Mediciones de Magnitudes no
Eléctricas
Tipos de Transductores
• Temperatura
• Posición y desplazamiento
• Presión
• Vibración y aceleración
• Magnéticos
Medición de Temperatura
• Termopares o termocuplas
• Detectores de temperatura resistivos
(RTD)
Termopares
• Se basa en el efecto Seebeck
*: cuando la
unión de dos metales se calienta o enfría
aparece una diferencia de potencial entre
los extremos
*Descubierto por Tomas Seebeck en 1821
Termopares comunes
Elemento + Elemento -Tipo ANSI Rango de T. (C) Sensibilidad(V/C) Ambiente Cobre Cromel** Hierro Cromel Pt (13% Rh) Pt (10% Rh) Pt (30% Rh) W (05% Rh) W W (03% Rh) Constantan* Constantan Constantan Alumel*** Platino Platino Pt (06% Rh) W (26% Rh) W (26% Rh) W (25% Rh) T E J K R S B -200 a 370 -200 a 900 0 a 720 -200 a 1250 0 a 1450 0 a 1450 0 a 1700 0 a 2320 0 a 2320 0 a 2320 40,5 67,9 52,6 38,8 12,0 10,6 7,6 16,6 16,0 17,0Red., inerte o vacío Oxidante o inerte. Red., inerte o vacío
Oxidante o inerte. Oxidante o inerte. Oxidante o inerte. Oxidante o inerte. Vacío, inerte o hidr. Vacío, inerte o hidr. Vacío, inerte o hidr.
* 55% cobre 45% níquel ** cromo níquel
Termopares
T = a
0+ a
1x + a
2x
2+a
3x
3+ … +a
nx
nDonde:
– T = temperatura en grados centígrado
– x = voltaje del termopar
– a = coeficiente del polinomio
Unión de referencia
Unión de Referencia
• En el equipo de medición se forman dos termocuplas adicionales
Unión de Referencia
Compensación
RTD
• Se basan en la propiedad que tienen los
metales de cambiar el valor de su
Propiedades de las RTD
Material
Rango (C)
TC(%/C)@25 C
Platino
Niquel
Cobre
Niquel-hierro
-200 a 850
-80 a 320
-200 a 260
-200 a 260
0,39
0,67
0,38
0,46
RTD
R
t= R
ref(1+
t)
Donde
– R
ref= resistencia a la temperatura de
referencia
–
= coeficiente de temperatura de la
resistencia
–
t = diferencia entre la temperatura de
RTD
0 20 40 60 80 100 120 140 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 TEMPERATURA °C RESISTENCI A (Ohm) R(T) = 100 + 0,391T - 0,00006 T2Termistor
• Están hechos de semiconductores y
disminuyen la resistencia al aumentar la
temperatura
Termistor
Donde
– R = resistencia a T (
K)
– R
0= resistencia a T
0(
K)
–
= constante del ajuste de curva (2000-4000)
) 1 1 ( 0 0 T T
e
R
R
Termistor
R e si ste n c i a v s te m p e r a tu r a te r m i sto r 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Te mp e r a tu r a °C Resistencia ohmPosición y desplazamiento
• Sensores óptico
• Inductivos
• Capacitivo
• Ultrasónicos
• Interruptores de final de carrera
• Codificadores ópticos
Sensores ópticos
• Los detectores ópticos basan su
funcionamiento en la emisión de un haz
de luz que es interrumpido o reflejado por
el objeto a detectar. Tiene mucha
aplicaciones en al ámbito industrial y son
ampliamente utilizados.
Partes
• Fuente.
• Receptor.
• Lentes.
Fuente
• Origina un haz luminoso, usualmente con
un LED, que puede tener un amplio rango
en el espectro (incluyendo luz visible e
Partes. Receptor
• Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto transistor.
• El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor,
• El receptor recibe los pulsos de luz en sincronía con el emisor
Partes. Circuito de salida
• Existen varios tipos de salidas discretas o
digitales (se denominan así por tener dos
estados y la más comunes son: relé, NPN
o PNP, TRIAC, MOSFET), analógicas y
seriales
Margen
• El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz
detectada por el receptor. Por ejemplo:
– Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar nada de la luz emitida por la fuente de luz.
– El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz suficiente para cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado CONECTADO al de DESCONECTADO, o viceversa).
– Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad de luz 20 veces mayor que la mínima requerida para cambiar de estado el dispositivo de salida.
• El concepto de margen se define como:
Cantidad actual de luz detectada___
Cantidad mínima necesaria para cambiar de estado el dispositivo de salida
• Generalmente se expresa como una relación o como un número
entero seguido por “X”. Un margen de 6 puede expresarse como 6:1 ó como 6X.
