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Timestamp: 2018-01-21 05:49:15+00:00

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Sensores analógicos utilizados en la Automatización Industrial
Por: Pablo Antonio Chaves Campos
_________________________________ Ing. Jorge Blanco Alfaro Profesor Guía
_________________________________ Ing. Rodolfo Espinoza Valverde Profesor lector
________________________________ Ing. Jahaziel Acosta Guevara Profesor lector
A mis familiares y amigos, en especial a mi padre y madre por su apoyo incondicional en todos estos años.
RECONOCIMIENTOS A la Universidad de Costa Rica y a su personal docente por guiarme durante todos estos años en mí camino de aprendizaje. .
............................... 7 Transductor analógico .......................................................................... 4 Léxico de términos empleados en los sensores y/o transductores..4 3........................ 35 Detectores de proximidad ultrasónicos............................................ 2 Objetivo general ................................... 37 CAPÍTULO 2: Fundamentos teóricos y clasificación......................8.......................................... 17 Sensores de nivel ..2..........................................2 2........8........................................... 37 ...2....... ....................................... 16 Sensores de fuerza ................. 22 Sensores de flujo y caudal ...........................................2......................................................................................................................................8 2......1......... 13 Sensores de Pequeños desplazamientos o deformaciones ..................................................................2...................................................................................1 2....................................................2...................................................................9.......................ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................9...... x NOMENCLATURA ..............1................ 26 Resistencia Térmica................2..........................3 2...................9 2....................................... 30 Sensores de presencia o proximidad.............................................................................. 26 Bimetal ..... 33 Detectores de proximidad capacitivos .............................................................. 2 Metodología ..........................................2 2...........................................................2 1......3 2..............................................2........................ 14 Sensores de velocidad ....... 34 Detectores de proximidad ópticos ........................... 2 Objetivos específicos . xi RESUMEN ..........6 2.............................................1 1...8...........1 2......................4 2..........................2 2..................................................................1 1.....................2.........2.. 20 Sensores de presión .....................................7 2.................1.2................................1 2....................... 36 Sensores de posición lineal o angular ..........................................1............... xii CAPÍTULO 1: Introducción .............................................................................................. 3 Fundamentos ..................... ix ÍNDICE DE TABLAS ..... 32 Detectores de proximidad inductivos .............2 2..........................2....... 28 Termopar .............................................1 Objetivos........... 9 Clasificación y funcionamiento de los sensores ........................................................2.........................................2..................................... 1 1........ 4 CAPÍTULO 3: Principales características de los sensores .......................................2.............9.........9.............................. 24 Sensores de temperatura .1 2..........................................1 2...........................................................................................................2 2.....5 2................................................2....2........................................... 4 Sensor y/o Transductor .............................................................................. 13 Sensores de posición lineal o angular ......................3 2..............................................1........................2 2.........................3 2.
.1.............................................................................................2 Principales características ..... 41 3.................. 49 3..........5............ 43 3.............................................................................................2..............................................4 Principales ventajas ...................1...............7......................................................3.......3 Principales ventajas ........5 Marcas más comunes en el mercado..........................5............. 48 3..........7...5 Sensores de nivel capacitivos .....2.................. 54 3......... 38 3... 50 3...................5.................3 Materiales utilizado en su construcción..............................................................3 Otras características importantes .............. 52 3..............2 Medidor de turbina ....... 52 3......................................4...................................................................... 40 3.....2 Características ........................3........................1...............................................................................2...............................................................2......................... 46 3................... 52 3.................................... 54 .....................................................................................................1 Tipo invasivos ..1 Aplicaciones industriales más comunes .......2...........................................................................................3 Materiales más comunes utilizados en su fabricación ............6 Sensores piezoeléctricos para medir presión.......... 50 3......................... 49 3......... .........................................6........... 44 3............................................................................. 45 3......................................................... 41 3.......................2 Principales aplicaciones industriales .........3 Materiales más comunes utilizados en la fabricación tanto para los no invasivos como para los invasivos. 42 3............... 38 3........................7........2 Características ....................... 43 3...............................7.................................1...2 Características .1....................1................ ................2... 40 3......6.............................................2.............................1 Aplicaciones industriales más comunes ..1.................................................2 Transformadores diferenciales (LVDT) ............................... 46 3................................2 Principales características ...................................................................... 42 3............ 47 3...............................................................................7 Sensores para medir caudal .....................7.. 42 3........................................................... 39 3................................. 43 3............................................. 50 3....5...3 Galgas extensiométricas de resistencia variable ................. 50 3......................................1 Características .................... 48 3.................................. 44 3. 39 3..............1 Aplicaciones industriales más comunes ..............2 Materiales más comunes utilizados en su fabricación ...........2 Aplicaciones industriales comunes ......2................2.... 47 3.......1 Tubo Venturi ... 53 3.............6 Principales Ventajas .....................3...................1 Aplicaciones industriales comunes .................1 Aplicaciones industriales más comunes .2 Tipo no-invasivos ............7.....................................................................4 Principales ventajas ...3.6............................................................ 41 3.................................................3..1 Características ........ ...............1 Características .........................5..................................................................... ..2.......................................2............................................................7... 53 3...4 Marcas más comunes en el mercado..........4 Materiales más comunes utilizados en su fabricación.5............................... 44 3....7.................................................................1 Características ...............................3 Principales ventajas ..........................4 Dinamo tacométricas ......7..................................... ................................................................ 51 3..............................................................................5.............2......5......
.......9................7............ 55 Principales ventajas y desventajas ......................... . 64 Termopares ..............................................2 3...............9.............3............. 78 Norma IP (Índice de Protección) .....................................................2................................... 59 Aplicaciones industriales comunes ..........4....................................1 Medidor magnético ............................................... 71 Características de los PTC ......................... 60 Ventajas y desventajas ................9..............................................1 3........................2.8............9...... 61 Características ......1 3................................................7...................................................................... 67 Termo resistencias PT100 o RTD ........................................... 69 Principales Ventajas ...........8...........................3 3.....4.................................................................. 58 Sensores de presencia capacitivos ...........1 3..................1 3..................1 3....................................8..............2.....8..........2 3.................................9...............2..................................8 3.........3...............................................2 3..................................... 64 Clasificación de los termopares .......4 3..............................................................8..................2 3......................9.............. 70 Resistencias PTC ........................ 67 Características de las PT100 .......................................................... 57 Aplicaciones industriales comunes ......... 67 Principales Ventajas y desventajas ...............................................................................1....................8...... 74 APÉNDICES ...................... 69 Termistor ...................... 64 Características de los termopares ........ 55 Características ....9 3.......... 76 Efecto Peltier y el efecto Thompson........... 68 Aplicaciones industriales más comunes ................................................ 70 Características de los NTC ...................................................8.................... 78 ...... 56 Sensores de presencia o proximidad........................................... 59 Características .............................................................3 3................9.3..................................... 63 Ventajas y desventajas ..........................................2 3......3...........3.............................9..........................................................9...........................................1 3..... 69 Resistencias NTC .......................1............................3...........................................9.................................1...4 3................ 58 Ventajas y desventajas .............................................3 3...............................................................................................2..............8........................3 3..........................................................................2 3...................... 76 Apéndice 1 ......... 61 Aplicaciones industriales comunes ..................... 57 Sensores de presencia inductivos ....................1...................... 63 Sensores de temperatura ..............................................................................................................................................1....................8..............................8.....................2 3...................................... 61 Medidor ultrasónico .2............................8........................................................2 3.........3 3........... 71 CAPÍTULO 4: Conclusiones y recomendaciones ..............................................................................................2 3................1 3................................................9...............2...............1....................3 3.......9........3 3..............1 3.. 57 Características ...................................................................................................................1 3.....................................................1.........9.......... 76 Apéndice 2 ............................................. 66 Aplicaciones industriales........................................3......................................1............................7........... 71 BIBLIOGRAFÍA ......................8..9.........................................1 3...4.
