Sensores y Transductores

INDICE UNIDAD 1 SENSORES Y TRANSDUCTORES ................................................. 3 SENSORES .................................................................................................... 3 TRANSDUCTORES ....................................................................................... 6 1.1 SENSORES Y TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA .................... 10 TERMISTOR ............................................................................................. 10 TERMOPAR.............................................................................................. 11 SENSOR BIMETÁLICO ............................................................................ 12 RTD (DETECTOR DE TEMPERATURA RESISTIVO) ............................. 13 1.2 SENSORES Y TRANSDUCTORES DE NIVEL ...................................... 15 SENSOR NIVEL TUBULAR ..................................................................... 15 SENSOR DE NIVEL ULTRASÓNICO ...................................................... 15 NIVEL DE CRISTAL ................................................................................. 16 MEDIDOR DE SONDA ............................................................................. 17 1.3 SENSORES Y TRANSDUCTORES DE FLUJO Y CAUDAL ................. 18 MEDIDOR DE TURBINA .......................................................................... 18 PLACA ORIFICIO (PRESION DIFERENCIAL) ........................................ 19 TUBO VENTURI (PRESION DIFERENCIAL) ........................................... 20 SENSOR DE FLUJO ................................................................................ 20 1.4 SENSORES Y TRANSDUCTORES DE PRESIÓN ................................ 22 TUBO BOURDON .................................................................................... 22 FUELLES .................................................................................................. 23 GALGA EXTENSIOMÉTRICA .................................................................. 24 TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS ............................................... 25 1.5 SENSORES Y TRANSDUCTORES DE POSICIÓN Y VELOCIDAD ..... 26 LVDT ......................................................................................................... 26 POTENCIÓMETROS ................................................................................ 27 TACÓMETROS ELÉCTRICOS ................................................................. 28 SENSORES DE POSICIÓN ANGULAR ................................................... 30 1.6. SENSORES Y TRANSDUCTORES DE PROXIMIDAD ........................ 31 SENSORES ÓPTICOS ............................................................................. 31 SENSORES DE ULTRASONIDO ............................................................. 31 FINALES DE CARRERA .......................................................................... 32

DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS ..................................... 32 BIBILIOGRAFÍA .............................................................................................. 34

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UNIDAD 1 SENSORES Y TRANSDUCTORES Un sistema de medidas tiene por función la asignación de un número de forma objetiva y empírica a una propiedad física o cualidad de un evento u objeto, de tal forma que lo describa lo más exactamente posible. En automatización hay que disponer de elementos que nos adapten las magnitudes de referencia (variables de entrada) en otro tipo de magnitudes proporcionales a las anteriores, de manera que estos últimos sean interpretables por el sistema y así se pueda realizar un buen control del proceso. Entre los elementos más importantes se encuentran:  Sensor  Transductor  Transmisor  Captador

SENSORES 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 a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir UD conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no deben ser homogéneas.

TIPOS DE SENSORES El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en activos y pasivos. Los sensores activos son aquello que generan señales representativas de las magnitudes a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de alimentación. Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos. Los sensores pasivos son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar. Ejemplo: sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable). Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los analógicos la salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, «casidigitales», por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital. En los sensores digitales, la salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión AJO y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y

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mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés. Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil. Un dinamómetro para la medida de fuerzas es un sensor de este tipo en el que la fuerza aplicada deforma un muelle hasta que la fuerza de recuperación de éste, proporcional a su longitud, iguala la fuerza aplicada. En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. En una balanza manual, por ejemplo, la colocación de una masa en un platillo provoca un desequilibrio, indicado por una aguja sobre una escala. El operario coloca entonces una o varias masas en el otro platillo hasta alcanzar el equilibrio, que se juzga por la posición de la aguja. Clasificación de los sensores Criterio Aporte de Energía

Clases  Activos  Pasivos

Ejemplos  Termopar  Termistor

Señal de salida

 

Analógicos Digitales

 

Potenciómetros Codifcador de posición

Modo de operación

 

De deflexión De comparación



Acelerómetro de deflexión Servoacelerómetro



Ahora bien, para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida. Se habla, en consecuencia, de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc. Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir es prácticamente inagotable. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos. En el cuadro 1.2 se recogen los sensores y métodos de detección ordinarios para las magnitudes más frecuentes.

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TRANSDUCTORES Un sistema de instrumentación electrónico consiste de varios componentes que se utiliza para realizar una medición y registrar el resultado. Por lo general consta de tres elementos principales: un dispositivo de entrada, un acondicionador de señal o dispositivo de procesamiento y un dispositivo de salida. La variable de entrada de la mayoría de los sistemas de instrumentación es no eléctrica. Con el fin de utilizar métodos eléctricos y técnicas de medición, manipulación o control, las cantidades no eléctricas se convierten en una señal eléctrica por medio de un dispositivo llamado transductor. Una definición establece que "el transductor es un dispositivo que al ser afectado por la energía de un sistema de transmisión, proporciona energía en la misma forma o en otra a un segundo sistema de transmisión". Esta transmisión de energía puede ser eléctrica, mecánica, química, óptica (radiante) o térmica. Muchos otros parámetros físicos (calor, intensidad luminosa, humedad) se pueden convertir en energía eléctrica por medio de transductores. Estos dispositivos proporcionan una señal de salida cuando son estimulados por una entrada no mecánica: un termistor reacciona a variaciones de temperatura, una fotocelda a los cambios de intensidad luminosa, un haz electrónico a los efectos de un campo magnético, etc. En todos los casos, la salida eléctrica se mide mediante métodos estándares dejando la magnitud de la cantidad de entrada en términos de una medida eléctrica analógica. Una distinción y clasificación estricta de los tipos de transductores es difícil. El cuadro 11-1 muestra una clasificación de transductores de acuerdo con los principios eléctricos en que se basan. La primer parte del cuadro, lista transductores que requieren potencia externa. Estos son los transductores pasivos, los cuales producen una variación en algún parámetro eléctrico, como resistencia, capacitancia, etc., que se puede medir como una variación de voltaje o corriente. La segunda categoría corresponde a transductores del tipo de autogeneración, que generan un voltaje o corriente analógica cuando son estimulados por medio de alguna forma física de energía. Los transductores de autogeneración no requieren potencia externa. Cuadro 11-1 Tipos de Transductores Parámetro eléctrico y clase de Transductor Resistencia Dispositivo potenciómetro