Modos de detección
• Reflexivo.
• Difuso.
Transmisión directa o barrera
• El emisor se coloca en frente del receptor
y el objeto es detectado cuando pasa
entre ambos.
• alcanzar grandes distancias de detección
(hasta unos 270 m).
• Usan mayor cantidad de cableado y son
más difíciles de alinear.
Reflexivo
• El emisor y el receptor se colocan uno al lado
del otro y en frente de ellos se coloca una
superficie reflexiva.
• La detección ocurre cuando pasa el objeto
impidiendo el haz de luz llegue hasta el
receptor.
• Utilizan menor cableado, pero las distancias de
detección son varias veces menor que en la
configuración de transmisión directa.
• Presentan
problemas
cuando
el
objeto
a
detectar es muy brillante ya que el haz de todas
formas llega al detector
Reflexivo Polarizados
• Tienen un filtro en el emisor y en el receptor
desfasado 90º. El haz de luz polarizada choca
con el la superficie reflexiva, ésta despolariza el
haz y el receptor deja pasar parte de la luz
reflejada.
• El objeto brillante pasa frente al detector la luz
se refleja sin despolarizase, el filtro colocado en
el receptor impide que la luz pase lo que
ocasiona que el objeto sea detectado.
• Los sensores polarizados tienen entre 30 y 40
% menos alcance que los sensores reflexivos
sin polarizar.
Difuso o proximidad
• El objeto a detectar es el que sirve de reflector
• Para lograr que objetos poco brillantes puedan
ser detectados, el haz de luz no se transmite en
una sola dirección como en las configuraciones
anteriores, sino que viaja en varias direcciones.
• Esta configuración presenta la desventaja de
tener muy corta distancia de detección, pero es
muy útil cuando es difícil acceder ambos lados
de objeto.
Especificaciones
•
Operación luz/oscuridad.
•
Distancia máxima de detección. La distancia
entre el emisor y el receptor en los sensores de
haz transmitido.
– La distancia entre el emisor/receptor y el reflector en
los sensores reflexivo.
– La distancia entre el emisor/receptor y el objeto en los
sensores difusos.
•
La distancia máxima viene dada para un margen
de 1x y en la práctica es ligeramente mayor a la
que especifica el fabricante.
Especificaciones
•
Curva
de
respuesta
típica.
Muestra
cuanto vale el margen según la distancia
de detección.
•
Tiempo de respuesta.
•
Campo de visión.
Detectores de proximidad
Inductivos
• Los sensores inductivos se utilizan para la
detección de metales.
• Algunos de estos sensores pueden diferenciar
entre materiales ferrosos (no detectan aluminio,
aleaciones de cobre y zinc también llamado
hojalata o cobre)
y no ferrosos (no detectan
acero ni aleaciones ferrosas inoxidables).
• La distancia de detección no es tan grande
como en los sensores ópticos y varia según el
material que se vaya a detectar.
Detectores de proximidad
Inductivos
Principios de funcionamiento
• Para la detección de los objetos con sensores inductivos se utiliza una bobina alimentada por un oscilador.
• Esta bobina se coloca en una de las caras del sensor a la que se le denomina superficie de detección, cuando el objeto entra en el campo magnético carga al circuito disminuyendo la amplitud de las oscilaciones.
• Estos cambios son detectados por un circuito de disparo que genera una señal que conmuta la salida, el circuito de disparo normalmente tiene un potenciómetro que permite hacer ajustes en la sensibilidad.
Sensores blindados y no blindados
• El blindaje es una hoja metálica que rodea a la
bobina y al núcleo de ferrita con el objetivo de
que sólo se detecten objetos por la cara activa.
• Los sensores que no son blindados tienen un
distancia de detección mayor que los sensores
blindados
pero
pueden
ser
afectados
por
metales que se encuentren a su alrededor,
mientras que los sensores blindados pueden
montarse al ras en metal hasta el plano de la
cara de detección.
