Carrera: Ingeniería MecánicaDepartamento: Mecánica Bloque: Tecnologías Básicas Área: Electrónica y sistemas de Control Facultad Regional Santa Fe – UTN Tema: SENSORES Y TRANSDUCTORES Parte I Bibliografía: Areny Pallás Areny Sensores y acondicionadores de señal Ed. Marcombo Serie Mundo Electrónico Electrónica y automática industriales I y II. Ed. Marcombo Creus Antonio. Automatización industrial. Ed. Marcombo ELECTRÓNICA Y SISTEMAS DE CONTROL • Elemento Primario de Medición El elemento primario de medición o sensor, es aquel que detecta el valor de salida ó sea es la porción de los medios de medición que primero utiliza la energía del medio controlado. Pueden ser elementos eléctricos, mecánicos, electrónicos, o una combinación de varios. Los sensores pueden ser únicamente indicadores si no trasmiten ninguna señal hacia otro dispositivo. El tipo de sensor depende de la variable del proceso. Los elementos primarios de medición más comunes son para los procesos de nivel, temperatura, presión, y flujo Sensores y transductores • Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida. • Sensor y transductor se emplean como sinónimos, pero un sensor es un captador para designar el transductor de entrada y actuador o accionamiento para designar el transductor de salida. • El sensor obtiene información y el transductor busca la conversión de energía Ejemplo: sensores de temperatura bimetales Definiciones importantes Sensores • Los sensores (captador o transductor de entrada) son una parte crucial de cualquier diseño en un sistema de control, dado que proveen la información necesaria a partir de la cual se genera la acción de control. • Recordemos que son los «ojos» del controlador, por lo que cualquier defecto significativo, o error en la medición tendrá un impacto significativo en el desempeño global del sistema. • Los principales dificultades asociadas a los sensores tienen origen: - en ruido, inherente a la medición, y - restricciones en la dinámica del sensor en sí. Transductor (transductor de salida) es todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Convierte un tipo de energía en otro. Un transductor queda completamente identificado si se especifican las siguientes características: a) magnitud de sensado b) elemento de transducción: principio que utiliza c) elemento de sensado d) rango de medición Ejemplo: Medición de diferencia de presiones: se emplea un difragma cuya deformación se mide con una galga extensiométrica magnitud de sensado presión principio que utiliza desplazamiento diferencial elemento de sensado: diafragma sensor primario, elemento transductor la galga rango de medición: 0 a 400 psi Dinámica del sensor • Otra limitación común asociada a los sensores es la propia dinámica de los mismos. Por ejemplo, la mayoría de las termocuplas vienen recubiertas por una vaina. Vaina de una termocupla • Esta vaina protege el sensor bimetálico, pero al mismo tiempo incorpora una dinámica adicional, ya que la vaina también debe calentarse y esto lleva un tiempo que puede ser significativo dependiendo del proceso. Tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas) En especial los sistemas de medida electrónicos ofrecen las siguientes ventajas: 1- Eligiendo el material adecuado permite realizar transductores con salida eléctrica para cualquier magnitud física no eléctrica. 2- Se amplifica la señal del transductor con AO con ganancias de potencia de 10 10 3- Existen numerosos recursos para presentar o registrar información en forma electrónica, manejando gráficos, textos y diagramas. 4- La transmisión de señales eléctricas es más versátil que la de señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas. Características dinámicas de los sistemas de medida • La descripción del comportamiento de un sensor se hace mediante las características dinámicas: error dinámico y velocidad de respuesta. • Según la relación entrada-salida los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior • Sensor de orden cero: y(t)= k x(t) k sensibilidad estática, Ej: potenciómetro • Sistemas de primer orden a 1 dy(t)/dt +a 0 y(t)= x(t) Ej: termómetro • Sistemas de segundo orden a 2 d 2 y(t)/dt 2 +a 1 dy(t)/dt +a 0 = x(t) Ej: acelerómetro Tipos de transducción Resistiva: La magnitud a medir afecta la resistencia de un conductor o semiconductor, termoresistencia (temperatura), strain gages (esfuerzo mecánico) Potenciométrica: La magnitud que se desea medir desplaza el cursor de un potenciómetro. Graficador Reluctiva: La magnitud se convierte en un cambio de tensión alterna por variación de la reluctancia entre dos o más bobinas alimentadas en alterna, Transformador diferencial variable. Capacitiva: La magnitud produce una separación variable entre las placas de un capacitor o bien de la variación del dieléctrico, Medidores del desplazamiento y de nivel de líquido. Electromagnética: Se obtiene una fem inducida en una bobina por variación del campo magnético en el interior de la misma. Medidores magnéticos de caudal. Fotoconductiva: La magnitud a medir produce una variación de la resistencia de un material semiconductor mediante un cambio en la cantidad de iluminación incidente en el mismo. Fotovoltaica: La magnitud de interés se traduce en una fem generada en