Galga extensiométrica resistiva

Medidor de alambre caliente o medidor Pirani

Principio de operación y naturaleza del Aplicación típica dispositivo Transductores pasivos (con potencia externa) El posicionamiento de un cursor por medio de una fuerza externa varía la resistencia en un potenciómetro o un circuito puente

Presión, desplazamiento

La resistencia de un alambre o semiconductor cambia según la elongación o compresión debida a esfuerzos aplicados externamente

Fuerza, par ,desplazamiento

La resistencia de un elemento caliente varía enfriándolo con flujo de gas

Flujo de gas, presión de gas

Termómetro de resistencia

La resistencia de un alambre de metal puro con un coeficiente de temperatura de resistencia positivo grande varía con la temperatura

Temperatura, calor radiante

Termistor

La resistencia de ciertos óxidos de metal con coeficiente de temperatura de

Temperatura

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resistencia negativo cambia con la temperatura Higrómetro de resistencia

La resistencia de una cinta conductiva se altera con el contenido de humedad.

Humedad relativa

Celda fotoconductiva

La resistencia de una celda como un elemento del circuito se modifica con la luz incidente

Relevador fotosensible

Medidor de presión de capacitancia variable

Una fuerza aplicada externamente varia la distancia entre dos placas paralelas

Desplazamiento, presión

Micrófono de capacitor

La presión del sonido altera la capacitancia entre una placa fija y un diafragma móvil

Voz, música y ruido

Medidor dieléctrico

La capacitancia varía por cambios en ele dieléctrico

Nivel de líquidos, espesor

Transductor de circuito magnético

Los cambios del circuito magnético modifican la autoinductancia o inductancia mutua dc una bobina excitada por ca

Presión, desplazamiento

Detector de reluctancia

La reluctancia de un circuito magnético varia al cambiar la posición del núcleo de hierro de una bobina

Transformador diferencial

El voltaje diferencial de do, devanados secundarios de un transformador varia al mover el núcleo magnético por medio de una fuera aplicada desde el exterior La inductancia de una bobina se altera por la proximidad de una placa con corrientes parásitas inducidas

Presión, desplazamiento, vibración. posición Presión, fuerza, desplazamiento, posición

Capacitancia

Inductancia

Medidor de corriente parásita Medidor de magnetostricción

Desplazamiento, espesor

Las propiedades magnéticas cambian por presión y esfuerzos

Fuerza, presión. sonido

Se genera una diferencia de potencial a través de una placa semiconductora (de germanio) cuando un flujo magnético interactúa con una corriente aplicada Se induce flujo de electrones mediante la ionización de un gas debido a radiación radiactiva

Flujo magnético, corriente

Celda fotoemisiva

Hay una emisión de electrones debida a la radiación incidente en una superficie fotoemisiva

Luz y radiación

Tubo fotomultiplicador

La emisión de electrones secundarios es

Luz y radiación,

Voltaje y corriente Detector por efecto de Hall

Cámara de ionización

Conteo de panículas, radiación

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debida a la radiación incidente sobre un cátodo fotosensible

relevadores fotosensibles

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Parámetro eléctrico y clase Principio de operación y Aplicación típica de Transductor naturaleza del dispositivo Transductores de autogeneración (sin potencia externa) Termopar y termopila

Se genera una fem por la unión de dos disímiles o semiconductores cuando la unión se calienta

Temperatura, flujo de calor, radiación

Generador de bobina móvil

El movimiento de una bobina en un campo magnético genera un voltaje

Velocidad, vibración

Detector piezoeléctrico

Se genera una fem cuando una fuerza externa se aplica a ciertos materiales cristalinos, como el cuarzo

Sonido, vibración, aceleración, cambios de presión

Celda fotovoltaica

Se genera voltaje en un dispositivo de unión semiconductora cuando la energía radiante estimula la celda

Medidor de luz, celda solar

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1.1 Sensores y Transductores de Temperatura La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: a) b) c) d) e)

f)

variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases); variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); variación de resistencia de un semiconductor (termistores); f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal....).

