SENSORES

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SENSORES
Instrumentación Electrónica 5º Ingeniería Química
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• Sensores de posición.
• Sensores de velocidad.
• Sensores de temperatura.
• Sensores de presión.
• Medidores de caudal.
• Medidores de nivel.

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1. Sensores de posición

• Se usan para
• Medir distancias entre objetos.
• Detectar la presencia de un objeto a cierta
  distancia.
• Tipos
• a) Detectores de presencia o proximidad.
• b) Medidores de distancias o posición.
• c) Sensores de pequeñas deformaciones.

1. Sensores de posición.
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a) Detectores de presencia o proximidad

• INDUCTIVOS
• Detectan la proximidad de piezas metálicas en el
  rango 1mm-30mm.
• Formados por un circuito oscilador LC con alta
  frecuencia de resonancia. La presencia del metal
  altera el circuito magnético y hace variar la
  amplitud de la oscilación generada por el
  circuito.
• Sensor de tipo todo o nada.

Ventajas - No necesita estar en contacto con el
objeto a detectar. - Robustez mecánica. -
Resistencia a ambientes agresivos y a altas
temperaturas. - Bajo precio.
1. Sensores de posición.
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a) Detectores de presencia o proximidad

• CAPACITIVOS
• Basados en el mismo principio.
• El elemento sensible es el C del circuito
  oscilante dos aros metálicos concéntricos que
  forman un condensador.
• Cuando el objeto se acerca, cambia el dieléctrico
  del C y, por tanto, cambian las oscilaciones del
  circuito.
• Son sensores tipo todo o nada

• Ventajas
• Puede detectar materiales distintos a los
  metales.
• Pero Su sensibilidad depende mucho del tipo de
  material a detectar y de la humedad ambiental.

1. Sensores de posición.
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a) Detectores de presencia o proximidad

• ÓPTICOS
• Incorporan un emisor y un receptor.
• La variación de luz es la que activa su salida.
  Pueden conmutar por luz o por oscuridad.

PALPACIÓN DIRECTA Emisor y receptor en la misma
unidad. El objeto se detecta cuando el haz de luz
se refleja en él.
SISTEMA ENFOCADO Emisor y receptor en la misma
unidad. El punto de enfoque (por medio de una
lente) se encuentra a una distancia prefijada del
receptor. Sólo la reflexión de un objeto a esa
distancia provoca la activación de la salida.
1. Sensores de posición.
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a) Detectores de presencia o proximidad

• ÓPTICOS

SISTEMA EMISOR/RECEPTOR Emisor y receptor en
distintas unidades. La interrupción del haz de
luz provoca la conmutación.
SISTEMA DE BARRERA Emisor y receptor en la misma
unidad. El haz de luz se refleja con un
reflector. La interrupción del haz de luz provoca
la conmutación.
Permiten identificar colores y objetos de tamaño
pequeno (décimas de mm) Distancias de detección
grandes 5m-500m Pueden complementarse con fibra
óptica
1. Sensores de posición.
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a) Detectores de presencia o proximidad

• ULTRASONIDOS
• Basados en la emisión-recepción de ondas de
  ultrasonidos.
• El objeto interrumpe el haz, el nivel de
  recepción varía y el objeto es detectado

Ventaja Detección de objetos transparentes
(cristal, plástico) Desventaja no se pueden usar
en sitios donde el aire circule con violencia o
en medios con elevada contaminación acústica
1. Sensores de posición.
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b) Sensores de distancias

• POTENCIÓMETROS
• Resistencia variable según un cursor que lleva
  incorporado que se puede deslizar sobre ella
  (partidor de tensión).
• Se conecta a un eje el movimiento del eje
  arrastra al cursor y cambia la resistencia.
• La ley de variación de resistencia en función del
  ángulo de giro es lineal o logarítmica.
• La tensión de salida depende del ángulo girado.