.............................................................................................................................................................................................................ANEXOS ........................... 82 ................................................................................... 81 Curva de resistencia relativa ..... 81 ANEXO 3 ................................................................................................................... 82 Curva de calibración de un sensor con histéresis ....................................................................... 81 ANEXO 1 ................................. 81 Curva de calibración de un sensor .................................................................................................................. 81 ANEXO 2 ..................................................................................
............................Curva da calibración de un sensor [10] ........................ 43 Figura Nº 25– Sensor capacitivo invasivo [10] ..........ix ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 1 Componentes básicos de un sensor [10] .......................Variación del voltaje de salida respecto a la posición del núcleo [8] ..................... 34 Figura Nº 18– Estructura básica del transductor capacitivo [7] ................................................................................ 81 Figura N° 36..... 81 Figura N° 37........ 31 Figura Nº 16– Principio físico del transductor inductivo [7].................................... 28 Figura Nº 14– Bimetal [12].... 18 Figura Nº 8 Tipos de transductores piezoeléctricos [13] ................ 65 Figura Nº 33– Presentaciones de las PT100 [8].................................................. 55 Figura Nº 32– Presentaciones de los Termopares [8] ...................................................... 8 Figura Nº 2 Esquema básico de un sensor analógico [9] . 13 Figura Nº 4........ 16 Figura Nº 6 Construcción básica de un tacodinamo [11] . 43 Figura Nº 24– Dinamo tacométricas conectada a un motor [7] ... 9 Figura Nº 3 Esquema de un potenciómetro a) lineal y b) angular [11].............. 69 Figura Nº 34– Presentaciones de los termisores [8] .................................................. 27 Figura Nº 13– Sensor de temperatura con película de aluminio [4] .................................................................................... 46 Figura Nº 27– Sensor capacitivo no-invasivo de nivel [10] .................................................. 47 Figura Nº 28– Sensores de presión... 49 Figura Nº 29– Tubo Venturi [2]... 23 Figura Nº 11–Medidor de turbina [13] ..............................................................................................Curva da calibración de un sensor que posee histéresis [10] ..................................................................Resistencia relativa de termistores y resistencias térmicas [1] ....Representaciones de un LVDT a) forma real y b) diagrama [8]............... 82 .............................................................................................................. 17 Figura Nº 7 Construcción básica de una galga extensiométrica [11] ................. b) diferencial [9] ........................................................................................................................................................................................... 25 Figura Nº 12–Estructura básica de una RTD [8] ............ 14 Figura Nº 5..................................................................................................................................... a) manométrica.................................................................... 37 Figura Nº 21– Diferentes tipos de potenciómetros [8] ............. .......................................................................... 34 Figura Nº 19– Principio físico del transductor capacitivo [7] ................................................................................................................................ 54 Figura Nº 31– Medidor magnético [6] ..................................................................................................................................................................................................... 70 Figura N° 35.......... 35 Figura Nº 20– Principio del transductor ultrasónico [7] .................................................................................... 45 Figura Nº 26– Sensor capacitivo no-invasivo [10] ...................................................... 33 Figura Nº 17–Forma más común del transductor inductivo [7] ...... 29 Figura Nº 15– Principio del termopar [11] ...... 41 Figura Nº 23– Apariencia de las galgas de efecto piezoresistivo [9] ................. 23 Figura Nº 10– Esquema de un tubo Bourdon [13] . 20 Figura Nº 9 Manómetro líquido en forma de "U" [10] ........... 51 Figura Nº 30– Medidor de turbina [6] ...................................................................................... 39 Figura Nº 22– Varios tipos de LVDT [11] .................
....................... 53 Tabla Nº 12 – Características más generales de los termopares .............................. 68 Tabla Nº 15 – Principales características de una resistencia NTC ...................................................... 79 ........................ 50 Tabla Nº 10 – Características más generales de los termopares ......... 12 Tabla Nº 2 – Características de los potenciómetros. 38 Tabla Nº 3 – Características más generales de un LVDT ......... 44 Tabla Nº 6 – Características más generales de un sensor de nivel capacitivo tipo invasivo 45 Tabla Nº 7 – Características más generales de un sensor de nivel capacitivo tipo noinvasivo ................................................................................................................... 47 Tabla Nº 8 –Materiales comunes en la fabricación de sensores capacitivos ................... 65 Tabla Nº 13 – clasificación y rangos de medición de los termopares más comunes [15]................................................................................................................................................................... 40 Tabla Nº 4 – Características más generales de una galga extensiométrica de efecto piezoresistivo ...................... .x ÍNDICE DE TABLAS Tabla Nº 1 – Clasificación de los sensores .......................................................... 51 Tabla Nº 11 – Características más generales del medidor de turbina ............................. 66 Tabla Nº 14 – Principales características de una PT100...................... 70 TablaN° 16................Nomenclatura segundo digito norma IP ............................................................ 48 Tabla Nº 9 – Características más generales de los sensores de efecto piezoeléctrico ..................................................................................................... 78 TablaN° 17........... 42 Tabla Nº 5 – Características más generales de un dinamo tacométricas ...........Nomenclatura primer digito Norma IP ................................................
IEEE: (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) Instituto de (Resistance Temperature Detector) Detector resistivo de temperatura (Instrument Society of America) Sociedad de instrumentación (Positive temperature coefficient) termo resistencia de coeficiente (Negative temperature coefficient) termo resistencia de coeficiente (Linear Variable Differential Transformer) Transformador diferencial ingenieros eléctricos y electrónicos.xi NOMENCLATURA LVDT: variable lineal. NTC: negativo PTC: positivo RTD: ISA: Americana. IEC: Comisión Electrotécnica Internacional. .
aplicaciones más comunes. Luego se estudiaron los sensores de acuerdo a sus características. y las ventajas se consideraron como las más significativas para cada sensor. limitándose a estudiar el conjunto de transductores de tipo analógico.xii RESUMEN El presente trabajo abarca el tema de los sensores utilizados en la automatización de la industria. Dicha parte del trabajo ejemplifica los métodos más comunes en la práctica. así como figuras ilustrativas para procurar un mejor entendimiento de la investigación. . así como una pequeña reseña de los campos de aplicación más comunes en la industria para cada tipo de sensor. Además se realizó una clasificación de los transductores tomando como criterio la señal de salida y la magnitud física que miden los instrumentos. Para esto se realizó una descripción del principio de funcionamiento de los sensores más comunes en la industria. En el marco teórico se desarrollaron los principales fundamentos necesarios para entender los métodos empleados para transducir magnitudes físicas en parámetros útiles para su interpretación.
afectado por las interferencias ambientales y físicas. 1 influyen en la medición se encuentran . la disponibilidad de los productos y simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo. Esto con el fin de mejorar la productividad de la empresa. tengan los conocimientos requeridos. entre otros. y se encargan de realizar la medición de los cambios que se den en el mismo.1 CAPÍTULO 1: Introducción La Automatización Industrial. la importancia de identificar el concepto de sensor de manera correcta en un sistema de medida es ineludible. con el fin de garantizar la salvaguarda de las personas y la protección de los equipos en las industrias. En las últimas décadas se ha seguido la tendencia de automatizar de manera progresiva procesos productivos de todo tipo. Esta tendencia ha sido y sigue siendo posible gracias al constante desarrollo y eficiencia productiva de la tecnología empleada. Además. El presente trabajo consiste en un estudio acerca de los principales sensores de variables analógicas que se utilizan actualmente en la automatización industrial. ya que el grado de confiabilidad de una medición aumenta cuando todos los factores que completamente definidos. las condiciones de trabajo del personal. que el personal ingenieril y técnico. encargados de los procesos de automatización. esto porque los sensores son los elementos que proporcionan información crítica de un sistema de control. es un tema amplio y de suma trascendencia en el desarrollo e innovación de la industria en el país. Es por esto que es necesario.