Aplicaciones
• La figura anterior también ilustra una aplicación muy común para
sensores inductivos, con mucha frecuencia se colocan engranajes o aspas en el eje de un motor con la finalidad de medir la velocidad angular, por ejemplo si el engrane tiene 10 dientes y se conecta el sensor a un controlador lógico programable (PLC) se pueden contar la cantidad de pulsos que se reciben en un segundo y la rpm vendrían dadas por la siguiente ecuación:
• En este caso
• y n es la cantidad de pulsos recibidos en un segundo.
n k rpm * 6 10 1 * min 60 pulsos rev seg k
Aplicaciones
• Hay que tener en cuenta la velocidad de conmutación del sensor inductivo y de la tarjeta de entrada del PLC. Si suponemos que para nuestro ejemplo la velocidad máxima del eje son 300 rpm o 5 rps pero cada revolución produce 10 pulsos lo que indica que a la máxima velocidad se producirá 50 pps por segundo o lo que es lo mismo un pulso cada 20 ms, el detector debe ser capaz de tener una frecuencia de conmutación mayor a 50 Hz y la tarjeta de entrada del PLC debe ser capaz de medir esta frecuencia.
• En ocasiones la velocidad a la cual conmuta el detector no puede ser medida con una tarjeta de entrada digital, en estos casos es necesario colocar tarjetas de entrada de conteo rápido que son más costosas pero garantizan la lectura.
Aplicaciones
• Otra forma de resolver este problema sería disminuyendo la
cantidad de pulsos por revolución pero esto iría en prejuicio de la resolución. Para nuestro ejemplo la medida de la velocidad tiene una resolución de 6 rpm y se obtiene cada segundo en ocasiones
se puede requerir mayor resolución o menor tiempo de
actualización de la velocidad del eje lo que puede obligarnos a utilizar un codificador óptico con una tarjeta de conteo rápido lo que nos da mayor rapidez y resolución en la lectura pero también aumenta considerablemente el costo.
• En ocasiones la misma configuración del ejemplo anterior es usada
para detectar movimiento en el eje, sin importar la velocidad a la que este gire, para este caso es muy útil utilizar relé temporizadores con retardos para desactivar (algo similar al un monoestable con re - disparo) que puede ser un equipo aparte o si el detector esta conectado a un PLC se puede implementar por programa.
Detectores Capacitivos
• Los sensores capacitivos detectan los objetos (metales, no metales, líquidos o sólidos) creando un
campo eléctrico que varia según la constante
dieléctrica del objeto que se acerca al sensor.
• La capacitancia de la sonda de detección del sensor varia, también de acuerdo a la distancia y al tamaño del objeto.
• Cuando la capacitancia de esta sonda es
significativa; el oscilador comienza a funcionar, la señal entregada por éste es rectificada y filtrada para hacer conmutar al circuito de salida.
• Es importante resaltar que los detectores
capacitivos tienen un potenciómetro que permite cambiar los parámetros del oscilador de tal forma que se pueda ajustar la sensibilidad.
Sensores blindados y no blindados
• Los sensores blindados están recubiertos por una banda metálica
que permite obtener un campo más concentrado. Esto es muy útil para detectar cuerpos de baja constante dieléctrica, y además permite alinear la base del sensor con la superficie de detección sin que se produzcan falsas detecciones.
• Los sensores no blindados carecen de la banda metálica y por lo
tanto producen un campo eléctrico menos concentrado. Son muy útiles para detectar cuerpos con alta constante dieléctrica o para diferenciar cuerpos de alta constante dieléctrica de cuerpos de baja
constante dieléctrica. Para ciertos materiales los sensores
capacitivos de proximidad no blindados poseen distancia de detección mayor que los blindados.
• Las sondas de compensación que ayudan a direccionar el campo
eléctrico de tal forma de lograr mayor distancia en la detección de objeto
Aplicaciones
• En la figura se muestra el uso de sensores capacitivos para la
detección de alimento dentro de una caja de cartón.
• En esta aplicación se emplea una característica que tienen los
detectores capacitivos que no tienen los detectores ópticos ni los detectores inductivos. En estos cuando el objeto está frente a ellos a una distancia dentro del rango de detección es percibido por el sensor, y si se trata de un recipiente no se puede discernir sobre su contenido.
• Los sensores capacitivos detectarán un recipiente sin importar que
este vacío o lleno, pero si graduamos la sensibilidad el detector capacitivo puede discriminar entre un recipiente lleno o uno vacío. Esto se debe a que el objeto cambiará su constante dieléctrica dependiendo de contenido del recipiente.
• Hay tres detectores capacitivos instalados a una distancia
adecuada de la caja, esto permitirá saber si la caja está total o parcialmente llena. El objeto de la detección puede ser conteo de cajas llenas o puede ser el rechazo de las cajas vacías o incompletas más adelante en la línea de producción.
Sensores Ultrasónicos
• Basan su funcionamiento en la emisión y recepción de una onda de acústica en el rango de 30 0 300 KHz.
• Construidos con materiales piezoeléctricos.
• Eficientes para detectar objetos suaves ya que estos no reflejan el sonido adecuadamente.