1. Sensores de posición.
10
b) Sensores de distancias

• ENCODERS
• Pieza que rota con bandas opacas y traslúcidas
  alternadas.
• Tienen detectores ópticos que indican la
  presencia de una u otra banda.
• Al girar la pieza se generan pulsos.
• Los más sencillos tienen un número de pulsos por
  vuelta fijo y requieren de un contador para
  determinar la distancia recorrida
• Resolución depende del número de divisiones del
  rotor
• R360/N

1. Sensores de posición.
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b) Sensores de distancias

• LÁSER
• Detector de distancias que usa técnicas de
  reflexión y triangulación.
• Se genera un haz de luz y se divide en dos partes
  ortogonales mediante un separador. Un haz se
  aplica en un espejo plano fijo, el otro en el
  objeto cuya distancia se quiere calcular. Se
  superponen los dos haces en el separador.

La diferencia relativa de posiciones se determina
contando las oscilaciones que antes no estaban.

• ULTRASONIDOS
• Emiten una onda que se refleja en el objeto y se
  detecta a la vuelta. Se mide el tiempo que tarda,
  y como la velocidad de la onda es conocida, se
  calcula la distancia recorrida por la onda.

1. Sensores de posición.
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c) Sensores de pequeñas deformaciones

• TRANSFORMADOR DIFERENCIAL
• Transformador con un primario y dos secundarios
  idénticos acoplados al primero magnéticamente.
• En reposo, el núcleo está colocado simétricamente
  respecto a ambos secundarios (la tensión de los
  secundarios es la misma).
• El núcleo se hace solidario a la pieza cuyo
  desplazamiento se va a medir.
• Cuando la pieza se desplaza, el núcleo se
  descentra y las tensiones de los secundarios
  dejan de ser iguales.
• Resolución décimas de mm.

1. Sensores de posición.
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c) Sensores de pequeñas deformaciones

• GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS
• Se basan en la variación de la resistencia de un
  hilo conductor calibrado (GALGA DE HILO) o de un
  material semiconductor (GALGA DE SEMICONDUCTOR).
• Se combinan con muelles o piezas deformables para
  detectar de forma indirecta esfuerzos de
  tracción, compresión, etc.
• Al cambiar la forma del material varía su
  resistencia de modo proporcional a esa
  deformación, y por lo tanto, varía la tensión en
  sus extremos.
• La galga de semiconductor es la que tiene mayor
  sensibilidad, pero también la más sensible a la
  temperatura.

1. Sensores de posición.
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c) Sensores de pequeñas deformaciones

• PIEZOELÉCTRICOS
• Materiales cristalinos (cuarzo).
• Adquieren una polarización en la dirección de los
  ejes eléctricos cuando se somenten a un esfuerzo
  y se deforman en la dirección de los ejes
  mecánicos.
• Dos modos de usarlos
• Midiendo la densidad de carga superficial que
  aparece cuando el material se somete a presión.
  Un circuito mide esto y su salida es proporcional
  a la deformación.
• Colocando el material en un circuito con
  realimentación positiva. Se consigue un
  oscilador. La frecuencia de oscilación variará
  con la deformación.

1. Sensores de posición.
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2. Sensores de velocidad
Se usan en un gran número de sistemas
industriales, en los que se requiere un control
de la dinámica de los mismos.

• DINAMO TACOMÉTRICA
• Es un generador de DC. La tensión generada al
  girar el rotor es proporcional a la velocidad
  angular de giro.
• Sensibilidad 50-100 mV/r.p.m.

• GENERADOR DE IMPULSOS
• Son los más usados.
• Generan pulsos a una frecuencia proporcional a la
  velocidad.

2. Sensores de velocidad.
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3. Sensores de temperatura
Parámetro muy importante en los procesos
industriales.

• Tipos
• Termómetros de dilatación.
• Termómetros sensibles a la resistencia.
• Termopares.
• Métodos sin contacto.

3. Sensores de temperatura.
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a) Termómetros de dilatación

• TERMÓMETROS DE VIDRIO
• Indican la temperatura como diferencia entre el
  coeficiente de dilatación del vidrio y del
  líquido empleado (Ej. mercurio).
• TERMÓMETROS DE BULBO
• La variación de temperatura produce la expansión
  o contracción del fluido, lo que deforma el
  recinto que lo contiene.

