 = -5,83x10-7/K hasta la temperatura de 650 oC

El comportamiento del RTD El comportamiento del RTD se define por la relación siguiente Para el platino en película fina: 1 = 3,912x10-3/K 2 = -6,179x10-7/K y 3 = 1,92x10-7/K

Comportamiento del RTD El comportamiento dinámico corresponde a un a un sistema paso bajo de primer orden como consecuencia de la capacidad calorífica de la resistencia dependiente de la temperatura. Sí la RTD presenta además un recubrimiento de protección, el sistema se considera paso bajo de segundo orden.

Limitaciones a considerar al seleccionar una RTD para medir temperatura No exceder el rango permitido, ya que el valor máximo está muy próximo a la temperatura de fusión del RTD Evitar el autocalentamiento ocasionado por el mismo circuito de medida, ya que lo ideal es que el sensor este a la temperatura que mide. Tomar en cuenta el gradiente de temperatura al medir temperaturas superficiales mediante estos sensores adheridos al sólido evaluado.

Coeficiente de disipación  La capacidad que tiene el sensor de disipar el calor, para un ambiente especifico, esta dado por el coeficiente de disipación  (mW/K), y depende del tipo de fluido y su velocidad.

Ejemplo Se dispone de un RTD de platino de 100  a 25 oC, con un rango de temperaturas de – 200 a + 850 oC, que tiene un coeficiente de disipación térmica  de 5,95 mW / K en aire y 99,5 mW / K en agua. Determine qué corriente debe circular por el sensor en cada medio mencionado, sí se desea que el error por autocalentamiento no exceda de 0,5 oC.

Ejemplo Solución La potencia disipada es

Ejemplo Para el sensor sumergido en agua

Ejemplo Para el sensor al aire

Símbolos de los termistores a) PTC y b) NTC. Los termistores son dispositivos semiconductores que actúan como resistencias no lineales que varían en función de la temperatura. Sí el coeficiente de temperatura es positivo se denomina PTC, mientras que sí el coeficiente de temperatura es negativo se denomina NTC. Símbolos de los termistores a) PTC y b) NTC.

Termistores Los termistores, generalmente se emplean para medir temperaturas entre – 100 oC y + 300 oC. Se fabrican en una amplia variedad de formas (cuentas, discos, arandelas) y tamaños con diámetros, para el caso particular de las cuentas, de 0,15 a 1,25 mm, constituidos por una mezcla sintética de óxidos , como el manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro, uranio.

Ecuación Steinhart-Hart La curva individual de un termistor se puede aproximar a la ecuación Steinhart-Hart siguiente:

Ecuación Steinhart-Hart T = Kelvin R = Resistencia del termistor A, B, C = Constantes de ajuste de curva

Las constantes A, B y C Las constantes A, B y C se calculan seleccionando tres puntos de los datos del fabricante y resolviendo las tres ecuaciones simultaneas que resultan usando esos datos en la ecuación

Otra formula Un valor menos preciso del termistor se consigue usando la formula:

Otra formula R = Resistencia a la temperatura T ( K ) Ro = Resistencia a la temperatura T0 = ( 25+273 K)=298 K  = Constante de ajuste de curva.

Resistencia de los termistores La resistencia de los termistores puede variar de 50  a 2 M a la temperatura de 25 oC.

La Constante de ajuste de curva. El parámetro  conocido como temperatura característica del material o constante de ajuste de curva tiene valores de 2.000 K a 5.000 K.

Coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad relativa El coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad relativa viene dado por

Las fotorresistencias LDR Las fotorresistencias o celdas fotoconductoras son dispositivos cuya conductividad varía en función de la energía electromagnética incidente con longitudes de ondas de 1 mm a 10 nm. Muchos materiales son fotorresistivos, pero comercialmente han tomado alta relevancia el sulfito de cadmio ya que su respuesta espectral estrecha de 0,38 a 0,75 m, es casi igual a la del ojo humano.

Símbolo de la fotorresistencia LDR y modelo de encapsulado plástico a) Símbolos de la fotorresistencia LDR y b) Modelo de encapsulado plástico de un LDR.

Relación R - E La relación entre la resistencia R de una LDR y la iluminación E ( densidad superficial de energía recibida en unidades de luxes), es altamente no lineal

Relación R - E Donde A y  dependen del tipo de material y de las condiciones de la fabricación;

Las fotorresistencias o celdas fotoconductoras fabricadas Las fotorresistencias o celdas fotoconductoras de SCd tiene  entre 0,7 y 0,9, mientras que su valor resistivo puede variar, en presencia de la luz respecto a su ausencia en una relación de 1:10.000. Los tiempos de respuestas varían desde 100 ms en el SCd, hasta 2 s en las LDR de SePb. La disipación de potencia va de 50 mW hasta 1 W y las tensiones máximas sin iluminación pueden estar entre 100 V a 600 V.

