TEMA 4: SENSORES Y TRANSDUCTORES ¿Qué es un Transductor? Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo fuerza,

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1 TEMA 4: SENSORES Y TRANSDUCTORES ¿Qué es un Transductor? Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro. Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).

2 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Un transductor es un elemento encargado de convertir una variable física en otra, la forma mas común es convertir una variable mecánica (presión, velocidad, posición) en una variable eléctrica (voltaje, corriente o impedancia). Por lo que puede entenderse como un convertidor Transductor

3 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Los procesos de medición, necesitan de un elemento sensor, para poder medir el cambio de la variable física deseada. El elemento sensor actúa como los sentidos del ser humano, son capaces de detectar cambios de una variable determinada, en muchos de los caso con una precisión mucho mayor. Sensor Los sensores pueden ser clasificados en digitales o analógicos, y según su función de transferencia (relación entrada / salida)

4 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora El elemento acondicionador toma la señal medida por el sensor y la convierte en una señal mas adecuada para ser procesada. Los acondicionadores, son subsistemas activos, es decir, toman energía de una fuente externa para amplificar y manipular la variable o señales que entran a ellos. Acondicionador

5 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Se denomina señal a toda aquella muestra física que puede ser medida, ya sea variable o constante en el tiempo. La principal distinción eléctrica se hace entre dinámica (corriente alterna ó AC) ó estática (corriente continua ó DC). A la vez las señales alternas, pueden estudiarse tanto en el tiempo como en la frecuencia. Por otra parte para el estudio de las señales continuas en el tiempo se clasifican en continuas y discretas, como se muestra en la figura. Tipo de señales Es bueno notar que la señal que entrega el transductor puede ser una resistencia, un nivel de voltaje o de corriente. En la mayoría de los casos se desea que la señal entregada por el transductor sea tensión.

6 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Señales estáticas: Son señales que su valor permanece constante en el tiempo o que su variación en el tiempo es muy pequeño con respecto a los valores deseados para la su medida, como por ejemplo presión atmosférica, temperatura ambiente. Señales dinámicas: Dominio del tiempo (analógicas): Aceleración o desaceleración de la vibración de un cojinete, presión interna en el cilindro de un motor. Dominio del tiempo (Digital): posición medida a través de un codificador incremental, valor eficaz del nivel de tensión del control de un dispositivo de control todo-nada (ON-OFF). Domino de la frecuencia: muestreo de una señal, analizando su ancho de banda y frecuencia central. Tipo de señales

7 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Tipo de señales

8 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Controlador Es el encargado de tomar la señal proveniente del acondicionador y operar sobre ella, con el fin de procesarla con mayor facilidad. Este dispositivo se encarga de coordinar todas las operaciones preestablecidas por el usuario u operador. Los controladores son de tipo analógicos o digitales, de acuerdo a la manipulación de la información. Otra de las funciones del elemento controlador es el enviado al indicador. Indicador Este elemento es el que presenta al ser humano (usuario) la medida de la variable física que esta siendo capturada por el sistema de medición. Los indicadores pueden ser analógicos (generalmente de agujas, plumas entre otros) o digitales (pantallas de cristal, display, entre otros). Sistema de Medición

9 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Según sus Características Eléctricas: Activos: Ellos mismos son capaces de generar la energía necesaria para ser medida e interpretada por el acondicionador. Pasivos: Estos requieren una alimentación externa para poder generar la señal que será medida por el acondicionador. Clasificación de los Sensores

10 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Según sus características físicas Los sensores se clasifican de acuerdo a la propiedad física que produce la excitación que es medida por el acondicionador. Sensores basados en resistencias eléctricas: Potenciómetros, galgas extensiométricas, termoresistencias y termistores. Sensores basados en variación de inductancias: por cambio de reluctancia (RVT), acoplamiento magnético (LVDT) o por modificación de permeabilidad por tensión mecánica (efecto magnetoelastico o magnetostricción) Sensores basados en variación de capacitancia: por cambio de dimensión de las placas capacitivas o por modificación del dieléctrico entre las placas. Sensores basados en variación por calentamiento: Producen energía al someter dos metales unidos en un extremo a una temperatura diferente al extremo de medición. Basados en el efecto de Peltier, Seebeck y Thomson. Sensores basados en efectos piezoeléctricos: producen una tensión eléctrica al ser sometidos a una presión mecánica. Clasificación de los Sensores