3. Sensores de temperatura.
18
a) Termómetros de dilatación

• TERMÓMETROS BIMETÁLICOS
• Sensores de tipo todo o nada que conmutan a un
  cierto valor de temperatura.
• Constan de dos láminas metálicas con diferente
  coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por
  sus extremos. Se basan en la diferencia de
  dilatación de dos metales.
• Cuando por efecto de la temperatura se dilatan,
  se deforman produciéndose un desplazamiento
  mecánico cuya fuerza se emplea para mover una
  aguja indicadora o para activar un mecanismo de
  control.
• Usos típicos sistemas de climatización,
  interruptores de protección, etc.

3. Sensores de temperatura.
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b) Termómetros sensibles a la resistencia

• TERMÓMETROS DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD)
• Se basan en que la resistencia eléctrica de
  metales puros aumenta con la temperatura. En
  algunos de forma casi lineal RR0 1alfa(T-T0)
• El material debe ser resistente a la corrosión y
  a ambientes hostiles, con comportamiento lineal,
  alta sensibilidad, fácil de fabricar y estable
  Pt y Ni.
• Rango (Pt) -200ºC a 500ºC. PT100 sensibilidad
  0.385 ohmios/ºC

3. Sensores de temperatura.
20
b) Termómetros sensibles a la resistencia

• TERMISTORES
• PTC (Positive Temperature Coefficient) y NTC
  (Negatice Temperature Coefficient).
• Semiconductores o cerámicos.
• Alta sensibilidad 100 ohmios/ºC
• No lineal hay que linealizar en torno al punto
  de trabajo.
• Rango de temperatura pequeño. Útil para
  temperatura ambiente.
• Muy baratos y pequeños.
• Menos precisión.

3. Sensores de temperatura.
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c) Termopares
Sensores activos que usan el efecto Seebeck. Dos
metales soldados en un extremo, este estremo se
calienta (unión caliente) y los otros dos
extremos no (unión fría). Efecto Seebeck aparece
una diferencia de tensión entre los dos
extremos. El voltaje es proporcional a la
diferencia de temperaturas. Señal de salida muy
baja microvoltios por grado. Aguantan altas
temperaturas (Ej. calderas) Bastante lineales
3. Sensores de temperatura.
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d) Métodos sin contacto

• PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
• Miden la temperatura a partir de la radiación
  térmica que emiten los cuerpos calientes.
• No requiere el contacto entre sensor y cuerpo
  cuya temperatura se desea medir. Evita problemas
  cuando la temperatura del cuerpo es la
  temperatura de fusión del material del que está
  hecho el sensor.
• Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann todas las
  sustancias a cualquier temperatura por encima del
  cero absoluto radían energía como resultado de la
  agitación atómica asociada con su temperatura. La
  energía emitida por el cuerpo aumenta
  proporcionalmente con la cuarta potencia de la
  temperatura absoluta del cuerpo.
• Tienen un sistema óptico que recoge la energía
  radiada y la concentra en un detector, el cual
  genera una señal propocional a la temperatura.
• Se usan cuando el área a medir se mueve o es de
  difícil acceso o cuando no se pueden usar los
  termopares.

3. Sensores de temperatura.
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4. Sensores de presión
Suelen basarse en la deformación de un elemento
elástico (membrana) cuyo movimiento bajo la
acción del fluido es detectado por un transductor
de pequeños desplazamientos que nos da una señal
proporcional a la presión.

• Dos tipos de medidas
• Presión absoluta medida respecto al vacío.
• Presión diferencial o relativa se mide la
  diferencia de presión entre dos puntos.
• Sensores mecánicos
• Sensores electromecánicos

4. Sensores de presión.
24
a) Sensores mecánicos

• TUBO DE BOURDON
• Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi
  completo cerrado por un extremo y conectado a la
  fuente de presión por el otro.
• Al aumentar la presión en el interior del tubo
  éste se endereza, provocando un movimiento que es
  recogido por una aguja indicadora o transmisor
  colocados en el extremo cerrado del tubo.

4. Sensores de presión.
25
a) Sensores mecánicos

• FUELLE
• Tubo fino sin soldadura, ondulado, de acero
  inoxidable o latón, que por efecto de la presión
  se estira o contrae con un desplazamiento
  considerable.

4. Sensores de presión.
26
b) Sensores electromecánicos

• SENSOR CAPACITIVO
• Consta de dos membranas exteriores y un fluido en
  contacto con un diafragma sensor, situado entre
  las dos armaduras del condensador.
• El fluido transmite la presión soportada por las
  membranas al diafragma, el cual se desplaza hacia
  un lado o hacia otro proporcionalmente a la
  presión.
• Esto hace que varíe la constante dieléctrica
  entre las placas del condensador.