TERMISTOR Los termistores, o resistores térmicos, son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con un coeficiente de temperatura de resistencia alto y, generalmente negativo. Símbolo genérico de un Termistor

El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de - 100°C a 300°C. Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Su rango de resistencia va de 0.5Ω a 75Ω y están disponibles en una amplia variedad de formas y tamaños. Los más pequeños son cuentas con un diámetro de 0.15 mm a 1.25 mm. Las cuentas se pueden colocar dentro de una barra sólida de vidrio para formar sondas que son más fáciles de montar que las cuentas. Se hacen discos y arandelas presionando el material termistor en condiciones de alta presión en formas cilíndrica y plana con diámetros de 2.5 mm a 25 mm. Las arandelas se pueden apilar y conectar enserie o paralelo con el fin de incrementar la disipación de potencia. La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión: En la que: Rt= resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt R0= resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T0 β= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas Existen dos tipos de termistor:  NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo  PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

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Una característica que tiene el termistor PTC es que si la temperatura llega a ser demasiado alta, pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC. El termistor PTC tiene unos límites de corriente en los que puede trabajar; pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa provoca un calentamiento hasta alcanzar la temperatura de conmutación

TERMOPAR El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Por estos efectos se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0°C. La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo coste y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas. El método clásico para medir voltajes de termopares fue con un potenciómetro. Este era un dispositivo mecánico que ya no se usa. Se utilizan dispositivos electrónicos para medir voltajes de termopares y convertir el voltaje Seebeck a temperatura y compensar por la unión de referencia.

Tipos de Termopar

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Tipo E, (cromel-constantán) puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre -200 a + 900°C. Tipo T, (cobre-constantán), tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre -200 a +260°C. Tipo J, (hierro-constantán), es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550°C, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750°C. Tipo K, (cromel-alumel), se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1250°C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección. Los termopares tipo R, S y E de Pt-Pt/Rh se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500° C. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.

Sensor bimetálico Se denomina bimetal a toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, mediante soldadura autógena, y sometidos a la misma temperatura. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma según un arco circular uniforme. Con la notación de la figura 1.11, el radio de curvatura, r, al pasar de una temperatura TI a otra T2 viene dado por: Siendo: e el espesor total de la pieza n la relación entre módulos de elasticidad = EJEA m la relación de espesores = eB/eA αA, αB los coeficientes de dilatación lineal Si se emplean materiales con módulos de elasticidad y espesores similares (m ~ 1, n ~ 1), que es lo habitual, la expresión anterior se reduce a:

El radio de curvatura varía, pues, de forma inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas, de modo que un sensor de posición o de desplazamiento permitiría la obtención de una señal eléctrica correspondiente. También puede calcularse la fuerza desarrollada por un elemento de este tipo que estuviera total o parcialmente empotrado o sujeto. En la práctica se emplean piezas con espesores de 10 pm a 3 mm. Para tener alta sensibilidad, interesaría que fuera as < O. pero como no hay metales útiles con esta propiedad, se toma invar (acero al níquel), que tiene a = 1,7 x 10-6/°C. Como metal A se emplean latones y otras aleaciones propiedad de los diversos fabricantes. Para microactuadores (microválvulas) se emplean silicio y aluminio. Estos dispositivos se emplean en el margen desde -75 a + 540°C, y particularmente desde O a + 300°C. Se les dispone en voladizo, espiral, hélice, diafragma, etc.,

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y se mide la fuerza o el desplazamiento. También se emplean directamente como actuadores para abrir o cerrar contactos (termostatos, control ON-OFF) y para protección en interruptores térmicos de circuitos eléctricos. En este último caso la corriente se hace circular por el propio elemento, que se calienta por efecto Joule hasta que alcanza una temperatura tal que se ejerce una fuerza mecánica sobre un dispositivo que interrumpe el camino de la corriente. Otras aplicaciones que no sean de medida son: la compensación térmica e dispositivos mecánicos sensibles a la temperatura y la detección de incendios. En cualquier caso, su respuesta es lenta pues tienen mucha masa.

RTD (Detector de temperatura resistivo) Son sensores de temperatura cuyo principio físico se basa en la resistividad de los metales, es decir, en variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Esto se debe a que al incrementar la temperatura los iones vibran con mayor amplitud y así se dificulta el paso de los electrones a través del conductor. La variación de la resistencia viene dada por la siguiente fórmula: R=R0•(1+ ∝ • ∆T) Donde: R0 es la resistencia inicial. ∆T= T-T0 es decir variación de la temperatura. ∝ es el coeficiente de temperatura del conductor. Debe ser alto. Las características que deben tener los metales son un alto coeficiente de resistencia y alta resistividad para que tenga mayor sensibilidad y que haya una relación lineal entre la resistencia y la temperatura. El platino es el metal más óptimo, ya que, además de cumplir las características, tiene un rango de temperatura mayor; pero, puesto que es muy caro, se utilizan otros como el níquel o cobre. Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno. Los dos tipos de RTD son: bobinado que permite la contracción y dilatación del material sensible y laminado que tiene menor masa térmica, es más barato, aunque con menor estabilidad.

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Las ventajas de utilizar este tipo de sensores es que tiene un margen de temperatura muy amplio; como tienen una gran sensibilidad, las medidas son dadas con mucha exactitud y repetitividad; presentan derivas en la medida de 0,1 ºC al año por lo que son muy estables en el tiempo. Los inconvenientes son que el coste es más alto que el de los termopares o termistores, también su tamaño será mayor limitando así su velocidad de reacción; son frágiles ante vibraciones, golpes…; se autocalientan más. Por tanto, los sensores RTD son los más apropiados para aplicaciones en las que la exactitud de la medida es lo importante. En general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metálico de acero inoxidable o construido de aceros especiales o aleaciones, como el Inconel, Incoloy y Hastelloy. Su construcción puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, según la necesidad del proceso. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con cable común de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben emplearse cables especiales de compensación, de costo superior.