Las fotorresistencias o celdas fotoconductoras fabricadas En las zona visible y muy próximas al infrarrojo se usan compuestos del cadmio como: SCd, SeCd, TeCd. En la región del infrarrojo cercano se usan los compuestos del plomo, como SPb, SePb, TePb. En la zona del infrarrojo medio y lejano se aplican compuestos de indio como SbIn, AsIn, así como el telurio, y aleaciones teluro-cadmio-mercurio, además del silicio y el germanio dopados.

Transformador diferencial de variación lineal, LVDT. El transformador de voltaje diferencial lineal, LVDT, se basa en la variación de la inductancia mutua entre el primario de un transformador y cada uno de sus dos (2) secundarios iguales y en oposición. La tensión de salida dependerá del desplazamiento a medir de su núcleo ferromagnético. El primario se alimenta con una tensión alterna.

Transformador diferencial de variación lineal, LVDT. Cuando el núcleo se encuentra en posición central, las tensiones inducidas en cada secundario son iguales y opuestas; por lo tanto la salida es cero. Al desplazarse el núcleo de la posición central, la tensión inducida de uno de los secundarios aumenta, mientras que la del otro disminuye en la misma magnitud.

Esquema eléctrico del LVDT

Impedancias del LVDT En el primario la resistencia total es y en el secundario es aplicando la LKV en el primario y en el secundario

Impedancias del LVDT La tensión de salida es

Impedancias del LVDT Al desplazar al núcleo a la posición central, se hace M2 = M1 y se comprueba que la tensión de salida se hace nula.

Fabricación de LVDT Se fabrican con alcances de 100 m a  25 cm.

LVDT: Aplicaciones Sus aplicaciones están dirigidas hacia las mediciones de desplazamientos y detecciones de posiciones. Frecuentemente se utilizan como detectores de cero en servosistemas de aviones y submarinos. Se utiliza en los medidores de aceleración acompañados de un sistema inercial. Se combina con el tubo de Bourdon, con un fuelle, diafragma o cápsula, para la medición de presiones. Herméticamente sellado, se utiliza conjuntamente con un flotador que desplaza su núcleo para detectar un cierto nivel al generar tensión de salida cero.

Termómetros digitales de cuarzo Estos sensores de cristal de cuarzo, a alta frecuencia con electrodos metálicos en dos de sus caras opuestas, tienen por símbolo y circuito equivalente el mostrado en la figura siguiente. La masa del cristal esta representada por L1, la elasticidad por C1, la fricción interna por R1, y la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la capacidad de los electrodos metálicos C0.

Termómetros digitales de cuarzo

Termómetros digitales de cuarzo donde To = Temperatura de referencia (25 C)  y  = Parámetros que dependen de la orientación del corte.

Termómetro digital HP 2804A: Esquema simplificado Se determinan 40 puntos del margen de medición que relaciona frecuencia con temperatura. En base a ellos se traza la curva de regresión. Los coeficientes obtenidos se almacenan en la memoria PROM que se suministra con cada sonda particular. La sonda puede estar distante del instrumento puesto que la información se transmite por frecuencia

Termómetro basado en dos BJT idénticos

Termómetro con 2 BJT como sensores y 2 BJT como circuitos de corrientes constantes. En la figura se implementa el circuito de corriente constante para IC1 = 10 A y IC2 = 5 A, siendo vd/T = 59,81 V/K. Para el amplificador operacional la ganancia AV = 167,18, la tensión de salida es V0 = 10 mV/K.

Otros sensores de temperatura basados en semiconductores AD592CN, REF-02A, LM335A, TMP-01, LM35, MMBTS 102. El TMP-01 consta de sensor, amplificador y comparadores.

Convertidor de temperatura a corriente que consta de dos fuentes de corriente de espejo Una fuente espejo esta formada por los transistores pnp Q1 y Q2. La otra fuente espejo esta constituida por el par de transistores npn Q3-Q4, por lo tanto, IC3 = IC4 = IT/2.

Convertidor de temperatura a corriente que consta de dos fuentes de corriente de espejo

Convertidor T/I AD590

Convertidor T/I AD590

Convertidor T/I AD590

FIN