4. Sensores de presión.
27
b) Sensores electromecánicos

• GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS
• Al someter una galga a presión, varía su longitud
  y su diamétro, y en consecuencia, su resistencia
  eléctrica.

• SENSORES INDUCTIVOS
• Se basa en que al desplazar un núcleo móvil
  dentro de una bobina aumenta la tensión inducida
  en el arrollamiento secundario.

• SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
• Un material piezoeléctrico genera una señal
  eléctrica al deformarse por efecto de una presión.

4. Sensores de presión.
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5. Medidores de caudal

• Se basan en distintos principios según se trate
  de medir el caudal de fluios compresibles o no
  (gases o líquidos).
• CAUDAL masa por unidad de tiempo (Qm) o volumen
  por unidad de tiempo (Qv) del fluido que
  atraviesa la sección de cierto conducto. Qv es
  más usado.
• Tipos
• Medidores de presión diferencial.
• Medidores de velocidad.
• Medidores másicos.
• Medidores volumétricos.

5. Medidores de caudal.
29
a) Medidores de presión diferencial

• PLACA ORIFICIO
• Al restringir el paso de fluido se produce una
  caída de presión.
• Es una placa con un orificio que se usa para
  restringir el paso de fluido.
• Se usa con líquido limpio y gases (los fluidos
  sucios producen erosión del filo de la placa).

5. Medidores de caudal.
30
a) Medidores de presión diferencial

• TUBO VENTURI
• Consiste en un estrechamiento gradual cónico y
  una descarga con salida también suave.
• Se usa para fluidos sucios y ligeramente
  contaminados.
• Su alto coste restringe su utilización.

5. Medidores de caudal.
31
a) Medidores de presión diferencial

• TUBO PITOT
• Mide la velocidad en un punto.
• Consiste en un tubo de diámetro pequeño que se
  opone al flujo. Midiendo la altura de la columna
  de líquido tenemos la presión total del punto.
• Se mide la presión estática con otro tubo y se
  calcula la velocidad como función de la
  diferencia de presiones.

5. Medidores de caudal.
32
b) Medidores de velocidad

• MEDIDOR DE TURBINA
• El fluido entra en el medidor y hace girar un
  rotor a una velocidad que es proporcional a la
  del fluido, y por tanto, al caudal instantáneo.
• La velocidad de giro del rotor se mide con un
  sensor que registra el número de vueltas o por
  pulsos electrónicos generados en cada giro.
• Son los más precisos.
• Aplicables a gases y líquidos limpios de baja
  viscosidad.

5. Medidores de caudal.
33
b) Medidores de velocidad

• MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO
• Se basan en la ley de inducción electromagnética
  de Faraday el voltaje inducido en un conductor
  que se mueve en un campo magnético es
  proporcional a la velocidad del conductor.
• Ventajas No originan caída de presión (no
  entorpecen el paso del fluido), se usan para
  líquidos sucios, viscosos y contaminados.
• Desventajas Medidas con error si la tubería no
  está totalmente llena o si existen burbujas.

5. Medidores de caudal.
34
b) Medidores de velocidad

• MEDIDORES DE ULTRASONIDOS
• Emplean ondas ultrasónicas para medir el caudal.
• Buenos para medir líquidos altamente contaminados
  o corrosivos, porque se instalan exteriormente a
  la tubería.
• Introducen dos pulsos inclinados y simultáneos
  mediante dos emisores-receptores. La diferencia
  de tiempos para el mismo camino recorrido depende
  de la velocidad del flujo.

5. Medidores de caudal.
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c) Medidores másicos

• MEDIDOR DE INCREMENTO DE TEMPERATURA
• Consiste en aportar calor en un punto del flujo y
  medir la temperatura aguas arriba y aguas abajo.
• Si la velocidad del flujo fuese nula, no habría
  diferencia de temperatura. Al existir velocidad,
  la diferencia de temperaturas es proporcional al
  flujo másico existente.