Analizar su interconexión con dispositivos de control.1 Objetivos Objetivo general Llevar a cabo una investigación de los sensores de variables analógicas utilizados en la Industria. Describir sus diferentes campos de aplicación. describiendo su funcionamiento y campos de aplicación.2 Objetivos específicos • Enunciar las principales variables analógicas involucradas en los procesos industriales. que posean el mayor grado de aplicación a nivel nacional. 1. 1.1.1 1.2 En la medida de lo posible. • • • • Describir sus principales características.1. se tratará de abarcar el mayor número de instrumentos. Enumerar métodos de medición. .
textos. .3 1. Además. que permitieron desarrollar el tema de una manera clara y concisa. entre otras. páginas web. así como una visita a una industria donde se logró apreciar de manera clara la funcionalidad de estos instrumentos en los procesos industriales. a manera de complemento se efectuaron entrevistas a ingenieros y técnicos involucrados en la automatización. se realizó una investigación exhaustiva del material bibliográfico disponible.2 Metodología Para el desarrollo del trabajo. revistas.
además se clasificaron los sensores de acuerdo a la magnitud física que miden. esto por el tipo de aplicaciones industriales que se les da. por lo que es importante que el transductor consuma la menor energía de la señal de entrada para que altere en lo menos posible el fenómeno físico estudiado. se realizó un listado de algunos de los términos empleados en los sensores y/o transductores. eléctricas. El transductor por lo general suele convertir cualquier señal en una señal eléctrica. cuyo radio es inversamente proporcional al incremento de temperatura. Bimetal: pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica (α). Los seis tipos de señales más usuales en el control industrial son: mecánicas. En la práctica esto no se da. la pieza se deforma según un arco circular. Atenuación: reducción en amplitud de una variable o señal dada. y se mostró brevemente su funcionamiento y ciertas características importantes. 2. . Un transductor ideal es aquel que para producir su señal de salida no atenúa la energía de la señal de entrada.1 2. térmicas. Cuando se produce un cambio de temperatura.4 CAPÍTULO 2: Fundamentos teóricos y clasificación En este capítulo.1 Fundamentos Léxico de términos empleados en los sensores y/o transductores. es decir convierte una magnitud en otra que resulte más apta para el análisis de un fenómeno físico. ópticas y moleculares. Transductor: Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de un tipo a otro. magnéticas.1.
Error: diferencia algebraica entre el valor indicado y el valor verdadero de la medida. Dispositivo de medida: conjunto de todos los componentes con los que se realiza un método de medida. basado en un principio determinado. Generalmente expresada en un porcentaje de la escala total de lectura. al valor actual de la cantidad que esta siendo medida. Campo de medida: espectro o conjunto de los valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento .5 Calibración: procedimiento utilizado para ajustar la salida del sensor sobre su rango completo de medida. Exactitud (accuracy): es la cercanía de una indicación o lectura de un dispositivo de medición. es un fenómeno físico que presentan algunos cristales debido al cual. aparece una diferencia de potencial eléctrico entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica. . Coeficiente térmico de resistividad: se refiere a los cambios en la resistividad de una sustancia debidos únicamente a los efectos de la temperatura. tratando que este ajuste coincida al máximo con una serie de valores conocidos. Efecto Piezoeléctrico: el efecto piezoeléctrico. se denomina instrumento de medida. si el dispositivo consta de un solo componente. los cuales son obtenidos de patrones de la magnitud a medir.
Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada. Factor de galga: relación entre la variación relativa de longitud y variación de la resistencia correspondiente en una galga extensiométrica. que sea directamente proporcional a la amplitud de estrada. dentro del margen previsto. Mediciones analógicas: se refiere a que se puede representar y registrar de forma continua cualquier valor de la magnitud de la medida. habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Influencia: viene dada por las modificaciones de la magnitud de salida debidas exclusivamente a la desviación de la magnitud considerada respecto a su valor nominal.6 Extensometría: método que tiene por objeto la medida de las deformaciones superficiales de los cuerpos. si todas las demás magnitudes variables mantienen sus valores nominales respectivos. química o de cualquier otro tipo que se pretende medir. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Histéresis: esta se refiere a la máxima diferencia que se da entre las señales de salida correspondientes a un mismo valor medido o de entrada. Magnitud de medida: magnitud física. . Linealidad de amplitud: habilidad del transductor para producir una señal de salida.
presión. Repetitividad: esta se refiere a la capacidad que posee un sensor de brindar los mismos valores de salida cuando se le aplica repetidamente el mismo valor de magnitud medida. Resolución: se refiere al número de bits empleados para representar en un medio discreto una variable y nos indica el grado de precisión de la presentación. El transductor se define como un dispositivo que transforma una variable física (fuerza. velocidad. si es que el proceso así lo requiere. Rango: es el dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Velocidad de respuesta: tiempo de retardo de la señal de salida respecto a la de la entrada. de brindar indicaciones muy aproximadas al valor verdadero de la magnitud medida.) en otra. bajo las mismas condiciones y en la misma dirección. tendremos que disponer de sistemas de predicción de este valor. . y no depender solo del valor instrumental. El transductor debe de ser capaz de responder rápidamente a los cambios de la variable que se esta monitoreando o detectando. etc.1. en forma general se define como un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales o sea recibe una señal o estímulo y responde a este con una señal eléctrica de salida. temperatura.7 Precisión: propiedad que distingue la capacidad que tiene un instrumento de mediada. si la medición tiene una cinética mas lenta que la de la propia variable.2 Sensor y/o Transductor El sensor. 2.
8 Con base en las dos definiciones anteriores y dado que en la práctica estos términos son comúnmente intercambiables o sea que se utilizan como sinónimos. en este caso de tipo analógicas. Esto se da porque las señales de los instrumentos. Figura Nº 1 Componentes básicos de un sensor [10] En estos dispositivos es necesario utilizar circuitos de acondicionamiento. los cuales tienen módulos especiales que convierten las señales analógicas a digitales (convertidores analógicos-digital) y estos se fabrican bajo . esto en el sentido que las señales eléctricas que se obtendrán serán magnitudes con un rango de valores establecidas(normados) por alguna organización internacional como lo es la IEC. esto se refiere a que el sensor debe estar en contacto directo para detectar o transformar la variable física y de de tipo no invasivo. e ISA entre otras. se estableció que un sensor se entiende como transductor en la medida que se tenga una variable a medir y se requiera de una señal eléctrica de salida. Además estos pueden ser de tipo invasivo. para efectos de este trabajo. esto es que el sensor puede detectar o transformar la variable física sin necesidad de estar en contacto directo. como es el caso de los PLC y otros medios de control. IEEE. esto con el objetivo de que el instrumento genere una señal eléctrica normalizada. deben ser conectadas a algún controlador del proceso.
