Preguntas Examenes Instrumentacion Electronica

 

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓ N ELECTRÓNICA Funciones de un sistema de medidas Considerando el sistema de medida como una caja negra, la entrada seria el valor verdadero de la variable a medir y la salida, el valor medido. Error de medida: diferencia entre los dos valor. Podemos distinguir tres funciones principales: -Adquisición de datos: La información de las variables a medir es adquirida y convertida en una señal eléctrica. De esta etapa dependerá en gran medida las prestaciones del sistema de medida. -Procesamiento de datos: Consiste en el procesamiento, selección y manipulación de los datos con arreglo a los objetos perseguidos. Esta función suele ser realizada por un procesador digital, tipo microcontrolador o procesador digital de señal -Distribución de datos: El valor medido se presenta a un observador o bien se transmite a otro sistema La variable del mundo físico es convertida en una u na señal eléctrica mediante un dispositivo sensor, para poder ser procesada adecuadamente. Se realiza un acondicionamiento de la señal para poder ser tratada, mediante: -Amplificación: -Amplifica ción: incrementar el nivel de potencia de la señal -Filtrado: eliminar las componentes de la señal no deseadas. -Liberalización: obtener una señal de salida que varíe linealmente. -Modulación/Demodulación: -Modulación/Dem odulación: modificar la forma de onda para su mejor transmisión a grandes distancias.

 

Arquitectura de los sistemas de instrumentación(XX) En los procesos tecnológicos son muchas las variables de las que hay que tener información oportuna para mantenerles en un punto de operación determinado. Dos arquitecturas básicas para el sistema de medida y control: -Arquitectura centralizada: Se caracteriza por realizar la ejecución del algoritmo de medición y control en un núcleo inteligente, es decir, centralizadamente. Se emplea en procesos de pocas variables y con distancias cortas entre los sensores y el núcleo inteligente. Sus desventajas son la necesidad de mucho cable generalmente de alto coste y las elevadas exigencias sobre el sistema de acondicionamiento de señales debido al ruido eléctrico presente. -Arquitectura distribuida: Es utilizada cuando el numero de señales del proceso es muy elevado, o su disposición geográfica es muy grande y/o cuando las exigencias dinámicas de las variables medidas son altas. Se caracteriza por poseer varios núcleos inteligentes, sobre la base de microprocesadores, microcontroladores, microcontroladores, que se comunican con otros sistemas a través de un bus de proceso digital, por el que fluye la información en forma serie y con alta inmunidad al ruido

 

Curva de calibración. Parámetros estándar(X) La curva de calibración es la relación entre la entrada al sensor o sistema y su salida en régimen estático

Para definir la curva se necesita como mini minino no indicar su forma y sus límites. Estos últimos se especifican mediante los siguientes parámetros: -Campo de medida: conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior entre los que puede efectuarse la medida -Alcance, fondo de escala: es la diferencia entre los límites superior e inferior de medida. -Salida a fondo de escala: es la diferencia entre las salidas para los extremos del campo de medida Muchos de los sensores de mayor interés presentan una respuesta que puede aproximarse por una línea recta. Cuando la recta pasa por el origen solo es necesario especificar la pendiente. Hay que indicar también el error cometido por dicha aproximación. Para definir la curva linealizada necesitamos los siguientes términos: -Sensibilidad: es la pendiente de la curva de calibración. -No linealidad: es la máxima desviación de la curva de calibración con respecto a la línea recta por la que se ha aproximado.

 

Definir: zona muerta, histéresis, deriva, saturación y resolución (X) Zona muerta: es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la región de la curva de calibración que presenta una sensibilidad (pendiente) nula. Histéresis: es la diferencia en la medida dependiendo del sentido en el que se ha alcanzado Deriva: es la variación de algún aspecto de la curva de calibración con respecto a algún parámetro ambiental o con respecto al tiempo. Saturación: es el nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa Resolución: es el incremento mínimo de la variable de entrada que ofrece un cambio medible a la salida

Sensibilidad. Error absoluto y error relativo (problema) Sensibilidad: corresponde a la pendiente de la curva de calibración cuando es linealizada. Error absoluto: diferencia entre el valor medido y el valor exacto en valor absoluto. Error relativo: error absoluto dividido entre el valor exacto. Problema sobre calculo de sensibilidad, sobre error absoluto y error relativo( J´08 2ª semana)

 

Calibración. Métodos de calibración. La calibración de un sistema consiste en establecer, con la mayor exactitud posible, la correspondencia entre las indicaciones de un instrumento de medida y los valores de la magnitud que se mide con él. Métodos de calibración: -Calibración a un punto: consiste en actuar sobre el sistema de medida de forma que para un punto concreto la salida sea lo más exacta posible. En muchos sistemas el punto de calibración suele ser el valor cero de la variable de entrada. -Calibración del cero y la sensibilidad: El ajuste se realiza primeramente ajustando el cero como en el caso anterior y después la ganancia. Se debe cumplir este orden de ajuste sino se realizaría erróneamente