Material de sensor: Metales Platino: - Metal ÓPTIMO para RTDs (precisión + estabilidad) - Rango de medida [-200ºC a +850ºC] - Coste elevado - Se utiliza como patrón Níquel: - Rango de medida [-150ºC a +300ºC] - Más barato que Pt - Falta de linealidad Cobre: - Rango de medida [-200ºC a +120ºC] - Barato - Estable - Lineal para Tª cercana a Tªambiente

Un Pt100 es un tipo particular de RTD Normalmente las Pt100 se vienen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro está el terminal eléctrico de los cables protegidos dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal), de allí parte muchas veces el confundirlo con las termocuplas. VENTAJAS  Alta precisión, de hasta +/-0.1ºC  Ideal para bajas temperaturas, en industrias alimenticias  Puede ser extendido fácilmente hasta 30 mts. con cable de cobre común DESVENTAJAS  Un poco más costosas que los termopares  Trabajan en un rango de temperatura limitado (max. 700ºC)  Frágiles, no utilizables en lugares donde haya mucha vibración

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1.2 Sensores y Transductores de Nivel En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos. La medida de nivel de líquidos tienen propiedades aplicables que ocupan todo el volumen (superficie enrasada), presión proporcional a la altura, flotabilidad, vasos comunicantes, entre sus inconvenientes: tenemos oleaje, oxidación, fugas, etc. La Medida de nivel de sólidos es más difícil porque no tienen la mayoría de las propiedades aplicables a los líquidos, además tienen otros inconvenientes como la granularidad, dependencia de la humedad, compacidad,etc.

Sensor Nivel Tubular Se utilizan para medir el nivel de combustible en conexión con una unidad eléctrica. Algunos sensores tienen terminal para a tierra, mientras que otros no. También pueden estar equipados con un contacto adicional para aviso de nivel bajo de combustible. Tubo de material transparente y rígido conectado al depósito por dos bridas con dos válvulas manuales de corte. El líquido sube por el tubo hasta igualar al nivel del depósito Limitaciones:    

No mucha presión No Tª alta No impactos No líquidos que interior tubo

manchan

También de vidrio armado  reflexión  refracción

Sensor de Nivel Ultrasónico Los sensores ultrasónicos son empleados en las industrias químicas como sensores de nivel por su mayor exactitud en presencia de burbujas en los reactores. Funcionan al igual que el ultrasónico contra el objeto tiempo que inició su conteo con los parámetros elegidos o analógica.

sistema de sonar usado por los submarinos. Emiten un pulso a sensar y, al detectar el pulso reflejado, se para un contador de al emitir el pulso. Este tiempo es referido a distancia y de acuerdo de respuesta ("Set Point") con ello manda una señal eléctrica digital

La técnica actual permite la fabricación de estos sensores con un rango de detección desde 100 mm hasta unos 6000 mm con una exactitud de 0.05%. Estos sensores son empleados con gran éxito sobre otros tipos de sensores para detectar objetos a cierta distancia que son transparentes o extremadamente brillosos y no metálicos.

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Al instalar el sensor, se debe tener en cuenta la distancia típica de bloqueo. Las superficies líquidas agitadas y el cambio de ángulo durante el llenado y vaciado de sólidos granulados afectan a la reflexión de los pulsos ultrasónicos y por lo tanto puede afectar a los resultados de medición.

Nivel de Cristal El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas, que están unidos al tanque, generalmente, mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal, y una de purga (figura 2.2) Dentro de los medidores de nivel de cristal podemos encontrar el medidor de nivel de cristal normal y el medidor de nivel de cristal con armadura. El primero, se emplea para presiones de hasta 7 bar (figura 2.2.a). Cuando las presiones son más elevadas que 7 bar, el cristal de este medidor es grueso, de sección rectangular y protegido por una armadura metálica (figura 2.2.b). La determinación del nivel del líquido para este tipo de medidor se puede realizar por intermedio de un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, tal como lo muestra la figura 2.2.c, el vidrio en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión, indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro, y la zona superior en contacto con el vapor, de color claro. En la lectura de nivel por transparencia, el líquido está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel mejorando, de esta forma, la apreciación visual del color, características o interfase del líquido, al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio. Los niveles de vidrio es que son muy susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo, de este modo, que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los

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líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos.

MEDIDOR DE SONDA El medidor de sonda (fig. 5.1 a) consiste en una varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de fuel-oil o gasolina. Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel. Se emplea en tanques de agua a presión atmosférica. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada representado en la figura 5.1 c, que se emplea cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque.

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1.3 Sensores y Transductores de Flujo y Caudal En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de los caudales y flujos de líquidos o de gases Mientras el sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas, os sensores de caudal recogen las velocidades del flujo de aire o líquidos.

Medidor de Turbina El medidor de turbina es un transductor que detecta la velocidad de un flujo utilizando un tubo de flujo con una turbina de paletas suspendida axialmente en la dirección de flujo. Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales giran cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. Para captar la velocidad de la turbina existen dos tipos de convertidores: 

Reluctancia: La velocidad está determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético, esta variación cambia el flujo induciendo una corriente alterna en la bomba captadora.