3 Transductor analógico Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua. dado que estas son más versátiles que una señal de tipo mecánica. procesar y presentar la información electrónica. 2. por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Otra ventaja importante. hidráulica o neumática. Además en algunas aplicaciones es más conveniente la transmisión de señales eléctricas. y dado que en donde se mide no es conveniente extraer energía. registrar. mecánicas. térmicas y moleculares. se utiliza el transductor para amplificar la señal. es que existen muchos medios para almacenar.1. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.9 normas y estándares para aceptar cierto rango de corriente y voltaje a la entrada del convertidor en un rango normalizado de 4 a 20 mA o de 1 a 5Vdc. Figura Nº 2 Esquema básico de un sensor analógico [9] . ópticas. eléctricas. En la industria existen principalmente seis tipos de señales físicas que requieren ser medidas: magnéticas. esto con la ayuda de amplificadores electrónicos.
se lleve a cabo de la mejor manera y en el menor tiempo posible.1 Funcionamiento a) Sensores de deflexión: en este tipo de sensores. exactitud precisión. rango de funcionamiento. b) Sensores de comparación: como su nombre lo indica se basa en la comparación de fuerzas aplicadas. mientras que en los pasivos la energía de la señal de salida es suministrada por la entrada. confiabilidad. la deformación de un material se emplea para medir una magnitud física.10 El sensor analógico debe poseer ciertas propiedades indispensables como: calibración. este funcionamiento se puede observar en las balanzas.4. .1.1.2 Según su aporte de energía Se pueden dividir en moduladores (activos) y generadores (pasivos). Esto con el fin de que el control de la variable que se mida. 2.4 Clasificación de los sensores Los sensores pueden ser clasificados por diferentes criterios: 2. los modulares se caracterizan por utilizar una fuente de energía auxiliar para alimentar la señal de salida. 2.1. linealidad entre otros. velocidad de respuesta. sensibilidad. donde el operario coloca un cuerpo de igual masa al que se mide.4. con el objetivo de encontrar un balance entre ambos pesos que permita mantener el equilibrio.
como se muestra en la tabla 1.11 2.5 Según el tipo de variable física a medir La clasificación subdivide a los sensores de acuerdo a la magnitud física por medir. Esta clasificación se hace según el número de elementos almacenadores de energía independientes que contenga el sensor. nivel.1.3 Según el tipo de salida Esta clasificación se hace según el tipo de señal a ser medida. presión. tal es el caso de caudal. Para este trabajo se realizó una clasificación.4.1. primero con el criterio de que la señal eléctrica generada es de tipo analógica y segundo. segundo o de orden superior.4.1. .4. temperatura.4 Según el orden También pueden ser clasificados según el orden: primero. entre otros. 2. la cual puede ser analógica o digital. 2. el tipo de de variable física medida.
12 Tabla Nº 1 – Clasificación de los sensores Señal de salida Analógica Analógica Magnitud Física Posición lineal o angular Pequeños desplazamientos o deformaciones Velocidad lineal o angular Aceleración Fuerza y Par Nivel Transductor Potenciómetros Transformadores diferenciales (LVDT) Galgas extensiométricas Dinamos Tacométricas Acelerómetros Medición indirecta(mediante galgas o transformadores diferenciales) Analógica Analógica Analógica Analógica Capacitivos Membrana + detector de desplazamiento Piezoeléctricos Presión diferencial (Diafragmas/tubos de Venturi ) Analógica Presión Analógica Caudal De Turbina Magnético Termopares Analógica Temperatura Termo resistencias (PT100) Resistencias NTC Resistencias PTC Inductivos Analógica Sensores de presencia o Proximidad Capacitivos Ultrasónicos .
Un transductor de posición como el mostrado en la figura 3.1 Sensores de posición lineal o angular Los transductores de posición se utilizan para determinar la posición de un objeto con respecto a un punto de referencia. Las posiciones pueden ser lineales o angulares. 2. . el principal inconveniente en el empleo de potenciómetros es el desgaste que se produce en el elemento móvil. Estos se conocen como transductores resistivos de desplazamiento.2 Clasificación y funcionamiento de los sensores En este capítulo se describieron los principios físicos de funcionamiento de los diferentes sensores de acuerdo a la magnitud física medida.13 2. Son relativamente económicos. y pueden medir tanto movimiento lineal como rotacional.2.a) consiste en un potenciómetro conectado al objeto que se desplaza. el cual al moverse varia la resistencia del mismo y por lo tanto es posible calcular de manera electrónica el cambio de posición que es proporcional a el cambio de posición. Figura Nº 3 Esquema de un potenciómetro a) lineal y b) angular [11].
el cual se observa en la figura 4. los cuales tienen la precisión para medir desde unos cuantos micrómetros hasta unos metros.2 Sensores de Pequeños desplazamientos o deformaciones Los sensores de desplazamiento. inductivo y capacitivo. Figura Nº 4. ampliamente utilizado es el transformador diferencial de variación lineal (LVDT). fundamentalmente se utilizan cuando se desea medir la variación producida en el eje rotor de un sistema motor-reductor.Representaciones de un LVDT a) forma real y b) diagrama [8] .14 Los medidores de ángulos o transductores de desplazamiento angular son poco utilizados en los sistemas de control. Uno de los sensores de desplazamiento. Al igual que en los transductores lineales. son un tipo de sensores usados para medir longitud.2. podemos construir transductores angulares aprovechando el efecto resistivo (potenciómetros). 2.
y el voltaje del secundario 2 decrece. el voltaje incrementa. el voltaje final será cero. como que el núcleo de ferrita se mueve a lo largo de su eje. después incrementa con polaridad opuesta. Si el núcleo se mueve en dirección del secundario 1. De este modo. Cuando el núcleo está centrado entre los dos secundarios. .15 De la figura 4-a) se observa que un LVDT es un dispositivo electromecánico que consiste de dos componentes: Un cuerpo hueco cilíndrico que contiene dos bobinados secundarios idénticos los cuales están posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina. los voltajes inducidos en ambos secundarios son iguales y puesto que están conectados en serie en oposición. Su funcionamiento físico se observa en la figura 4-b) y se da aplicando una señal alterna de excitación al bobinado del primario. de este modo el voltaje neto final V1-V2 y será de la misma polaridad que el de referencia. Si el núcleo se mueve en dirección opuesta. dentro del LVDT. el voltaje de salida empieza con una polaridad. decrece completamente a cero. todo de una manera continua y suave. genera un campo magnético que se acopla a los bobinados del secundario a través del núcleo de ferrita móvil. por esto se inducen voltajes en los secundarios. V1-V2 será de polaridad opuesta.
3 Sensores de velocidad La medición de velocidad angular tiene gran relevancia en las aplicaciones industriales. 2. Esto se realiza mediante los tacómetros.16 Figura Nº 5. Consiste en un tornillo sin fin que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir.m.p. Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mV por cada r. . Están constituidos por un inductor que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor.p.Variación del voltaje de salida respecto a la posición del núcleo [8] Las principales ventajas de este tipo de transductores son su sensibilidad y lo poco que son afectados por la humedad. y pueden medir velocidades de hasta 10000 r. Tacómetros mecánicos: El más sencillo es el contador de revoluciones.m.2. estos proporcionan una señal de corriente continua. Tacómetros eléctricos: a) Dinamos Tacométricas (tacodinamo). que pueden ser mecánicos o eléctricos.
la primera es comparándola con otra conocida.4 Sensores de fuerza El método que tiene por objeto la medida de las deformaciones superficiales de los cuerpos. y permite la medida de mayores velocidades que los taco dinamos. Una fuerza/par se puede transducir principalmente de dos maneras. y la segunda es aplicando la fuerza/par a un elemento elástico denominado célula de carga.17 Figura Nº 6 Construcción básica de un tacodinamo [11] b) Alternadores tacométricas (taco alternador). por ejemplo en una balanza. En las células de carga eléctricas el efecto es una deformación que se medirá normalmente con galgas . A diferencia de las dinamos tacométricas.2. Además tiene una sensibilidad comprendida entre los 2 y 10 mV por cada r. estos proporcionan una señal alterna senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotación. 2.m. se denomina Extensometría.p. el elemento que gira es el rotor formado por un imán permanente. lo que le dota de mayor duración. Tiene la ventaja frente a la tacodinamo que no utiliza colector y escobillas.
dentro de las cuales se pueden mencionar: a) Galgas extensiométricas semiconductoras: el elemento sensible es una banda de cristal semiconductor con cierto grado de contaminación. Las galgas extensiométricas. se tiene que el efecto es un aumento de la presión ya sea de un líquido o de un gas. según sea el caso. Como se observa en la figura 7. Figura Nº 7 Construcción básica de una galga extensiométrica [11] Existen varios tipos de galgas extensiométricas.18 extensiométricas. Su salida no es lineal . que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. en el caso de de las hidráulicas y neumáticas. estas se basan en la variación de longitud y de diámetro y por lo tanto de resistencia. es un procedimiento ampliamente utilizado para convertir las deformaciones en señales eléctricas proporcionales.