 

CAPITULO 2 AMPLIFICACIÓN Ganancia en función de la frecuencia en un amplificador operacional real. Ancho de banda. Respuesta en frecuencia y ancho de banda para la configuración de amplificador no inversor. XX La ganancia Ad de un operacional en función de la frecuencia varia de tal forma que para frecuencias bajas su valor es muy alto y va bajando a medida que la frecuencia sube. Podemos definir el ancho de banda B como el conjuntos de las frecuencias en el que la variación de ganancia es menor de +- 3dB. La ganancia de un amplificador no inversor y con realimentación negativa será: G= Ad/ (1+Adβ) siendo Ad la ganancia en lazo abierto y β el factor de realimentación. Las resistencias de realimentación serán ideales. Dos casos: -

Ad>>1/β, tenemos que G=1/β

-

Ad0, tensión distinta de cero incluso para x=0. Esto provoca un error denominado error de offset o error de cero.

-

Otro error es el relacionado con la sensibilidad, que se obtiene derivando VoL=Vi(Rx+Rcable)/(R+2Rcable)=Vi(x+h)/(1+2h) respecto a x, por lo que tenemos para la sensibilidad: S=Vi/(1+2h)

 

Conexión de un sensor potenciométrico remoto a un sistema de medida a tres hilos. Problema X Se puede producir errores debido al cableado al tener el sensor alejado del sistema que procesa la medida. Un cable presenta una resistencia muy pequeña, pero cuando supera una cierta longitud esta resistencia aumenta. Podemos observa el siguiente sistema de medida a 3 hilos.

La resistencia de los cables de conexión se representa por Rcable y la señal de salida del potenciómetro se envía a través de estos cables al punto donde se procesa la medida. La alimentación tambi también én se envía de forma remota.

 

CAPÍTULO 6 SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA Curvas de calibración y modelo matemático. Problema X Los fabricantes ofrecen para cada RTD( sensor de temperatura de resistencia metálica) su tabla de calibración que no es más que una lista de los valores de resistencia R para cada temperatura T. Con los datos de ésta, puede construirse la curva de calibración de la RTD, o sea, la grafica de la resistencia RT de la RTD en función de su temperatura. El valor de esta resistencia para la temperatura de cero grados centígrados se denomina R0 El modelo matemático que mejor se aproxima a la curva de calibración de una RTD, desde el punto de vista estático es el siguiente.

Sin cometer un error grande para las aplicaciones más generales de instrumentación el modelo anterior se suele aproximar a:

Como la magnitud del grado centígrado es igual al grado kelvin tenemos:

 

RTDs: Características generales. Modelo matemático. Problema XX Para la fabricación de RTDs se utilizan los metales por poseer coeficientes térmicos positivos de variación de la resistencia eléctrica. Como consecuencia de aumentar en los mismos la energía interna aumenta su resistividad. Ante un cambio en la temperatura del medio ∆T se producirá un cambio ∆R en la resistencia de la RTD linealmente dependiente de éste. El modelo matemático que mejor se aproxima a la curva de calibración de una RTD, desde el punto de vista estático es el siguiente.

Sin cometer un error grande para las aplicaciones más generales de instrumentación el modelo anterior se suele aproximar a:

Como la magnitud del grado centígrado es igual al grado kelvin tenemos:

Acondicionamiento de RTDs por excitación directa de la RTD mediante fuente de corriente y conexión a un amplificador de instrumentación por medio de cuatro hilos. Problema Si se excita la RTD directamente con referencias de corriente Iref  y con el concurso de amplificadores de instrumentación, pueden obtenerse resultados muy satisfactorios con corrientes muy pequeñas, p equeñas, menores de 1 mA. Podemos conseguir lo anteriormente dicho conectando una RTD a un amplificador de instrumentación mediante cuatro hilos. Para ello e llo solo se utiliza una fuente de corriente I, los hilos no n o tienen por qué ser iguales ni de muy baja resistencia. La salida estará dada por Vs=GIR0+GIR0αt=GIR0(1+αt)

 

Acondicionamiento de RTDs por excitación directa de la RTD mediante fuente de corriente y conexión a un amplificador de instrumentación por medio de dos, tres y cuatro hilos. Si se excita la RTD directamente con referencias de corriente Iref  y con el concurso de amplificadores de instrumentación, pueden obtenerse resultados muy satisfactorios con corrientes muy pequeñas, p equeñas, menores de 1 mA. Conexión a dos hilos:

La salida Vs será: Vs=I(Rw1+Rw2+Rt)G G será la ganancia diferencial del amplificador. Si se cumple que la resistencia menor de la RTD es mucho mayor que el doble de la resistencia del hilo Rw, tendremos que: Vs=GIR0+GIR0αt=GIR0(1+αt) Conexión a tres hilos:

Las fuentes de corriente I1 e I2 y los hilos conectados a las entradas del amplificador tienen que ser idénticos, respectivamente, para conseguir eliminar el efecto de las resistencias de los cables y los contactos. Si se cumple que Rw1=Rw2 y que I1=I2 tenemos que: Vs=GIR0+GIR0αt=GIR0(1+αt)

 

Conexión a cuatro hilos:

Solo se utiliza una fuente de corriente I, los hilos n no o tienen por qué ser iguales ni de muy baja resistencia. La salida estará dada por Vs=GIR0+GIR0αt=GIR0(1+αt)

Autocalentamiento en RTDs. Problema Para utilizar una RTD en un sistema de medida de temperatura, generalmente hay que hacerle pasar una corriente eléctrica, que produce una disipación de energía en la misma, siendo esta temperatura t mayor que la del medio en que se encuentra ta. El incremento de temperatura que sufre la RTD debido al autocalentamiento viene dado por ∆t=t-ta=RΘI2Rt

 

Obtenga la relación entre la tensión de salida y de entrada que se obtiene al sustituir la resistencia de realimentación de las configuraciones de amplificador inversor y amplificador diferencial realizado con amplificadores operacionales por una RTD. Ventajas e inconvenientes de estos circuitos para la medida de la temperatura. Si para la configuración de un amplificador inversor cambiamos la resistencia de realimentación por una RTD tendríamos:

Para la salida Vs=-(VR0)( 1+αt)/R1 Existe una componente de Vs que no depende de la temperatura t y que podría introducir un error considerable en la medida si la tensión V cambia con el tiempo y con la temperatura. Para corregir este error, ganando en precisión, colocaríamos una fuente de tensión Vref  en lugar de +V Para la configuración de amplificador diferencial tendríamos:

La salida sería: Vs=-(VR0αt)/(R1+R0)

 

Las resistencias conectadas entre la entrada inversora-salida y entrada no inversora-masa tienen un desequilibrio y la señal de entrada +V se corresponde con una tensión de modo común. Se requiere una alta estabilidad temporal y térmica en la fuente de tensión V y en las resistencias del circuito.

Puente de Wheatstone con RTD alimentado por corriente. Obtenga la tensión de salida del puente en función de…..

Puente de Wheatstone:

Para R1=R2=rR0 y R3=R0, alimentamos el puente con una fuente de corriente de valor I=V/Req donde Req es la resistencia equivalente conectada a la fuente de tensión V que puede expresarse como Req=(R0(r+1)(r+1+αt)/(2r+2+αt) Nos quedaría una tensión de salida: Vs=IR0rαt/(2(r+t)+αt Obtenemos una señal de salida dependiente de la variable a medir y de la razón característica de resistencias del puente. La dependencia de Vs con t tampoco es lineal.

 

Puente de Wheatstone con RTD alimentado por tensión. Obtenga la tensión de salida del puente en función de….. Puente de Wheatstone:

Para Rt=R0(1+αt) tenemos un valor de la tensión de salida Vs:

Si queremos que Vs=0 para t=0ºC en el puente se cumple que R0/(R0+R2)=R3/(R1+R3) Para R1=R2=R=rR0 y R3=R0 y si las variación de Rt son pequeñas obtenemos para la señal de salida:

donde r=R/R0 es la razón característica de resistencias del puente.

 

CAPÍTULO 7 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Analice el puente básico de medidas con una galga extensiométrica, obteniendo la tensión de la salida del puente en función de la elongación. Problema. X La medida de los estados tensionales mediante galgas extensiométricas se lleva a cabo mediante circuitos en puente, con una cierta modificación en su topología. Para la medida en puente con una galga tenemos el siguiente circuito

La tensión de salida proporcionada por dicho circuito será: VAB=E(R3/(R3+RG)-R2/(R1+R2)) Si hacemos R3=R2=R1=R y considerando RG=R+∆R, tenemos: VAB=(-∆R/4)(1/(R+∆R/2)E Incluyendo la elongación ε, obtenemos la relación entre la tensión de salida y dicha elongación. VAB=(-Kε/4)(1/(1+Kε/2)≈ KεE/4

 

Analice el puente básico de medidas con una, dos y cuatro galgas extensiométrica, obteniendo la tensión de la salida del puente en función de la elongación. X La medida de los estados tensionales mediante galgas extensiométricas se lleva a cabo mediante circuitos en puente, con una cierta modificación en su topología. Para la medida en puente con una galga tenemos el siguiente circuito

La tensión de salida proporcionada por dicho circuito será: VAB=E(R3/(R3+RG)-R2/(R1+R2)) Si hacemos R3=R2=R1=R y considerando RG=R+∆R, tenemos: VAB=(-∆R/4)(1/(R+∆R/2)E Incluyendo la elongación ε, obtenemos la relación entre la tensión de salida y dicha elongación. VAB=(-Kε/4)(1/(1+Kε/2)≈ KεE/4

La medida de los estados tensionales mediante galgas extensiométricas se lleva a cabo mediante circuitos en puente, con una cierta modificación en su topología.