11 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Según la magnitud a medir. Otra forma de clasificarlos es según la magnitud a medir Medida de desplazamiento relativo: Los transductores para la medición de pequeños desplazamiento. Inductivos Capacitivos Potenciómetros Medida de desplazamiento sin contacto: Los sensores inductivos poseen gran capacidad de medida sin contacto, miden pequeños desplazamiento y son muy sensibles. Sin embargo su respuesta es no lineal. Medida de fuerza: Una de las formas más comunes de hacer la medición de fuerza es de forma indirecta. Los elementos mas utilizados para la medición de fuerzas son las galgas extensiométricos y los LVDT. Medida de pares: puede hacerse pegando sobre el mismo cuatro galgas extensiométricos, una en cada rama de un puente de Wheatston. Las galgas que formen un ángulo de 45° con la sección recta. Sistema de Medición

12 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Exactitud Es la conformidad de un valor indicado con respecto a un valor real. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe asumirse como “exactitud de referencia”. Esta describe la desviación con respecto a un valor verdadero cuando el instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia, e incluye la combinación de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

13 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Alcance o Rango El alcance de entrada de un elemento se especifica con los valores mínimo y máximo de la entrada (I) es decirle valor de IMIN a IMAX. El alcance de salida se especifica con los valores mínimo y máximo de la salida (O) es decir los valores OMIN a OMAX. Así un transductor de presión puede tener un alcance de entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20 mA; un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 oC y un alcance de salida 4 a 10 mV. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

14 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Intervalo o Span El intervalo es la variación máxima en la entrada o en la salida, es decir, el intervalo de entrada es IMAX - IMIN y el intervalo de salida OMAX - OMIN. Así, por ejemplos, un transductor de presión tiene un intervalo de entrada de 10 N y un intervalo de salida de 16 mA; Otro ejemplo es el de un termopar que puede tener un intervalo de entrada de 150 oC y un intervalo de salida de 5 mV, es bueno notar que de acuerdo a la referencia, se pude tener desplazada la salida. Como se muestra en la figura. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

15 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Curva de Calibración Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición son las curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y viceversa si es necesario. Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor o transductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración, en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta en amplitud. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

16 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Linealidad Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A(IMIN, OMIN) con el punto máximo B(IMAX, OMAX). La ecuación de la línea recta es: Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

17 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Sensibilidad Es la señal mínima a la cual el instrumento responde, indicando un cambio en la variable de medición. Si el instrumento no responde a un cambio pequeño se dice que tiene una zona o banda muerta. En la figura se muestra cual es la sensibilidad de salida de un instrumento con respecto al cambio de la señal de entrada. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. En la figura podemos observar una banda muerta, que es el rango a través del cual un cambio en la señal de entrada no produce un cambio en la señal de salida.

18 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Histéresis Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace con los datos de subida y los datos de bajada en la entrada), al representar gráficamente los datos de la medida del transductor (variable de salida o variable eléctrica), tendremos la representación de dos curvas de salida, una de subida y otra de bajado. Idealmente deberían ser iguales la curva, a la diferencia entre estas dos curvas se define como la histéresis. En la figura se muestra la curva de histéresis de un sistema de medición. Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica.

19 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Factores importantes para la selección de un sensor Magnitud a MedirCaracterísticas Ambiente Margen de medidaMargen de temperatura ResoluciónHumedad Exactitud deseadaVibraciones EstabilidadAgentes químicos Ancho de bandaAtmósfera explosiva Tiempo de respuestaEntorno electromagnético Limites absolutos de la magnitud a medir Magnitudes interferentes Características de salidaCaracterísticas de Alimentación SensibilidadTensión Tipo: tensión, corriente, frecuenciaCorriente Salida señal: unipolar, flotante, diferencialFrecuencia (en caso de alterna) Impedancia (I/O)Potencia disponible Destino: analógico, digital, telemetríaEstabilidad

20 Instrumentación Electrónica Avanzada Transductores y Sensores Prof. José Andrickson Mora Factores importantes para la selección de un sensor Otros factores para la selección del sensor PesoLongitud de cable necesario DimensiónTipo de conector Vida mediaSituación en caso de fallo Precio de compraCosto de mantenimiento DisponibilidadConsto de instalación Tiempo de InstalaciónCosto de sustitución