En los capacitivos se mide la presión por medio de un diafragma metálico que constituye una de las placas del condensador. se pueden utilizar los transductores de efecto piezoeléctrico. Cobre-Nikel. y es posible medir el cambio en la resistencia y con esto se puede calcular la fuerza. de pequeño tamaño y de construcción robusta. En los resistivos la presión desplaza un cursor a lo largo de una resistencia a modo de potenciómetro cuyo valor se modifica proporcionalmente a la presión aplicada.19 con respecto a la deformación unitaria pero presentan histéresis y tienen una larga vida con respecto a la fatiga. Además de las galgas extensiométricas. Cualquier cambio de presión hace variar la separación entre el diafragma y la otra placa. Platino-Tungsteno. entonces el material conductor es unido a un elemento elástico en condiciones de deformación. Tienen la desventaja de que su . modificándose la capacidad del condensador. y que cambie su resistencia eléctrica. b) Galgas extensiométricas de resistencia eléctrica: cuando se sujeta una longitud de cable dentro de su límite de tensión. Como se muestra en la figura 8. Para la fabricación de este tipo de galga se utilizan aleaciones de Nikel-Cromo. que se de un decremento del diámetro. ocasiona que se incremente la longitud. su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas. En los transductores piezoeléctrico. los cuales tienen la característica de ser ligeros. al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. se presentan de dos tipos: resistivo y capacitivo.
este flotador .20 señal de salida es bastante débil. dado que le proporcionan la capacidad de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente. dimensiones y densidad. 2. Figura Nº 8 Tipos de transductores piezoeléctricos [13] En este tipo de transductores es típico encontrar el cuarzo y el titanato de bario.5 Sensores de nivel A partir de la medida de nivel de un líquido en un tanque conociendo su geometría. por lo que se requiere colocarles amplificadores y acondicionadores de señal. además son muy sensibles a los cambios de temperatura. puede determinarse el volumen y la masa. Son buenos en casos extremadamente rápidos. como es el caso de impactos y golpes en prensas.2. Algunos transductores eléctricos de nivel son: Medidor de nivel de flotador magnético: este consiste en un flotador que se desliza a lo largo de un tubo guía colocado verticalmente en el interior del tanque.
que mide la presión hidrostática en un punto del fondo de un tanque.21 posee un imán. en un tanque abierto la presión hidrostática es proporciona a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. Medidor de nivel de tipo desplazamiento: presenta un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. en su movimiento. . P = Hγ P = presión1 H = altura1 γ = peso específico del líquido1 (2. Medidor de presión diferencial: tiene un diafragma en contacto con el líquido del tanque. arrastra a otro más pequeño que esta dentro del tubo guía.1) Medidor de nivel conductivo: posee uno o varios electrodos y un relé electrónico que es excitado cuando el líquido moja dichos electrodos. El segundo imán está sujeto a un cable el cual mueve un índice en una escala exterior.
los instrumentos de medición se clasifican en tres grupos: mecánicos.2.2) b) b) Por efecto de la presión sobre un elemento elástico: al ejercer presión sobre un elemento elástico este se deforma. Siendo g la aceleración de la gravedad y ρ la densidad del líquido.6 Sensores de presión Esta medida es común en procesos que involucran gases y líquidos. provocando un desplazamiento función de la presión ejercida medible mediante un sensor de pequeños desplazamientos. estos a su vez se subdividen en dos métodos de medición: a) Por medio de la comparación con una presión conocida: la diferencia entre la presión que desea medirse (P) y la presión de referencia provoca un desplazamiento del líquido contenido en el tubo. como se muestra en la figura 9. y electrónicos. . electromecánicos.g (2.22 2. Los más comunes son los mecánicos. el desnivel provocado (h) es: h= P − Pref ρ .
transmitiéndose el movimiento de su extremo (por un sistema de engranaje) a una aguja que se desplaza por una escala graduada. La sensibilidad del diafragma aumenta al aumentar su área y disminuye al aumentar espesor de la misma. Al aplicar presión al fluido contenido en su interior. un ejemplo de este tipo de transductor es el de tubo Bourdon que se muestra en la figura 10. el cual es ampliamente utilizando. consiste en una membrana cuya deflexión en su parte central es dependiente de la presión ejercida sobre la misma. Este es un tubo de sección elíptica. el tubo tiende a enderezarse. Figura Nº 10– Esquema de un tubo Bourdon [13] . y curvado de manera que forma un anillo casi perfecto.23 Figura Nº 9 Manómetro líquido en forma de "U" [10] Una aplicación de este tipo es el diafragma.
c) El tubo pitot: este instrumento mide la presión dinámica. este sistema permite caudales 60 % mayores a los que permite la placa-orificio. de presión deseada. el control que se requiera y el tipo de caudal. Los medidores volumétricos. se obtiene la presión diferencial la cual es proporcional a la raíz cuadrada del caudal. Se denomina flujo al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o cerrados. cuando ambas están en el mismo servicio.24 2. presenta una toma anterior y una posterior.2. Utilizando un sensor de presión. y se emplea generalmente para medir grandes caudales. . con esto se obtiene la medida del caudal. en donde se da una restricción de flujo de área constante. que fluye por unidad de tiempo. Es sensible a variaciones de velocidad en la sección trasversal del tubo. en peso o volumen. o sea mide la diferencia de la presión total y la estática. Dentro de los sensores más destacados de este tipo están: a) La placa-orificio o diafragma: este es un sistema que consta de una placa perforada. El caudal es la cantidad de material. son un gran grupo de sensores que realizan las mediciones con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. se puede realizar de varias formas según sea el tipo de fluido. la presión va a depender del flujo que atraviesa la restricción. b) La tobera: esta se ubica en la tubería con dos tomas.7 Sensores de flujo y caudal Para medir el caudal.
este tubo esta dispuesto a lo largo de un diámetro transversal. otro tubo en su interior se encarga de promediar las presiones . todos de diámetros iguales que captan el caudal. Figura Nº 11–Medidor de turbina [13] La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor. presenta una serie de orificios. el cual consta de un tubo que mide la presión total. e) El tubo annubar: Este es la innovación del tubo pitot. la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta.25 d) Medidor de turbina: Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. De este modo el rotor está en equilibrio hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría.