 

Para la medida en puente con dos galgas tenemos el siguiente circuito

Para este caso se puede duplicar el efecto sobre la tensión de salida, produciéndose un incremento de la sensibilidad. Para la tensión de salida tendremos de forma aproximada VAB=-kεE/2 Para el caso de cuatro galgas:

Podemos considerar que trabajamos con estados tensionales “opuestos” pero iguales en valor absoluto, dos galgas trabajando a tracción y otras dos a compresión con lo que se duplica la sensibilidad del caso de dos galgas y tenemos para la tensión de salida: VAB=-kεE

 

Equilibrado y calibrado de los puentes de medida con galgas extensiométricas. XX Para que con los puentes de medida con galgas obtengamos mediciones correctas hay que tener en cuanta varios factores, entre ellos: -Equilibrio del puente: Cuando se instala el puente y la galga activa no está sometida a ningún esfuerzo, el puente debería estar perfectamente equilibrado y la tensión de salida tendría que ser nula. Por diversas causas aparece una pequeña tensión a la salida. Para corregir esto utilizamos la siguiente modificación:

Con el potenciómetro podemos introducir una tensión adicional en el punto A del puente y conseguir que su salida sea perfectamente nula. -Calibración: Normalmente los sistemas necesitan ser calibrados, para este caso se utiliza la técnica de calibración mediante shunt, consistente en incluir una resistencia en paralelo R SH con la resistencia del puente que esté en la misma rama que la galga activa, como indica el circuito:

 

Aplicación de las galgas extensiométricas en la medida de estados de deformación. En la medida de estados de deformación tenemos que diferenciar dos medidas diferentes: Medidas estáticas, en las que se supone que los cambios de los estados de deformación ocurren con lentitud. Dentro de este grupo podemos diferenciar dos casos: -

Medición de un único estado con una variable y que incluya un único puente con los accesorios adicionales para el ajuste de cero y la calibración.

-

Medición de los estados de deformación en varios puntos simultáneamente lo que implica el uso de diferentes canales para la medida. Los equipos de medida pueden realizarse de dos formas: · Mediante un único amplificador y un multiplexador . Mediante fuentes y amplificadores independientes para cada puente de medida.

Medidas dinámicas, en las que el objetivo es conocer la evolución en el tiempo de los estados de deformación en uno o varios puntos de una pieza o sistemas mecánicos. Las galgas tienen buenas características dinámicas por lo que el problema de este tipo de sistemas suele estar en el producto gananciaancho de banda del amplificador con un alto coste.

 

 

 

CAPÍTULO 8 TERMISTORES Y FOTORRESISTENCIAS NTCs: Característica R-T. Modelo exponencial. Problema X Las NTC son resistencias de material semiconductor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. La característica R-T de una NTC se muestra a continuación:

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo cuando se considera un margen de temperatura amplio. La sensibilidad (pendiente) es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo conforme aumenta ésta. La resistencia nominal de una NTC hace referencia a su valor resistivo a una u na temperatura de referencia (25ºC) Modelo exponencial. La ecuación más sencilla que reproduce el comportamiento de un termistor ideal es:

Donde RT es la resistencia del termistor a la temperatura T en Kelvin, B índice de sensibilidad del termistor en Kelvin y R0 resistencia del termistor a la temperatura T0. El coeficiente térmico viene dado por 2

α= -B/T

 

NTCs: Principio físico de funcionamiento. Característica R-T. XX Las NTC son resistencias de material semiconductor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. El incremento de temperatura aporta la energía necesaria para que se incremente el número de portadores capaces de moverse, lo que lleva a un incremento en la conductividad del material La característica R-T de una NTC se muestra a continuación:

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo cuando se considera un margen de temperatura amplio. La sensibilidad (pendiente) es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo conforme aumenta ésta. La resistencia nominal de una NTC hace referencia a su valor resistivo a una u na temperatura de referencia (25ºC)

 

Linealización de NTCs mediante divisor resistivo. X Consideremos el siguiente circuito:

La tensión de salida se puede obtener de la resistencia fija R, incrementándose dicha tensión conforme lo hace la temperatura, cuyo valor será: V0(T)=Vi R/(R+RT) Por su parte la sensibilidad: S(T)=Vi(RRT/(R+RT)2)(B/T2) Debemos de encontrar un valor de R que proporcione una linealidad optima en el margen de temperaturas de interés y para una NTC dada. Para ello hacemos coincidir el punto de inflexión de la curva de salida con el punto medio de nuestro margen de medida, Tc. Obtenemos una R de valor R=RTC(B-2Tc)/(B+2TC) Siendo RTC la resistencia del termistor en el punto central del d el margen de medida.