Inductivo: El rotor lleva incorporados un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina produce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.

Para estos dos convertidores el rotor de turbina genera la frecuencia la cual es proporcional al caudal, siendo del orden a 250 a 1200 ciclos por segundos para caudal máximo.

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PLACA ORIFICIO (PRESION DIFERENCIAL) La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presión diferencial. La disposición de las tomas se pueden observar con más claridad en la figura A. El orificio de la placa, como se muestra en la figura B, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmentada. La placa concéntrica sirve para líquidos. Excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos. Segmentada, partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán (Para que no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición. Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora como se menciona anteriormente un orificio de purga. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura C, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

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TUBO VENTURI (PRESION DIFERENCIAL) Este consta en sus extremos de dos entradas en las cuales existe una boquilla, el fluido pasa por la boquilla, generalmente se hace de una sola pieza fundida y tiene específicamente los siguientes elementos: Una sección aguas arriba, de igual diámetro que la tubería y provista de un anillo de bronce con una serie de aberturas piezométricas para medir la presión estática en esa sección. Una sección cónica convergente; una garganta cilíndrica provista también de un anillo piezométrico de bronce. Una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería. Los anillos piezométricos se conectan a uno y otro extremo, respectivamente, de un manómetro diferencial. El tamaño del tubo de Venturi se especifica mediante el diámetro de la tubería en la cual se va a utilizar y el diámetro de la garganta; por ejemplo, un tubo de Venturi de 6" x 4" se ajusta a una tubería de 6" y tiene una garganta de 4" de diámetro. Para que se obtengan resultados precisos, el tubo de Venturi debe estar precedido por una longitud de al menos 10 veces el diámetro de la tubería. Al escurrir el fluido de la tubería a la garganta, la velocidad aumenta notablemente, en consecuencia, la presión disminuye; el gasto transportado por la tubería en el caso de un flujo incompresible, está en función de la lectura en el manómetro.

Sensor de flujo El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas. Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.

Tipos de sensor de flujo De pistón Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM. Consiste en un pistón que cambia de posición, empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte. El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un reed switch, que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico. El área entre el pistón y la pared del sensor determina su

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sensibilidad, y por ende a qué caudal se activará el sensor.

De paleta (compuerta) Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de LPM. Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente flujo que se pretende detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.

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De elevación (tapón) Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal. Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.

Consideraciones finales Para determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los siguientes factores: Caudal de disparo: se debe seleccionar un sensor más sensible si se requiere detectar flujos muy bajos. Pérdida de presión: al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se está reduciendo en alguna medida su presión. La presión de salida siempre va a ser menor a la de entrada, siendo el sensor de tapón el que más reduce la presión y el sensor de paleta el menos intrusivo. Impurezas en los fluidos: los sólidos en los fluidos pueden obstruir el sensor de pistón. En cambio, el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los sólidos. Tipo de fluido: se debe seleccionar un sensor que esté fabricado con materiales que soporten el tipo de fluido que se va a detectar. La temperatura, presión, acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los materiales.

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1.4 Sensores y Transductores de presión La medida de presiones en líquidos o gases es una de las más frecuentes, particularmente en control de procesos. La presión es una fuerza por unidad de superficie, y para su medida se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástico (medidas por deflexión). En el cuadro 1.7 se recogen algunas de las alternativas posibles. Al aplicar una presión a un elemento elástico, éste se deforma hasta el punto en que las tensiones internas igualan la presión aplicada. Según sean el material y la geometría empleados, el desplazamiento o deformación resultantes son más o menos amplios, pudiéndose aplicar luego unos u otros sensores. Los dispositivos utilizados derivan bien del tubo Bourdon, bien del diafragma empotrado o sujeto por sus bordes.

Tubo Bourdon Un tubo Bourdon es un tubo deformable de metal con una sección ovalada. Es abierto en uno de sus extremos y cerrado en el otro. El tubo hueco es elástico debido a la elasticidad del metal utilizado en su construcción. El fluido cuya presión se quiere medir es admitido al interior del tubo por su extremo abierto, el cual está mecánicamente asegurado. El tubo entonces deflecta una cantidad proporcional a la magnitud de la presión. Esta deflexión es transmitida mecánicamente al contacto de un potenciómetro o al núcleo de un LVDT para proporcionar una señal eléctrica. Las figuras 3.6 (a) a la (d) muestran las diferentes formas de los tubos Bourdon y los movimientos que ellos producen. La figura 3. 6 (e) muestra como un tubo de Bourdon en forma de C podría acoplarse a un potenciómetro. La figura 3.6 (f) muestra como un tubo en C podría acoplarse a un LVDT. Los tubos Bourdon en espiral y helicoidales con frecuencia se prefieren a los tubos Bourdon en forma de C Figura 3.6. Tubos Bourdon. (a) Tubo Bourdon en forma de C, el tipo más común. (b) debido a que producen un Tubo Bourdon en forma de hélice. (c) Tubo Bourdon en forma espiral. (d) Tubo movimiento más grande de Bourdon de torsión. (e) Tubo Bourdon en forma de C unido a un potenciómetro. (f) Tubo Bourdon en Forma de C acoplado a un LVDT.