1 Resistencia Térmica Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura.8. están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient).2. . en el cual un flotador cambia de posición dentro de un tubo. es por esto que se vuelve cada vez más importante tener una comprensión clara de las ventajas y desventajas de los distintos métodos de medida de esta variable. se le conoce también con el nombre de tubo pitot de canal cerrado. 2. f) El rotámetro: consiste en un medidor de caudal de área variable.26 obtenidas. 2. están los basados en resistencias térmicas. para lograr que sistema sea el óptimo. Dentro de los sensores empleados para la medida de la temperatura. el cambio de posición es proporcional al flujo del fluido.2. Posterior a se encuentra el tubo de presión estática con un orificio en el centro. que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient). estos son colocados dentro de distintos encapsulados no conductores como el vidrio o la cerámica.8 Sensores de temperatura La obtención de medias de temperatura. es de las más frecuentes y de mayor importancia en la automatización industrial. básicamente son un enrollamiento de hilo muy fino del conductor entre capas de material aislante.
Esta relación se muestra en la siguiente expresión. Rt = R0 (1 + αt ) R0 = resistencia en ohmios a 0 °C1 Rt = resistencia en ohmios a t °C1 α = coeficiente de temperatura de la resistencia1 Algunos metales utilizados son: cobre. La figura 13. siendo 100 uno de los valores más comunes. (2. platino y níquel. La resistencia normal varía entre unos cuantos ohms y kilohms.27 Figura Nº 12–Estructura básica de una RTD [8] El principio de funcionamiento es la variación su resistencia expresada en ohmios por cada grado que cambia la temperatura su temperatura. muestra el diagrama de uno de esos sensores basados en una película de platino.3) .
4 /°C de cambio en la temperatura para los compuestos de platino y 0.28 Figura Nº 13– Sensor de temperatura con película de aluminio [4] Su mayor ventaja es que son bastante estables y se pueden representar de forma lineal. esta pieza comúnmente se conoce como Bimetal. Por otro lado su desventaja es su sensibilidad. de tal manera que los metales se expanden o contraen de manera que forman un arco uniforme. estos se encuentran fuertemente unidos. ya que es muy corta. se muestra la expansión o contracción cuando se pasa de una temperatura inicial T1 a una temperatura T2.8. Midiendo el radio de la curvatura de este arco es posible determinar la temperatura. funcionan con base a una pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica. La idea de unir y utilizar estos dos metales consiste en exponerlos a cambios de temperatura. 2.2 Bimetal Se tiene que algunos sensores de temperatura empleados en la automatización industrial.7 /°C para los basados en níquel. pues solo varia alrededor de 0. En la figura 14.2. Lo común es que la unión .
Por lo general el grosor de las placas varía entre los 3 mm y 10 µm. el radio es definido por la siguiente relación: r≈ 2e 3(α A − α B )(T2 − T1 ) (2. de esta forma con un sensor de posición o de desplazamiento es posible medir el cambio de temperatura. En estos sensores los semiconductores electrónicos presentan un coeficiente de temperatura negativo de valor elevado y presentan una curva característica lineal .2) Se puede apreciar entonces que la curvatura es inversamente proporcional al cambio de temperatura. consisten en un pequeño semiconductor con forma de placas o discos. El ámbito de funcionamiento de estos dispositivos va desde -75°C a 540°C. estos son ampliamente utilizados. de esta manera. No solo se emplean como laminas. espiral y otras configuraciones y se les mide el desplazamiento o la fuerza. Figura Nº 14– Bimetal [12] Otro tipo de sensor de temperatura son los termistores. también se les dispone en hélice.29 Bimetal emplee metales con similares módulos de elasticidad y espesor.
La relación entre resistencia y temperatura se expresa mediante la siguiente expresión. Una de sus desventajas es el hecho de que sus ámbitos de funcionamientos no son muy amplios. cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura (unidos en un extremo y abierto en el otro). .8. como se ejemplifica en la figura 15. La relación entre la temperatura y la resistencia no es lineal. β = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas1.30 tensión-corriente.3 Termopar El termopar o termocupla.2. este sensor se basa en el efecto de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes.3) Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta1. 2. En muchos casos este tipo de dispositivos son empleados en control de temperatura. Comúnmente están fabricados de mezclas de distintos óxidos metálicos de cobalto. producen un pequeño y único voltaje según la temperatura. Rt = R0 e β( 1 1 − ) Tt T0 (2. siempre y cuando la temperatura se mantenga en un valor constante. generalmente van de -100°C a 200°C. níquel y manganeso y son por lo general encapsulados en vidrio. donde se requiera de una rápida respuesta y su no linealidad no afecte la medición. R0 = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T01.
en el extremo abierto se tiene Tref (temperatura fija conocida: ‘unión de referencia’) y midiendo el valor de V por medido de un voltímetro. El efecto Thomson 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 temperatura. se puede calcular el valor de Tx mediante la ecuación: V = Tx − Tref (2.31 Figura Nº 15– Principio del termopar [11] El fenómeno es debido a dos efectos: (Peltier y Thomson). El efecto Peltier provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando circula una corriente a través de la unión. . es posible obtener tablas que asocian un voltaje determinado con una temperatura. La tensión que pasa por el extremo abierto es función de la temperatura de la unión de los metales utilizados.4) termocuplas. por lo que en aplicaciones prácticas se utilizan tablas de calibración. están Dado que los voltajes que generan los diferentes tipos de estudiadas y documentadas. La unión del termopar nos proporciona una Tx (temperatura desconocida: ‘unión de medida’).
electromecánico o electrónico que reaccione de forma detectable ante un objeto situado en un entorno definido del mismo. R. El entorno de reacción define el campo de sensibilidad.32 Las termopares se clasifican de acuerdo a sin son metálicas o no.9 Sensores de presencia o proximidad Se denominan así a cualquier dispositivo eléctrico. se puede mencionar su baja sensibilidad. Dentro de las ventajas de las termopares se pueden mencionar: su bajo costo. Para que la reacción se produzca. K y T. generalmente en el rango de 6. se utilizan para temperaturas hasta de 1000°C. 2. rápida respuesta a cambios de temperatura y que poseen un amplio rango para la medición de la temperatura. además proporcionan voltajes bajos que pueden ser afectados por ruido y finalmente dado que este es un dispositivo que varía su comportamiento de acuerdo a su temperatura tiene rangos de operación no.2. dentro de las metálicas se encuentran las de tipo E. mientras los no metálicos como los tipos S.lineales que pueden ocasionar problemas. En función del sistema detector se clasifican en: .5 a 80µV/°C. J. B se utilizan para temperaturas de hasta 2000°C. sólo se precisa la proximidad física entre el objeto y el detector sin que haya ningún tipo de contacto mecánico entre ellos. Entre las desventajas.
por este motivo se da una disminución en la amplitud de las oscilaciones. provocando una debilitación del circuito oscilante.2. las cuales son detectadas por un circuito que determina una señal de salida para esa medición. se producen corrientes que influencian el oscilador. En el caso de los sensores de proximidad inductivos.9.33 2. en el momento que se introduce una pieza metálica en el campo magnético. Figura Nº 16– Principio físico del transductor inductivo [7] . Su función depende del material ante el que es capaz de reaccionar.1 Detectores de proximidad inductivos Son todos los dispositivos detectores de proximidad que utilizan un campo magnético (estacionario o variable) como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al objeto que se quiere detectar. se tiene que un núcleo de ferrita con un bobinado oscilante genera por encima de la cara sensible (parte frontal del sensor) un campo magnético variable.
regulado de tal manera que no provoca interferencias en caso de no detección.2.34 Figura Nº 17–Forma más común del transductor inductivo [7] 2. forman un acoplamiento reactivo con un oscilador de alta frecuencia. colocados concéntricamente.2 Detectores de proximidad capacitivos La cara activa de un detector capacitivo está formada por dos electrodos metálicos. mostrados en la figura 18. Figura Nº 18– Estructura básica del transductor capacitivo [7] . Las caras de los electrodos A y B.9.