 

Linealización de NTCs mediante paralelizado. En ciertas ocasiones se necesita el uso del termistor como un dispositivo linealizado mediante una resistencia en paralelo con el termistor

La resistencia equivalente del conjunto seria Rp(T)=RRT/(R+RT) Tenemos que encontrar un valor de R que lleve a unas condiciones óptimas de linealización. Para la resistencia en paralelo R tendremos: R=RTC(B-2Tc)/(B+2TC) Y la sensibilidad:

Que puede utilizarse para determinar el valor del termistor necesario para obtener una sensibilidad dada. La fuente de excitación en los circuitos de linealización mediante paralelizado suele ser una fuente de corriente.

 

Explique la aplicación de la NTC para compensación, protección contra sobrecorriente, medida de niveles de liquido y alarmas de temperatura. Problema XXXX -Compensación: Se utiliza la NTC para contrarrestar las variaciones de dispositivos que tengan un coeficiente de temperatura positivo. -Protección contra sobrecorriente: esta aplicación está basada en el efecto de autocalentamiento del termistor y su constante de tiempo para generar retardos en la evolución de señales de tensión o corriente. -Medida de niveles de liquido: se basa en el cambio en la constante de disipación del termistor. En la zona de autocalentamiento, el termistor es sensible a cualquier acción que altere el ritmo de disipación de calor. -Alarmas de temperatura: el punto de trabajo del circuito se ve modificado por cambios en la temperatura ambiente. Cuando la temperatura ambiente supera su valor preestabl preestablecido ecido considerado como como el punto de alarma de temperatura, la resistencia de la NTC se reduce.

 

Característica ideal R-T de una PTC. Explique las aplicaciones de la PTC para calentadores autoregulables, protección frente a sobrecorrientes y como elemento de retardo. XX Las PTCs son termistores con coeficiente de temperatura positivo. Presentan la propiedad de experimentar un cambio brusco en su valor resistivo cuando la temperatura supera un valor crítico característico del material. Curva R-T de una PTC:

A temperaturas inferiores a Ts, la PTC manifiesta un comportamiento similar al de los semiconductores, con un coeficiente de temperatura negativo. Cuando la temperatura se aproxima a Ts, la resistencia del dispositivo se incrementa rápidamente. Si la temperatura sigue aumentando, el coeficiente de temperatura se hace de nuevo negativo. Ts puede modificarse alterando los materiales y el nivel de dopantes -Calentadores auto-regulables: utilizan la PTC como un calentador autoregulable que mantiene una temperatura constante para un margen amplio de tensiones de alimentación y condición de disipación -Protección frente a sobrecorrientes: el incremento tan brusco de la resistencia en la PTC por encima de la temperatura de transición las hace ideales para la protección de circuitos frente a sobrecorrientes. -Elemento de retardo: está basado en el funcionamiento dinámico de una PTC autocalentada. La corriente pasa durante un tiempo hasta que q ue el efecto de autocalentamiento hace que la resistencia aumente bruscamente y reduzca la corriente

 

Fotorresistencias: Principio de funcionamiento. Tipos y construcción. Modelo de la LDR. XX Las fotorresistencias son sensores resistivos basados en semiconductores empleados para la medida y detección de radiación electromagnética. Está constituido por un bloque de material semiconductor sobre el que puede incidir la radiación y dos electrodos metálicos en los extremos Su funcionamiento se basa en la fotoconductividad. La presencia de electrones en la banda de conducción y de huecos en la de valencia inducidos por fotones de suficiente energía da lugar a un incremento en la conductividad del semiconductor Consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre un sustrato cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista de zigzag con contactos metálicos en los extremos. Materiales mas usados: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio. Modelo de la LDR: La relación entre la resistencia de la LDR y la iluminación L puede modelarse a partir de la ecuación: RL=R0(L0/L)α L: iluminación, α:cte que depende del material, RL: resistencia para L, R0:resistencia para L0

 

CAPÍTULO 9 OTROS SENSORES RESISTIVOS Magnetorresistencias. Principio físico. Tipos. XX En las magnetorresistencias el valor óhmico varía con el valor del campo magnético y con su orientación. La resistencia eléctrica de muchos materiales magnéticos depende del campo magnético aplicado. Las nubes electrónicas que rodean a los átomos se orientan según el campo magnético y pueden dificultar el paso de la corriente según la posición que adopten Existen tres tipos de magnetorresistencias: -Anisotrópicas: compuestas de una fina película de hierro-niquel -Gigantes: presentan una estructura multicapa obteniéndose variaciones de resistencia de hasta el 50% -Colosales: presentan variaciones de resistencia de hasta el 99,9%

 