• El emisor genera un pulso ultrasónico si hay un objeto presente la onda choca y se regresa hacia el receptor y es examinada por una unidad evaluativa donde se filtran ruidos para asegurarse que el eco corresponde a la pulso onda emitida.
• En los detectores ultrasónicos con salida analógica se cuantifica el tiempo que tarda en llegar el eco para determinar la distancia a la cual se encuentra el objeto del detector.
Modos de operación
• Opuesto
• Difuso
Modo de operación opuesto
• Este modo se parece al modo transmisión directa
de los sensores ópticos, un sensor emite una
onda de ultrasonido y otro colocado en una
posición opuesta recibe esta onda. La presencia
de un objeto interrumpe la onda y el objeto es
detectado. En este modo la emisión de los
pulsos es de forma continúa y no por ráfagas.
Modo de operación difuso
• En el modo difuso el emisor genera la onda que
choca contra el objeto y rebota hacia el detector.
Aplicaciones
• La figura muestra el uso de un sensor ultrasónico para la detección de nivel, el tiempo que demora la onda en salir del sensor chocar contra el líquido y regresar al sensor es proporcional a la distancia a la cual el líquido se encuentra del sensor (l), en otras palabras la salida del sensor es proporcional a la distancia que el líquido
se encuentra del sensor. Si previamente se ha
programado, en el controlador donde el sensor está conectado, la altura del tanque (m), entonces el nivel del tanque (h) se puede medir como:
Interruptores finales de carrera
• Los interruptores de final de carrera son dispositivos que se activa de forma mecánica con el paso del objeto. Existen dos tipos interruptores: de palanca (se activan con desplazamiento angular) o interruptores de pulsador (se activan con desplazamiento lineal).
• Son de cierta forma configurables ya que se puede cambiar la dirección de acción del cabezal y los niveles de tensión de la alimentación.
• Lo que los hace más versátiles para los diferentes tipos de aplicaciones es la gran variedad de levas que se le pueden colocar sobre todo a los de tipo palanca
Partes
• El actuador.
• El cabezal.
• La base
El actuador
• Son levas que van fijadas al cabezal de interruptor
final de carrera. Existen una gran variedad de
El cabezal
• Determina el tipo de acción del detector, los hay
de desplazamiento angular y de desplazamiento
lineal.
• Va fijado a la base y puede ser rotado de tal
forma de lograr el accionamiento en el sentido
más conveniente para la aplicación.
• Al ocurrir cierta cantidad de desplazamiento el
cabezal por medio de un vástago hace que los
contactos de salidas ubicados en la base
cambien de estado.
El cuerpo
• Es el cuerpo del sensor. En él están contenidos los contactos eléctricos
que van a permitir
conectar el interruptor
final de carrera al control que lo utiliza.
• También permite fijar el detector para su correcto funcionamiento.
Codificadores ópticos
• Los codificadores ópticos usan emisores y
receptores de luz separados por un disco
codificado que va unido a un eje.
• Los
datos
suministrados
por
los
receptores nos dan información que son
útiles para medir posición y velocidad del
eje, con la ayuda de cremalleras también
se puede medir posición lineal.
Tipos de codificadores ópticos
• Hay dos tipos de codificadores ópticos:
– Incrementales
Incrementales
• Incrementales: tienen tres (o seis) salidas: A, B y Z. La salida A envía una cantidad fija de pulsos por revolución del eje. La salida B, tiene características similares a la salida A, con la única diferencia que se encuentra en cuadratura (desfasada 90°) con esta. Las salidas, A y B, permiten saber además, de cuanto se ha movido el eje, la dirección en la que se mueve. La salida denominada Z da un pulso cada revolución. Es muy común encontrar en los codificadores ópticos diferenciales, además de las salidas A, B y Z, otras tres salidas denominadas que son el complemento de las tres primeras
Tipos de codificadores ópticos
• Hay dos tipos de codificadores ópticos:
• Incrementales: tienen sólo tres salidas: A, B y Z. La salida A envía una cantidad fija de pulsos por revolución del eje. La salida B, tiene características similares a la salida A, con la única diferencia que se encuentra en cuadratura (desfasada 90°) con esta. Las salidas, A y B, permiten saber además, de cuanto se ha movido el eje, la dirección en la que se mueve. La salida denominada Z da un pulso cada revolución. Es muy común encontrar en los codificadores ópticos diferenciales, además de las salidas A, B y Z, otras tres salidas denominadas que son el complemento de las tres primeras
• Absolutos: tienen una salida binaria, donde el valor de esta salida indica la posición del eje y su resolución depende del número de bits.