una juntura PN ante un cambio de iluminación en la misma. Termoeléctrica: Cuando dos metales diferentes se unen, se genera un potencial de contacto que depende de la temperatura de la unión. Piezoeléctrica: La magnitud a medir se convierte en un cambio de la carga electrostática o tensión generada por ciertos cristales cuando se los somete a esfuerzos mecánicos. Senales de corriente • sensores utilizados en control de procesos generan una señal de 4 to 20 mA or 0 to 20 mA. – Menos sensible al ruído y caída de tensión en el cableado. – El sistema de acondicionamiento de señal debe convertir la señal de corriente a tensión (0-10V) Ejemplo: Medidor de temperatura Conversión corriente-tensión La senal de corriente del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts ERRORES DE MEDICIÓN El error de medición es la inexactitud producida al comparar una magnitud con su patrón de medida. Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida. El error generalmente tiene sus causas debido a los siguientes motivos: 1. Propios del sistema: El sistema presenta ruido y/o otros factores internos que alteran las medidas del sensor o las acciones del elemento de control. 2. Por patrones falsos: Se presenta cuando se ha calibrado los sensores con patrones alterados y por tanto estos informan una lectura equivocada. 3. Ruidos Exteriores: Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión así como problemas de mala conexión a tierra. 4. Tiempo de Respuesta: La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden crítico (sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema y la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso. TIPOS DE ERROR Error de Linealidad Se manifiesta por un desplazamiento paralelo de la curva completa de calibración. Ejemplos: corrimientos por causas térmicas. Error Dinámico Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso. Error Estático Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor. Linealidad Se expresa como un porcentaje de salida de fondo de escala de la máxima desviación, de cualquier punto de calibración durante cualquiera de los ciclos de calibración con respecto a una línea recta de referencia. Error sistemático. Este error se origina esencialmente por una deficiente calibración del instrumento en relación al patrón. Error accidental Originado por factores accidentales o aleatorios entre los cuales se encuentran las imprecisiones de manipulación del operador que ha ce la medición o factores ajenos al instrumento. Sensores primarios resistivos El potenciometro R= ρ.l/A; ρ resistividad del material, l su longitud y A su sección R no es uniforme, el contacto del cursor da una variación de resistencia continua no a saltos, los R cambian de valor con la temperatura, rozamiento del cursor y su inercia. El potenciometro Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a su posición angular Los potenciómetros se aplican a la medida de desplazamientos que excedan de 1 cm a 10 0 Potenciometro lineal (similares a los utilizados en equalizadores de equipos de audio) Sensor de temperatura: bimetales • Es toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente mediante soldadura autógena y sometidos a la misma temperatura. Sensores de presión • La presión en líquidos o gases es una de las más frecuentes en control de procesos. Al aplicar una presión a un elemento elástico se deforma hasta el punto en que las tensiones internas igualan la presión aplicada. • Dispositivos: tubo Bourdon o diafragma Consiste en un tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre interior y exterior. Se empotra rígidamente por un extremo y el otro se ciega, de modo que la tendencia a recuperar la sección transversal provoca un desplazamiento del extremo libre. Distintas formas de tubos Bourdon Sensores flujo caudal • Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de materia y energía mediante fluidos, para control de procesos o como indicación. • La mayoría de los caudalímetros se basan en métodos de medida indirectos y en particular en la detección de diferencia de presiones presión. Repasar flujo de fluidos • Tubo Pitot empleado para determinar la magnitud de la velocidad de un fluido en un punto. El tubo Pitot es usado en aviación para medir la velocidad del aire. • Caudalímetros de obstrucción a una restricción de área constante. • Rotámetros Sensores de fuerza • Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la variación de su resistencia Sensor de posición angular El encoder es un transductor rotativo que transforma un movimiento angular en una serie de impulsos digitales. Estos impulsos generados pueden ser utilizados para controlar desplazamientos de tipo angular o de tipo lineal, si se asocian sa cremalleras. Las señales eléctricas de rotación pueden ser Controles Numéricos, controladores Lógicos Programables (PLC), sistemas de control. Las aplicaciones de estos transductores están en máquinas herramientas, robot, en los sistemas de motores, aparatos de medición. Transformador diferencial de variación lineal (LDVT) Se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético. Se aplica una tensión alterna y la tensión inducida en cada bobinado secundario dependera de la posición del nucleo magnético