Sensores de gases de óxidos metálicos semiconductores. X Están compuestos de óxidos metálicos, generalmente estaño. Cuando la temperatura es suficientemente elevada y en presencia p resencia de oxigeno, este es adsorbido por el material al que le l e transfiere un electrón. Se trata de un sensor útil para medir la concentración de oxigeno, ox igeno, pero también sirve para medir la concentración de otros gases. En presencia de un gas reductor disminuye la concentración de oxigeno adsorbido lo que disminuirá la barrera de potencial y, por tanto, la resistencia Presentan cuatro terminales, dos correspondientes al propio sensor y otros dos, a los electrodos de calentamiento de forma que la temperatura sea la adecuada para que tengan lugar las reacciones. La tensión para alimentar estos electrodos suele ser reducida y la potencia consumida esta alrededor de 1 W. Uno de los inconvenientes de estos sensores es su escasa selectividad puesto que, en principio, son sensibles a cualquier gas que modifique la concentración de oxígeno

 

CAPÍTULO 10 SENSORES CAPÍTULO CAPACITATIVOS Condensador diferencial. XX Se denomina condensador diferencial al formado por tres placas planas paralelas. La placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar.

Se forman así dos condensadores de capacidades C 1y C2 cuyo valor esta dado por: C1=εA/d-x, C2= εA/d+x La capacidad diferencial está dada por: C1-C2=(2εA/d2-x2)x Para pequeños valores de desplazamiento x en relación con la distancia entre placas d C1-C2=(2εA/d2)x Se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple El condensador diferencial no está exento de problemas: dispersión del campo eléctrico en los bordes de los electrodos, aislamiento entre placas, capacidades parasitarias, cables de conexión.

 

Detectores de proximidad capacitativos. XXX Constituyen una de las principales aplicaciones de los sensores capacitativos. Detectan la presencia de objetos próximos, tanto metálicos como no metálicos sin requerir contacto directo con dichos objetos. Se encuentran presentes en una gran variedad de aplicaciones industriales: industriales: control de nivel de líquidos, inspección de paquetes, detección de rotura de cables…. Uno de los parámetros que especifica el fabricante es el alcance nominal(Sn) También: -Alcance efectivo(Sr): es el alcance medido en unas condiciones de tensión y temperatura determinadas. -Alcance útil(Su): es el alcance medido en condiciones de temperatura ambiente y tensión de alimentación. Su valor debe estar entre el 80% y 120% del alcance efectivo. -Alcance de trabajo(Sa): es el campo de funcionamiento del aparato

 

Sensores capacitativos en silicio para medir presión y humedad relativa. La integración en silicio permite sustanciales ventajas: mayor sensibilidad, reducción de peso, ahorro en los costes de fabricación, mayor número de aplicaciones, etc. Sensor de humedad: Se usan en numerosas aplicaciones industriales. Existen muchos tipos y variantes de sensores de humedad, según sea la composición de las placas del condensador, el material del dieléctrico y el sustrato. El cambio incremental en la permitividad dieléctrica de un sensor de humedad capacitativo es proporcional a la humedad relativa del entorno que le rodea. Se caracterizan por un coeficiente de temperatura bajo, capacidad para trabajar a altas temperaturas, recuperación rápida de condensación y una buena estabilidad química. Sensor de presión: responde a una estructura en la que se tiene una placa metálica fija y un diafragma flexible. Cuando el diafragma se encuentra sometido a una presión, el desplazamiento vertical, en un punto cualquiera de radio esta dado por:

La deformación del diafragma da lugar a que la separación media de las placas se reduzca, lo que se traduce en un incremento relativo de la capacidad dado por la expresión:

El circuito integrado incorpora la circuitería de acondicionami acondicionamiento ento necesario para convertir la variación de capacidad en una tensión linealmente proporcional a la presión.

 

CAPÍTULO 11 SENSORES INDUCTIVOS Circuito de medida para el transformador diferencial lineal (LVDT).Describa su funcionamiento dibujando las tensiones en los distintos puntos. Curva característica tensión de salida-desplazamiento. XXX Es uno de los dispositivos más empleados en la medida de desplazamientos ya que presenta unas buenas características de linealidad y de sensibilidad Circuito de medida y tensiones en los distintos puntos:

Funcionamiento: en los comparadores se obtiene una señal cuadrada con la misma fase que VAB y V1, respectivamente. Si las fases son iguales la puerta EXOR proporciona una salida a nivel lógico bajo y se selecciona el canal 0 del multiplexador analógico, a donde se llevara el valor medio de la señal; si las señales están desfasadas 180º, la salida de la puerta estará a nivel lógico alto y el canal seleccionado en el multiplexador es el 1, en donde tenemos el valor medio de la señal multiplicado por -1 Curva tensión de salida-desplazamiento:

Podemos ver linealidad alrededor del punto x=0, usado para la medida lineal.