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su extremo sellado por cantidad de presión. Los tubos Bourdon son más frecuentemente utilizados para medir presiones en el rango de 10 a 300 psi.

Fuelles Un fuelle es esencialmente una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando se somete a la presión de un fluido, un diafragma metálico se deformará ligeramente debido a la elasticidad del material utilizado para construirlo. Cuando se soldan varios diafragmas en serie, el movimiento total del último diafragma puede ser considerable. La figura 3.7 (a) muestra un corte de un fuelle. Con la puerta de entrada de presión asegurada, el fuelle se expandirá a medida que aumente la presión del fluido, y el espigo de salida se moverá a la derecha. A medida que la presión del fluido cae, el fuelle se contrae, y el espigo de salida se mueve a la izquierda. La fuerza de contracción puede proporcionarse por el resorte mismo de los diagramas del fuelle o por una combinación de diafragma con un resorte externo. Las figuras 3.7 (b) y (C) muestran dos arreglos comunes de los fuelles. En la figura 3.7 (b), la presión es aplicada al interior del fuelle y tiende a expandirlo contra la oposición del resorte de tensión. A medida que el fuelle se expande acciona un enlace mecánico que mueve el contacto de un potenciómetro para entregar una señal de salida eléctrica En la figura 3.7 (c) la presión medida se aplica a la parte externa del fuelle, forzándolo a contraerse en contra de la compresión del resorte. A medida que se mueve, acciona un enlace mecánico que mueve el núcleo de un LVDT para entregar una señal eléctrica de salida. Estos transductores de presión se calibran ajustando la tensión o la compresión inicial del resorte de retorno. Una tuerca de ajuste, la cual no se muestra en la figura 3.7, se proporciona para este efecto.

Figura 3.7 (a) Construcción básica de un fuelle. (b) Disposición de un fuelle en el cual la presión de entrada se aplica al interior del fuelle. (c) Disposición de un fuelle en la cual la presión de entrada se aplica al exterior del fuelle

Los transductores de presión tipo fuelle encuentran sus usos principales en la medida de presiones en el rango de 0.5 a 20 psi.

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GALGA EXTENSIOMÉTRICA Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. Existen dos tipos de galgas extensiométricas: galgas cementadas (fig. 3.9) formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos. La galga forma parte de un puente de Wheatstone (fig. 3.11) Y cuando está sin tensión tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión, nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5 % Las galgas extensométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos.

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TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS Los elementos piezoeléctricos (fig. 3.13) son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150°C en servicio continuo y de 230°C en servicio intermitente.

Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.

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1.5 Sensores y transductores de posición y velocidad La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas: con tacómetros mecánicos y con tacómetro s eléctricos. La velocidad es la derivada del espacio en el tiempo V = S/t = ΛS/Λt = dS/dt Los sensores de Posición detectan el movimiento de la placa de aceleración a través de los cambios de voltaje, estos mandan la información a la computadora.

LVDT El Transformador Diferencial Variable Lineal es un dispositivo de sensado de posición que provee un voltaje de salida de CA proporcional al desplazamiento de su núcleo que pasa a través de sus arrollamientos. Los LVDTs proveen una salida lineal para pequeños desplazamientos mientras el núcleo permanezca dentro del bobinado primario. La distancia exacta es función de la geometría del LVDT.

Teoría de operación Un LVDT es muy parecido a cualquier otro transformador, el cual consta de un bobinado primario, bobinado secundario, y un núcleo magnético. Una corriente alterna, conocida como la señal portadora, se aplica en el bobinado primario. Dicha corriente alterna en el bobinado primario produce un campo magnético variable alrededor del núcleo. Este campo magnético induce un voltaje alterno (CA) en el bobinado secundario que está en la proximidad del núcleo. Como en cualquier transformador, el voltaje de la señal inducida en el bobinado secundario es una relación lineal del número de espiras. La relación básica del transformador es:

Donde: Vout: tensión de salida. Vin: tensión de entrada. Nout: numero de espiras del bobinado secundario. Nin: numero de espiras del bobinado primario. Como el núcleo se desplaza, el número de espiras expuestas en el bobinado secundario cambia en forma lineal. Por lo tanto la amplitud de la señal inducida cambiará también linealmente con el desplazamiento. El LVDT indica la dirección de desplazamiento debido a que las salidas de los dos bobinados secundarios se encuentran balanceadas mutuamente. Los bobinados secundarios en un LVDT se conectan en sentido opuesto. Así cuando el mismo campo magnético variable se aplica a ambos bobinados secundarios, sus voltajes de salida tienen igual amplitud pero diferente signo. Las salidas de los dos bobinados secundarios se suman, simplemente conectando los bobinados secundarios a un punto común de centro. A una posición de equilibrio (generalmente cero desplazamiento) se produce una señal de salida igual a cero.

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La señal inducida de CA es entonces demodulada para producir un voltaje de sensible a la amplitud y a la fase de la señal de CA producida.