Como fuente de luz se utilizan diodos o transistores emisores de luz.2. . 2. Figura Nº 19– Principio físico del transductor capacitivo [7] Finalmente un amplificador analiza la amplitud de esta oscilación y la transforma en una señal definida. provocando un aumento del acoplamiento capacitivo entre las placas A y B y el oscilador se activa. Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja.35 Si un objeto se aproxima a la cara activa del detector.9.3 Detectores de proximidad ópticos Los hay para distancias grandes y pequeñas. se introduce en el campo eléctrico de los electrodos. También se les suele llamar fotocélulas. Para ello utilizan un luz roja (visible) o infrarroja (invisible). por eso a veces sólo se les denomina detectores ópticos. Utilizan medios ópticos y electrónicos para detectar objetos. La luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental.
2. el receptor y emisor no están en el mismo cuerpo (barrera). Los que presentan fibras ópticas acopladas.9. Este transductor genera y envía una onda.36 Estos detectores constan de un emisor y un receptor. esta rebota y se da una onda reflejada (eco). La detección se realiza por reflexión. que vuelve hacia el transductor. en el momento en que la onda se encuentra un objeto. En ambos casos la luz es modulada por infrarrojos y por tanto insensible a luces parásitas. 2. al devolver el objeto la luz recibida. A su vez los sensores ópticos se dividen en: directos. . un micro controlador analiza la señal recibida y mide el intervalo de tiempo entre la señal enviada y la recibida. Internamente en el instrumento. o por barrera.4 Detectores de proximidad ultrasónicos El principio de funcionamiento de estos transductores es la detección por ultrasonido. miden el tiempo transcurrido entre la emisión de una onda ultrasónica y la recepción de su eco. en estos el receptor y el emisor están en el mismo cuerpo (reflex y reflexión directa). La distancia de detección en el caso de los de reflexión puede variar según el calor y el grado de brillo de producto. Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: sólidos o líquidos.
Zona ciega: en esta zona no puede detectarse ningún objeto de forma fiable. . El desplazamiento que pueden alcanzar va de 10 a 300 mm con linealidades comprendidas entre ±0. 3. para ello se tomaron características de varios fabricantes para brindar una noción de lo que se puede encontrar realmente en el mercado.37 Figura Nº 20– Principio del transductor ultrasónico [7] Alcance nominal Sn: es el valor convencional o más común para designar el alcance de la medida.1 Sensores de posición lineal o angular Los transductores lineales funcionan como divisores de tensión que modifican su relación en función del desplazamiento que experimenta su cursor.05% y ±1%. CAPÍTULO 3: Principales características de los sensores En este capítulo se estudiaron las principales características de los transductores analógicos enunciados en la tabla 1. .
de un cursor en contacto con el eje de giro del transductor.5 .7 . 3. cuyo movimiento determina la posición del elemento móvil cuya posición se quiere medir.1 Características Tabla Nº 2 – Características de los potenciómetros Linealidad Potencia nominal Temperatura de funcionamiento Linealidad Resolución ±1% 1W -65 °C a 125°C No muy buena Se reduce debido a la resistencia de contacto 3.2 Principales aplicaciones industriales Cuando la distancia que se va a medir no supera algunos metros.1. Principalmente podemos diferenciar entre transductores de una vuelta o multi-vuelta y dependiendo del modelo elegido podemos escoger rangos de medida que van desde los 180º hasta los 3. se colocan módulos electrónicos externos que proporcionan señales 0 .600º y señales de salida de 1. Los potenciómetros angulares nos permiten medir el ángulo de desplazamiento de un cuerpo mediante una resistencia de valor variable según el posicionamiento. se utiliza un potenciómetro acoplado sobre un eje roscado.10 kΩ 02 α 4 ο mA.4.38 Para poder acondicionar la señal proveniente del transductor. .20mA.20mA y de 4 . sobre la banda resistiva.1.
2. 3. Figura Nº 21– Diferentes tipos de potenciómetros [8] 3.1 Aplicaciones industriales más comunes • Pueden utilizarse como medidor de presión. a pesar que presentan ciertas ventajas como la de ser de muy bajo costo.2 Transformadores diferenciales (LVDT) Básicamente este dispositivo. es un transductor electromecánico capaz de convertir el movimiento rectilíneo que realiza un objeto al cual está mecánicamente unido. . • Pueden emplearse en instrumentos basados en flotadores como los rotámetros y detectores de nivel. Por otro lado son muy sensibles a la temperatura y se afectan fácilmente en ambientes húmedos o con mucho polvo y presentan desgaste por el contacto.39 Por lo general. los potenciómetros son poco utilizados. en una señal eléctrica recíproca.
Rápida respuesta dinámica.40 • Se pueden utilizar para medir el desplazamiento que se generan en las células de carga.3 Otras características importantes • • • • • Imponen poca carga mecánica.2. es decir sin fricción.1 µm ±100µm a ± 25cm Alta por su simetría Muy buena Alta dependen de la marca Alta 3. Principales características A continuación se presentan las características más generales que podemos 3. Son de contacto libre. Es un dispositivo de salida absoluta o sea que en caso de perdida de alimentación los datos no se perderán.2. .25% 2KHz 0. Resisten ambientes hostiles.2 encontrar en este tipo de instrumentos: Tabla Nº 3 – Características más generales de un LVDT Alimentación Linealidad Frecuencia optima Sensibilidad Resolución máxima Alcance de medida Repetitividad Exactitud Robustez Dimensiones Resistencia a la Humedad 1-24 Vrms ±0.1V/cm-40 mV/µm 0.
se encuentran recubiertos con una sustancia impermeable para que de esta manera se puedan utilizar en lugares con humedad ambiental elevada.2.41 3.5 Marcas más comunes en el mercado. Figura Nº 22– Varios tipos de LVDT [11] 3. y está laminado longitudinalmente para reducir las corrientes de Foucault.6 • • • • • Principales Ventajas Extremadamente preciso Alta resolución Larga vida Excelente resistencia a ambientes difíciles como humedad y polvo. BERO. Se tiene que en estos sensores.2. AECOR. PEPPERL+FUCHS. sus tres devanados (primario y los dos secundarios).2. DIELL. . TRUCK. Fácil instalación. El núcleo es una aleación de hierro y níquel.4 Materiales más comunes utilizados en su fabricación. SIEMENS. 3.
1 Aplicaciones industriales comunes • • • • 3. Por lo que este tipo de dispositivo se basa en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.3.2 Son muy utilizadas para medir Fuerza y Par. Ampliamente utilizada para medir deformaciones.42 3. 3.3 Galgas extensiométricas de resistencia variable Las galgas extensiométricas se fundamentan en el efecto piezoresistivo.3. Utilizado en básculas de precisión. Principales características Tabla Nº 4 – Características más generales de una galga extensiométrica de efecto piezoresistivo Linealidad Respuesta en frecuencia Calibración Variable eléctrica que cambia Reproducibilidad Rangos de medición Temperatura Poseen amplio rango donde su respuesta es lineal Buena respuesta a altas frecuencias La calibración es estable Resistencia Excelente Rango de 5 N a 100 kN -75 a 175° C. -269 A 230°C. otros. . Es utilizada en básculas electrónicas.
Tungsteno. Nikel-Cromo. HBM. INELTA 3.3. Las unidades más comunes para expresar la velocidad angular son rotaciones por minuto (r/min) y radianes por segundo. Figura Nº 24– Dinamo tacométricas conectada a un motor [7] . SMD.43 3.3 Materiales más comunes utilizados en su fabricación Con respecto a los materiales más usados para la manufactura de las galgas son las aleaciones de Cobre-Nikel.3. Figura Nº 23– Apariencia de las galgas de efecto piezoresistivo [9] 3. STW.4 Marcas más comunes en el mercado.4 Dinamo tacométricas Es un dispositivo que mide la velocidad angular de un eje giratorio. Nikel-Cromo-Molibdeno y Platino.