 

Describa el funcionamiento del transformador diferencial lineal (L (LVDT) VDT) XXX Es uno de los dispositivos más empleados en la medida de desplazamiento ya que presenta unas buenas características de linealidad y de sensibilidad. Estructura del LVDT

Formado por tres arrollamientos, el del medio de N1 espiras actua como primario del transformador, y los dos restantes de N2 espiras cada uno, como secundarios. Si los secundarios se unen como se indica y se introduce una señal senoidal en el primario del transformador cuyo valor máximo se V1, la máxima tensión que aparece en la salida situada entre los terminales A y B es la siguiente:

Flujo generado por el primario Parte del flujo concatenado por el ssecundario ecundario A Es la parte del flujo concatenado por el secundario B.  

Se modifican según se varíe la posición del núcleo magnético

tendiendo a disminuir la parte de flujo que concatena el devanado sobre el que aparece la menor parte del núcleo. El desplazamiento presenta una influencia directa en el valor de la tensión obtenida

 

Representación respuesta del LVDT en función del desplazamiento.

Se puede apreciar una zona muy lineal que se puede p uede utilizar como margen de trabajo del sensor.

Factores de los que depende la distancia de detección (alcance) en detectores de proximidad inductivos. Problema. -La presencia de una bobina apantallada o no apantallada modifica la distribución del campo, ocasionando un cambio en la distancia de detección del sistema. -El tamaño del objeto resulta importante ya que el efecto producido será mayor en la medida en que lo sea el objeto a detectar. Un objeto más grande se detectara a una distancia más grande que otro objeto más pequeño. -El material del objeto es importante ya que las corrientes inducidas pueden ser más o menos grandes en función de él, y lo será su influencia sobre el circuito resonante.

 

Sensores de proximidad inductivos. XXX Son los más utilizados en las plantas industriales ya que presentan características muy interesantes en la medida de proximidad y en la detección de objetos metálicos. Su funcionamiento consiste en un oscilador cuya salida se aplica a una bobina de núcleo abierto capaz de generar un campo electromagnético en sus proximidades; la presencia de objetos metálicos en la zona modificaría el campo y se manifestaría algún cambio en las magnitudes eléctricas de la bobina. Los cambios pueden detectarse y conseguir saber si existe o no un objeto metálico dentro del radio de acción del sistema. Tenemos que tener en cuenta unas cuantas circunstancias que pueden afectar a la detección de objetos con estos sensores: -La presencia de una bobina apantallada o no apantallada modifica la distribución del campo, ocasionando un cambio en la distancia de detección del sistema. -El tamaño del objeto resulta importante ya que el efecto producido será mayor en la medida en que lo sea el objeto a detectar. Un objeto más grande se detectara a una distancia más grande que otro objeto más pequeño. -El material del objeto es importante ya que las corrientes inducidas pueden ser más o menos grandes en función de él, y lo será su influencia sobre el circuito resonante

 

CAPÍTULO 12 SENSORES ELECTROMAGNETICOS Dinamos tacométricas Las dinamos tacométricas son generadores especiales de corriente continua. El estator está formado por un número de polos n, constituidos por imanes permanentes o por devanados por lo que circula una corriente continua de manera tal que el flujo magnético que producen es constante. Al girar el eje a una velocidad angular ω, las linead de flujo magnético son cortadas por las espiras de la bobina del rotor induciéndose i nduciéndose en ellas una tensión proporcional en magnitud a la velocidad angular y de polaridad dependiente del sentido de giro del eje. La forma de onda que se obtiene en los terminales de salida se corresponde con la suma de un gran número de semi-senoides. Ofrecen un gran error para velocidades angulares

Alternadores tacométricos Los alternadores tacométricos son generadores de corriente alterna que tienen la ventaja sobre los de continua de no utilizar escobillas ni colector con lo que su mantenimiento es menos costoso. La tensión que se induce en el devanado del estator y que aparece entre los terminales de salida es proporcional en magnitud y frecuencia a la velocidad angular angul ar del eje, pero es una señal de alterna, por lo que si se quiere que la salida sea una señal de continua requiere de un sistema que realice la rectificación y el filtrado de esta señal senoidal

Tacogenerador de reluctancia variable Es un sensor electromagnético de velocidad angular de amplia utilización. Cuenta con una rueda dentada de material ferromagnético y de m dientes unida al eje cuya velocidad angular ω se desea medir. Esta rueda al girar muy próxima a un devanado sobre un imán permanente, hace que el flujo ф concatenado con la bobina varíe con el tiempo al variar la reluctancia R del circuito magnético con la sucesión temporal de dientes-espacios de la rueda

 

CAPÍTULO 13 TERMOPARES Acondicionamiento de señal en termopares. XX El termopar proporciona una tensión de pequeño valor proporcional a la diferencia de temperaturas entre dos uniones. La sensibilidad es del orden de algunos microvoltios por grado centígrado. En el acondicionamiento de señal habrá que tener presentes dos aspectos básicos: 1.