CC que sea

A continuación se muestra un diagrama de la relación entre la señal de entrada del bobinado primario, el núcleo magnético y la señal de salida:

Potenciómetros Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común. Constan de una resistencia através de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él ( en el wiper) irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que pretendiamos controlar. La característica principal de estos elementos, es que el valor en ohms del dispositivo puede ser ajustado dentro de un rango limitado por el valor marcado en el dispositivo (valor máximo).Son ampliamente utilizados en controles de volumen en sistemas de audio, en sistemas de control de potencia, en circuitos de precisión que requieren un valor específico de resistencia, etc. Se fabrican depositando una capa de carbón sobre una sección circular o rectangular de fibra (o algún material aislante). Luego se monta un mecanismo que permita deslizar un contacto móvil sobre la película depositada. Existen potenciómetros con una elevada disipación de potencia, los

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cuales se fabrican como una resistencia de alambre, salvo que en este caso, no se aísla para poder colocar el contacto deslizante.

Tacómetros eléctricos Los tacómetros eléctricos emplean un transductor que produce una señal analógica o digital como conversión de la velocidad de giro del eje de la máquina. Existen varios tipos de tacómetros según los transductores: Tacómetro de corrientes parásitas (fig. 7.7) en el que el eje de la máquina hace girar un imán dentro de una copa de aluminio. El giro del imán induce corrientes parásitas en el aluminio que crean un par resistente proporcional a la velocidad. Un resorte frena el cabezal del aluminio quedando éste en una posición que se señala en un dial. De este modo funciona el tacómetro eléctrico empleado en el automóvil; en aviación la máquina hace girar el imán permanente a través de un grupo generador-motor síncronos, mientras que en las máquinas de ferrocarril se utiliza un rotor que produce un campo magnético giratorio. En otro sistema empleado en la industria el par resistente del cilindro de aluminio se aplica a un sistema neumático de equilibrio de fuerzas. El campo de medida es de 0-15 000 revoluciones por minuto. El tacómetro de corriente alterna consiste en un estator bobinado multipolar en el que el rotor dotado de imán permanente induce una corriente alterna. Un voltímetro señala la corriente inducida y por lo tanto el giro en r.p.m. del eje de la máquina. En la figura 7.8 puede verse este tipo de tacómetro. El tacómetro de corriente continua o dínamo tacométrica (fig. 7.9) consiste en un estator de imán permanente y un rotor con un entrehierro uniforme. La tensión continua recogida en las escobillas del rotor es proporcional a la velocidad en r.p.m. de la máquina. Esta tensión puede leerse en un voltímetro indicador o bien alimentar un instrumento potenciométrico a través de una resistencia divisora de tensión. La precisión en la medida alcanza ± 0,5 % para velocidades que llegan hasta las 6000 r.p.m. El tacómetro de frecuencia o frecuencímetro (fig. 7.10) mide la frecuencia de la señal de c.a. captada por transductores del tipo electromagnético, capacitivo u óptico que dan impulsos cuyo número es proporcional a la velocidad de giro de la máquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a un contador electrónico basado en la medida de las revoluciones por unidad de tiempo.

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Otro modelo de tacómetro de frecuencia mide ópticamente la velocidad. Dispone de un disco opaco perforado periféricamente y acoplado al eje cuya velocidad desea medirse, de una fuente de luz y de una fotocélula. Esta genera una frecuencia dependiente de los impulsos luminosos que pasan a través del disco, es decir, es función de la velocidad.

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Sensores de posición angular Un sensor de ángulo magnético o sensor de posición angular magnético, está pensado para la medida de posición angular mediante tecnología magnética. Es decir, contamos con dos elementos un detector y un emisor, el emisor es principalmente un imán que al variar su posición, también lo harán sus polos. Por este principio de funcionamiento, contamos con un sensor de ángulo absoluto. El detector interpreta la posición del emisor y calcula el ángulo de forma absoluta. Este principio de funcionamiento aporta diferentes ventajas, una de ellas es que se pueden medir giros completos de 360º, que con un potenciómetro o RVDT no sería posible. Otra de sus ventajas es que no tiene rozamiento, ya que no hay contacto ni desgaste entre el emisor y el detector. Como salida absoluta, nos ofrece señal analógica amplificada, para poder ser llevada directamente a un PLC o equipo de adquisición, también dispone de salida digital tipo SSI.

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1.6. Sensores y Transductores de proximidad Un sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos.

Sensores ópticos La presencia de objetos puede detectarse también mediante sensores ópticos tipo barrera en los que el objeto intersecta la línea entre el emisor y el receptor, tal como se ilustra en la figura 7.18a. El principio de funcionamiento de interrupción del haz es el mismo que el que se empleaba en los codificadores ópticos. Se emplean diodos emisores de luz y fotodetectores tales como fotorresistores, fotodiodos o fototransisteres. Los fotonesistores o fotocelulas, son resistencias cuyo valor cambia con la intensidad de la luz recibida. Su empleo y conexión a microcontroladores es muy sencilla. Los fotodiodos tienen una mayor sensibilidad y producen una señal lineal en un rango muy amplio de niveles de intensidad. Sin embargo, su salida necesita ser amplificada. Se emplean también sensores ópticos en los que el emisor y el receptor se montan sobre el robot detectándose la presencia del objeto por la reflexión de la luz en el objeto tal como se ilustra en la figura 7.181b. El enfoque se consigue mediante lentes apropiadas. En particular, se utilizan sensores de infrarrojo cercano que son sensibles en longitudes de onda, tales como 880 nm, inmediatamente inferiores a la visible. A estos sensores se les denomina también sensores de proximidad. Sin embargo, conviene poner de manifiesto que en principio no suministran ninguna medida de distancia sino tan solo una señal binaria indicando si existe o no un objeto próximo en un rango de distancia característico del sensor. No obstante. existen otros sensores de distancia con principios de funcionamiento simiiares. De esta forma forma, si se coloca un emisor y una línea de detectores es posible calcular la distancia a un objeto próximo determinando cuál de los receptores es el que recibe mayor intensidad luminosa del haz reflejado y aplicando triangulación. Existen también otros sensores ópticos de distancia tales como los sensores láser de tiempo de vuelo basados en la determinación del tiempo entre los pulsos emitidos y los que se reciben después de ser reflejados en el objeto o los sensores láser de medida de dejase entre una onda emitida y la recibida reflejada por el objeto. Estos sensores de distancia no se consideran en este texto, dejándose para otros especializados en percepción del entorno.

