domingo, 19 de mayo de 2013

2.1 Sensores y transductores

El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia. Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez, de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores.


Terminología del funcionamiento
Los Siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo.

Rango y margen.
 El rango de un transductor define los límites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo.

Error.
El error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide.
Error = valor medido - valor real

Exactitud.
La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor.

Sensibilidad.
 La sensibilidad es la relación que indica qué tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada.

Error por no linealidad.
Este error se define como la desviación máxima respecto a la linea recta correspondiente. Para expresar numéricamente el error por no linealidad se utilizan varios métodos.

Repetibilidad/Reproducibilidad.
 Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida después de aplicar el valor de entrada, el error se expresa como un porcentaje de la salida a rango total.

Estabilidad.
La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo.

Banda/tiempo muerto.
 La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.

Resolución.
Cuando la entrada varía continuamente en todo el rango, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos.

Impedancia de salida.
Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida dado que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito. Al incluir el sensor, el comportamiento del sistema con el que se conecta podría modificarse de manera considerable.

Características estáticas y dinámicas
Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable, es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después de recibir cierta entrada  La terminología anterior se refiere a este tipo de estado. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable. Las características dinámicas se expresan en función de la respuesta del trans­ductor a entradas con determinadas formas.

Tiempo de respuesta.
Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje.

Constante de tiempo.
Es el 63.2% del tiempo de respuesta.

Tiempo de subida.
 Es el tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en estado estable.


Desplazamiento, posición y proximidad                      
Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en qué momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sen­sor. Los anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado).
Al elegir un sensor de desplazamiento, posición o proximidad, deberá tenerse en cuenta lo siguiente:
1.    La magnitud del desplazamiento
2.    Si el desplazamiento es lineal o angular.
3.    La resolución que se necesita.
4.    La exactitud que se necesita.
5.    El material del que está hecho el objeto que se mide.
6.    El costo.

Sensor potenciométrico
Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Éste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotaciona­les; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial.



Elemento con deformímetro
El deformímetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico, una cinta de papel metálico o una tira de material semiconductor en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuese una estampilla postal. Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia R cambia, y el cambio de resistencia ΔR/R es proporcional al esfuerzo.


Codificadores ópticos
Un codificador es un dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de posición se clasifican en dos categorías: codificadores de incremento, los cuales detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos y codificadores absolutos, que proporcionan la posición angular real.

Sensores neumáticos
Los sensores neumáticos utilizan aire comprimido, y el desplazamiento o la proximidad de un objeto se transforman en un cambio en la presión del aire.
Estos sensores se usan para medir desplazamientos de fracciones de milímetros.


Velocidad y movimiento
Los siguientes son ejemplos de sensores que sirven para monitorear velocidades lineales y angulares y detectar el movimiento. Entre las aplicaciones de los detectores de movimiento figuran los sistemas de seguridad utilizados para detectar la presencia de intrusos, así como juegos y aparatos interactivos; como las pantallas de los cajeros automáticos que se activan cuando alguien se aproxima a ellos.

Codificador diferencial
El codificador diferencial descrito  se usa para medir la velocidad angular determinada por la cantidad de pulsos producidos por segundo.

Tacogenerador
El tacogenerador sirve para medir la velocidad angular. Una de sus modalidades es el tacogenerador de reluctancia variable, el cual está formado por una rueda dentada de material ferromagnético unida a un eje giratorio.


Sensores piroeléctricos
Los materiales piroeléctricos,, son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo calorífico  Si el material se calienta en un campo eléctrico a una temperatura justo por debajo de la temperatura de Curie, y se deja enfriar el material al tiempo que se mantiene en medio del campo, los dipolos del material se alinean y éste se polariza Los sensores piroeléctricos están formados por un cristal piroe­léctrico polarizado cuyas caras tienen delgadas capas de metal como electrodos. Dado que el cristal está polarizado con superficies cargadas, los iones son atraídos por el aire que los rodea y por los electrones del circuito de medición conectado al sensor para equilibrar la carga superficial.


Fuerza
La balanza de resorte es un ejemplo de sensor de fuerza; en ella se aplica una fuerza, un peso, al platillo y ésta provoca un desplazamiento  es decir, el resorte se estira. El desplazamiento es entonces, una medida de la fuerza. Las fuerzas por lo general se miden con base en un desplazamiento. El siguiente método ilustra lo anterior.

Indicador de presiones con deformímetro
Una modalidad muy común de transductor para medir fuerza se basa en el empleo de deformímetros de resistencia eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento cuando éste se estira, comprime o dobla por la aplicación de una fuerza. A este transductor se le conoce como indicador de presiones.


Presión de fluidos
En muchos de los dispositivos utilizados para monitorear la presión de fluidos de procesos industriales se monitorea la deformación clásica de diafragmas, cápsulas y tubos. Los tipos de medición que se necesitan son: presión absoluta, en cuyo caso la presión que se mide es relativa a una presión cero, es decir, al vacío; presión diferencial, con la cual se mide una diferencia de presiones, y presión manométrica, en la que la presión se mide en relación con la presión barométrica.

En un diafragma hay una diferencia de presión entre ambas caras, por lo que el centro del diafragma se desplaza. Un diafragma corrugado ofrece mayor sensibilidad. El movimiento del diafragma se monitorea mediante un sensor de desplazamiento que puede ser un deformímetro. Es frecuente utilizar deformímetros de diseño especial, los cuales constan de cuatro deformímetros, dos para medir el esfuerzo en la dirección de la circunferencia y dos en dirección radial. Los cuatro defor­mímetros se conectan de manera que formen los brazos de un puente de Wheatstone . Es posible adherir los deformíme­tros al diafragma, pero también existe la opción de hacer un diafragma de silicio en el que los deformímetros son áreas especiales del diafragma con impurezas.


Flujo de líquidos
Entre los métodos tradicionales para medir el gasto de líquidos figuran los dispositivos que miden la caída de presión que se produce cuando un fluido pasa por un tubo Venturi.


Nivel de líquidos
El nivel de líquido en un recipiente se mide en forma directa monitoreando la posición de la superficie del líquido, o de manera indirecta midiendo alguna variable relacionada con la altura. En los métodos directos una posibilidad es usar flotadores; entre los indirectos figura el monitoreo del peso del recipiente, utilizando, por ejemplo, indicadores de presión,los cambios en la altura del liquido causan cambios en el peso. Es común que en los métodos indirectos se mida la presión, en alguna parte del líquido  que se produce por una columna de liquido h, puesto que es igual a hpg, en donde p es la densidad del líquido

Sensores de luz
Los fotodiodos son diodos de unión hechos con semiconductores), los cuales están conectados en un circuito con polarización inversa, por lo que su resistencia es muy elevada. Cuando la luz incide en la unión, la resistencia del diodo disminuye y la corriente del circuito aumenta de manera notable











No hay comentarios.:

Publicar un comentario