El circuito de acondicionamiento consistirá, básicamente, en un amplificador de tensión en el que serán importantes aspectos tales como la tensión de desviación y sus derivas

2.

Para determinar la temperatura objeto de la medida será necesario conocer la temperatura de la otra unión. Pare esto existen tres posibilidades: Compensaciones mediante uniones de referencia: consistente en fijar en un valor conocido la temperatura de una de las uniones -

Compensación digital: consiste en medir la temperatura de la unión fría mediante otro sensor de temperatura.

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Compensación analógica: consiste en sumar a la tensión que proporciona el termopar la tensión que correspondería al mismo termopar en el que las temperaturas de las uniones fueran la de la unión fría y 0ºC

Acondicionamiento de señal en termopares mediante compensación digital. Problema Para determinar la temperatura objeto de la medida será necesario conocer la temperatura de la otra unión, para ello utilizaremos u tilizaremos la compensación digital, consistente en medir la temperatura de la unión fría mediante otro sensor de temperatura. Una vez conocida la temperatura

 

de la unión fría y la tensión que proporciona el termopar se puede determinar fácilmente la temperatura de la unión caliente.

Ley de las temperaturas intermedias en termopares. Problema. X Si VT1,T2 es la tensión generada por un termopar cuyas uniones están a las temperaturas T1 y T2, y VT2,T3 es la tensión cuando están a T 2 y T3, la f.e.m., VT1,T3, cuando están a las temperaturas T1 y T3 es igual a VT1,T2+ VT2,T3

Efecto termoeléctrico. Leyes de los circuitos homogéneos, de los metales intermedios y de las temperaturas intermedias. X Efecto termoeléctrico: Los electrones situados en el nivel mas externo están unidos débilmente al núcleo. Cuando se calienta un conductor en un extremo, estos electrones aumentan su energía y tienden a alcanzar el otro extremo por mecanismos de difusión, de forma que el extremo frio adquiere carga negativa y el extremo caliente, positiva. Esto provoca a su vez un campo eléctrico que tiende a oponerse a la difusión de forma que se llega a un estado de equilibrio. No se debe a la excitación de dos materiales diferentes sino a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de un mismo material. Ley de los circuitos homogéneos: la tensión generada por un termopar cuyas uniones se encuentran a las temperaturas T1 y T2 no depende de la temperatura a la que se encuentren los puntos intermedios Ley de los metales intermedios: si se introduce un tercer metal en serie con uno de los que constituyen el termopar, la tensión generada por el termopar no varía siempre que los extremos del metal insertado se encuentren a la misma temperatura. Ley de las temperaturas intermedias: si VT1,T2 es la tensión generada por un termopar cuyas uniones están a las temperaturas T1 y T2, y VT2,T3 es la

 

tensión cuando están a T2 y T3, la f.e.m., VT1,T3, cuando están a las temperaturas T1 y T3 es igual a V T1,T2+ VT2,T3

 

CAPÍTULO 14 SENSORES PIEZOELÉCTRICOS Circuito eléctrico análogo al comportamiento de un sensor piezoeléctrico. XXX Consideremos un material piezoeléctrico al que se le aplica una fuerza F F,, provocando la consiguiente deformación. La suma de los comportamientos inercial, elástico y viscosos del material provoca la aparición de fuerzas que contrarrestan el efecto de la fuerza F de tal forma que se puede escribir que

Si los terminales del dispositivo se cierran sobre un circuito, podría aparecer una corriente eléctrica según

Con estas dos expresiones podemos escribir:

Expresión que tiene la misma forma que la ecuación de un circuito RLC serie:

La ecuación que representa al circuito será:

 

Medida de distancias mediante la técnica de impulsoeco XXX Las técnicas de medida de tipo impulso-eco se usan en algunas aplicaciones de detección de presencia y el exponente mas conocido es el SONAR, que se utiliza para la detección de objetos en aguas. Su funcionamiento consiste en emitir un pulso de ultrasonido y se escuchan los ecos, el tiempo transcurrido entre el pulso emitido y el eco recibido multiplicado por la velocidad de propagación en ese medio nos informa del doble de la distancia que separa el emisor del objeto que produjo el eco Diagrama básico de un sistema de detección de objetos:

Si el tiempo transcurrido entre el pulso y el eco recibido es t 1 y la velocidad del sonido en el medio de propagación es c, la distancia del conjunto emisor-receptor y el objeto será: d=ct1/2 c sufre variación respecto a la temperatura, la presión, la densidad o la presencia de sustancias disueltas. Se recurren a técnicas de corrección que efectúan una medida de este parámetro para después calcular la distancia al objeto Para ello se coloca un objeto a una distancia conocida del emisor por lo que se recibirán dos ecos, utilizando el primero para el cálculo de c

A partir de este valor calculado de c podemos medir la distancia al objeto deseado.