SENSORES DE ULTRASONIDO Por último, conviene mencionar a los sensores de ultrasonidos. Estos sensores funcionan mediante el principio del tiempo de vuelo, emitiendo pulsos de sonido y determinando el tiempo hasta que se detecta una vez que ha sido reflejado por el objeto. De esta forma, teniendo en cuenta la velocidad de propagación del sonido, puede llegar a determinarse una distancia, tal como se efectúa en los sensores láser de medida de distancias. Sin embargo, se cuenta también con sensores de proximidad que indican si existe o no un objeto a una distancia menor que una dada, la cual puede programarse en el sensor. Conviene poner de manifiesto que las características de la superficie que refleja la onda y el ángulo de incidencia

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tienen una notable influencia en la eficiencia de estos sensores. En efecto, si el ángulo de incidencia excede un cierto valor crítico, la energía reflejada no entrará en la zona de detección. Pueden recibirse también reflexiones desperdigadas de otros objetos generando señales falsas tal como se pone de manifiesto en la figura 7.19. Nótese como, en este caso, pudiera no detectarse que el objeto 0 está muy próximo debido a que se recibe el rebote de O’.

FINALES DE CARRERA Los finales ce carrera son captadores de conmutación electromecánica, la detección del objeto por medio del cabezal hace conmutar los contactos eléctricos del final de carrera. Para que la señal del captador llegue al autómata se cablea un terminal del contacto a una fuente de alimentación y el otro terminal a una entrada digital del autómata. El cierre del contacto hace que la tensión llegue a la entrada digital. Los Finales de carrera presentan como ventaja su bajo costo. En su contra, la distancia de detección es cero, dado que requieren contacto físico con el objeto, además de presentar una lenta respuesta. Al ser necesario el contacto físico con el objeto estará garantizados para un número máximo de maniobras, siempre que no sean sometidos a mayor esfuerzo que el que pueden soportar según catálogo. Una aplicación típica es la detección de final de recorrido en movimientos lineales, como en ascensores, en ejes lineales, etc.

DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS Este tipo de detectores se utilizan para detectar piezas o elementos metálicos en distancias que van desde los cero a los treinta milímetros. El principio de funcionamiento consiste en la posibilidad de influenciar desde el exterior un oscilador HF completado con un circuito resonante LC. Un núcleo de ferrita con un bobinado oscilante genera por encima de la cara sensible un campo magnético variable. Al introducirse una pieza metálica en el campo magnético se producen corrientes de Faucoult que influencian el oscilador y provocan una debilitación de circuito oscilante. Como consecuencia se produce una disminución de la amplitud de las oscilaciones. Un circuito detecta esta variación de amplitud y determina una conmutación de la señal dada por el sensor.

Características de funcionamiento:      

Conmutación sin realizar esfuerzo mecánico No existe desgaste Insensible a las influencias externas Larga duración Gran precisión en el punto de conmutación Frecuencia de conmutación elevada

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Existen detectores inductivos con salida analógica que indica la distancia del objeto al detector. La variación de amplitud de la oscilación, provocada por la presencia del objeto frente al detector, puede servir para conseguir una señal analógica proporcional a la distancia del objeto. Cuando un objeto metálico se aproxima a la cara activa del detector, la energía del oscilador se debilita. Este debilitamiento provoca una disminución de amplitud en la oscilación. Esa disminución de amplitud es proporcional a la distancia entre el detector y el objeto. La señal obtenida se linealiza y amplifica. Se dispone de salidas 0.10 V y/o 0.2 mA. El rango de medida es muy reducido, limitándose a distancias en el rango de los 1 a 11 milímetros. Existen sensores inductivos empotrables y no empotrables. En los primeros la bobina está encerrada por un encapsulado cilíndrico de metal, excepto por la cara activa del sensor. Este tipo de sensor se ve menso afectado por el metal que lo rodea y lacara activa del sensor puede enrasarse con una base de metal. En los sensores no enrasables la bobina no tiene encapsulado de metal. Por lo cual el detector se ve fácilmente afectado por el metal que lo rodea. No deberá existir material metálico en las proximidades del cabezal excepto el del propio objetivo. Los sensores no empotrables en el metal tienen un alcance 2 veces superior al del modelo empotrable pero debe evitar la influencia de las masas metálicas cercanas. La distancia de detección de un sensor de proximidad inductivo se puede ver alterada por varios factores. La distancia detección suele aumentar un poco con la temperatura. El tipo de metal también tiene influencia sobre la distancia de detección. En el caso del hierro la distancia es del 100%, en el acero inoxidable del 70%, en el latón del 50%, en el aluminio del 36% y en el cobre del 32% de la distancia nominal del sensor.

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