5. Medidores de caudal.
36
d) Medidores volumétricos

• MEDIDOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
• Para caudales de gases.
• Se intenta mantener la presión y la temperatura
  constantes.
• El flujo se divide en segmentos de volumen
  conocido, contando el número de segmentos en un
  intervalo de tiempo.
• No se recomienda con fluidos sucios al existir
  partes móviles.

5. Medidores de caudal.
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6. Medidores de nivel

• Mide el estado de llenado de depósitos de
• líquidos
• sólidos (polvo/granulados)
• Dos estrategias
• Detectar varios niveles de referencia con un
  número discreto de transductores todo o nada.
• Detectores de tipo analógico obtienen una señal
  proporcional al nivel.

6. Medidores de nivel.
38
a) Medidores de nivel en líquidos

• MEDIDOR DE NIVEL DE FLOTADOR
• Constituido por un flotador pendiente de un
  cable, un juego de poleas y un contrapeso
  exterior.
• Distintos modelos de regleta (el contrapeso se
  mueve en sentido contrario al flotador por una
  regleta calibrada), magnéticos (el flotador lleva
  dentro un imán y se desplaza moviendo una aguja
  indicadora).

6. Medidores de nivel.
39
a) Medidores de nivel en líquidos

• MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
• El nivel del líquido es proporcional a la presión
  en el fondo del tanque.
• Se colocan medidores de presión para medir la
  presión del depósito y la presión en el fondo del
  depósito.
• P(fondo)-P(superficie)rhogh (rho peso
  específico del líquido)

6. Medidores de nivel.
40
a) Medidores de nivel en líquidos

• MEDIDOR DE NIVEL POR BURBUJEO
• Se hace pasar por un tubo sumergido en el
  depósito hasta el nivel más mínimo, un pequeño
  caudal de aire, hasta producir una corriente
  continua de burbujas.
• La presión requerida para producir el flujo
  continuo de burbujas es una medida de la columna
  de líquido.

6. Medidores de nivel.
41
a) Medidores de nivel en líquidos

• MEDIDOR RADIOACTIVO
• Consta de una fuente radioactiva que se instala
  en un lado del depósito. Al otro lado se coloca
  un medidor de radiación.
• Son buenos para medir fluidos con alta
  temperatura, líquidos muy corrosivos, etc poque
  no existe contacto.
• Su aplicación se ve limitada por las dificultades
  técnicas y administrativas que conlleva el manejo
  de fuentes radioactivas.

6. Medidores de nivel.
42
a) Medidores de nivel en líquidos

• MEDIDOR CAPACITIVO
• Mide la variación de la capacitancia en un
  condensador cuando varía el medio dieléctrico
  entre sus placas.
• El dieléctrico es el líquido. Al variar el nivel
  del líquido varía proporcionalmente la capacidad.

• MEDIDOR POR ULTRASONIDOS
• El tiempo entre la emisión de la onda y la
  recepción del eco es proporcional al nivel.
• Hay que evitar que existan obstáculos en el
  recorrido de las ondas. Son sensibles al estado
  de la superficie del líquido (espuma).

6. Medidores de nivel.
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b) Medidores de nivel en sólidos
Problema definir el nivel. No tiene por qué
existir una superficie horizontal. Se pueden usar
algunos de los sensores que se usan para los
líquidos y otros específicamente diseñados para
sólidos.

• PALPADOR
• Es un sondeo que se realiza periódicamente.
• Constan de un cable de medición con un peso en su
  extremo, movido por un motor.
• Al chocar el peso con la superficie del material
  se anula la rigidez del cable, lo que conmuta la
  dirección de giro del motor ascendiendo el peso.
• Durante el descenso se mide el cable desenrollado
  lo que indica el nivel.

6. Medidores de nivel.
44
b) Medidores de nivel en sólidos

• VIVBRATORIO
• Sonda en forma de diapasón que vibra a unos 80
  Hz.
• Cuando el material cubre el diapasón las
  vibraciones se amortiguan, lo que produce la
  activación de un interruptor.

• MEMBRANA SENSITIVA
• Membrana acoplada a la pared del depósito en el
  punto en el que se quiere detectar el nivel.
• Cuando el material llega a la altura del
  interruptor, presiona la membrana y se activa un
  interruptor.

• PESO
• Se detecta el nivel de material mediante el peso.

6. Medidores de nivel.