En la actualidad este dispositivo no se utiliza tanto como en años atrás. este tipo de dispositivo. requieren que se realice pequeño agujero en el contenedor. de tal manera que el sensor entre en contacto con el material a medir.4.52 V 10mA ±15 % -20°C a 65°C ±0. 3.6 El error de inversión se refiere a la diferencia de tensión cuando el motor y el dinamo giran en diferente sentido.1 Tipo invasivos Para este censado se requiere que el dispositivo se encuentre próximo al elemento que se desea ser medido. actualmente se les puede encontrar tanto para aplicaciones invasivas como para procesos rigurosos que requieran un censado no invasivo.5 Sensores de nivel capacitivos Estos sensores son ampliamente utilizados en la industria.1 Características Tabla Nº 5 – Características más generales de un dinamo tacométricas Tensión de salida por cada 1000rpm Máxima corriente recomendada Tolerancia de la tensión de salida Rango de temperaturas Linealidad con carga resistiva de 10K Error en inversión Resistencia en los bornes 0.5.7% ±1% 56. debido a que han sido suplantados por los encoders digitales. Actualmente la tecnología le permite a .44 3. 3. para el caso concreto del nivel en un tanque.
1 Características Tabla Nº 6 – Características más generales de un sensor de nivel capacitivo tipo invasivo Voltaje nominal Cambio de corriente resultante Repetitividad Inmunidad a la radiación de campos electromagnéticos Inmunidad a alas descargas electrostáticas 8.0mA ≤2% del rango de distancia fijada 10 m/V 80 a 1000MHz 4KV en contacto directo 8 KV aerotransportado .2 Vdc ≥2. Figura Nº 25– Sensor capacitivo invasivo [10] 3. esto para que no haya ningún metal expuesto en cualquier parte en el sensor y que de esta manera se pueda realizar la medición de líquidos semiconductores.45 estos sensores utilizar sellos en plástico.2mA a ≤1. sin que se den problemas.1.5. garantizan una correcta medición en ambientes explosivos y corrosivos. Ciertas marcas de estos sensores.
• • • 3.46 3. .5. los cuales realizan la medición a través de las paredes del contenedor.1. que para este tipo de aplicaciones se empleen sensores ultrasónicos. como el caso de granos como el arroz y la soja. por lo que el dispositivo mide el grado de eco que se produce cuando el tanque esta en el nivel deseado.2 Aplicaciones industriales comunes • Estos sensores son capaces detectar el nivel de fluidos y de materiales granulados o polvorientos. es por esto.5. Figura Nº 26– Sensor capacitivo no-invasivo [10] El principio de funcionamiento es el envío de ondas sonoras a través del tanque. son de huso frecuente en procesos alimenticios en donde los estándares de producción impiden que los sensores y otros instrumentos entren en contacto directo con el material.2 Control de nivel de líquidos tanto explosivos como no explosivos Inspección de recipientes con un determinado nivel de producto Detección de pequeñas partes metálicas Tipo no-invasivos Este tipo de sensores.
como es el caso de la industria alimenticia.1 Aplicaciones industriales más comunes Se utilizan en procesos industriales con estrictos estándares de producción.2. en la fabricación de productos altamente peligrosos o explosivos.2.2 Características Tabla Nº 7 – Características más generales de un sensor de nivel capacitivo tipo no-invasivo Frecuencia Temperatura de operación Retardo de encendido Repetitividad Voltaje nominal 1 Hz -25 °C a +70°C 1 a 10 segundos ≤2% del rango de distancia fijada 8. en la producción de productos esterilizados de uso médico.5.47 Estos dispositivos tienen la capacidad de realizar medidas en tanques con un espesor de de 5.5. 3. Figura Nº 27– Sensor capacitivo no-invasivo de nivel [10] 3.2 Vdc .5 mm hasta os 10 mm.
lo que es muy práctico cuando el instrumento se encuentra localizado en lugares poco accesibles. aceite Resistente a ácidos. ya que los procesos industriales están sujetos a interferencias de ruido. ácidos alcalinos. como mediciones inapropiadas o poco fiables .48 3. además poseen un ajuste de sensibilidad para algunos procesos que lo requieran. a alcoholes. y esfuerzos mecánicos 3. Tabla Nº 8 –Materiales comunes en la fabricación de sensores capacitivos Material ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene) PA (Polyamide) PBT (Polybutylene Terephthalate) PUR (Polyuretane) PVC (Polyvinylchloride) Recomendación Resistente a impactos. ya que se pueden instalar con gran facilidad en todo tipo de tanques. Algunos fabricantes han mejorado la inmunidad al ruido en sus sensores capacitivos de nivel. a impactos. ciertos modelos permiten que se les pueda adaptar un ajuste remoto. Resistente a la abrasión. alcohol aceite Resistencia a temperaturas elevadas Resistente a la abrasión.5. aceite.4 Principales ventajas Los sensores capacitivos de nivel poseen una extraordinaria versatilidad.3 Materiales más comunes utilizados en la fabricación tanto para los no invasivos como para los invasivos.5. esto ocasiona efectos adversos en los elementos de medida.
3. Básicamente el efecto en estos sensores.6. • Sensores de presión manométrica. b) diferencial [9] . la salida de tensión será ceso.6 Sensores piezoeléctricos para medir presión. de modo que si la entrada de presión esta al aire. en donde el sensor tiene dos entradas de presión y la salida es proporcional a la diferencia de ambas. en donde se mide la presión respecto a la atmosférica. a) manométrica. es la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Figura Nº 28– Sensores de presión.49 3. Estos sensores como su nombre lo indica. se basan en el efecto piezoeléctrico para realizar la detección.1 • Aplicaciones industriales más comunes Control de sistemas hidráulicos o neumáticos a través de un sistema de adquisición de datos. • Caso especial de presión diferencial.
20% de corrimiento ±0.1 Sensores para medir caudal Tubo Venturi El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido.5 %de corrimiento ±0.7 3.20%de corrimiento 1 ms 10 a 16 Vdc 3.6.6. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha.7. En esencia.50 3. así.2 Características Tabla Nº 9 – Características más generales de los sensores de efecto piezoeléctrico Cambio de sensibilidad de 25 °C a 0°C 25°C a 50°C Cambio de sensibilidad a 1 psi Cambio de sensibilidad a 100 psi Repetitividad Histéresis Tiempo de respuesta Alimentación ±10 % en el corrimiento (Span) ±2. de gran precisión. sensibilidad y exactitud. 3. Además de una muy baja dependencia de la temperatura. o garganta. consta de una tubería corta recta.3 Principales ventajas Este tipo de sistema entrega una señal de salida proporcional a la presión muy lineal. entre dos tramos cónicos. al colocar un .0 %de corrimiento ±1.
manómetro ó instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal instantáneo. En el mercado se encuentran opciones para ser instalados ya sea soldados, roscados o bridados, en el rango de ½ a 72 .
Figura Nº 29– Tubo Venturi [2]
3.7.1.1 Características Tabla Nº 10 – Características más generales de los termopares Rango de medición Precisión Temperatura de funcionamiento Perfil de acoplamiento Exactitud Requerimientos Costo 20 a 10000m3/h ±2% 0 a 80 °C Norma ISA 1932 %0.75%Vm No se ve afectado por partículas sólidas o burbujas Elevado
3.7.1.2 Materiales más comunes utilizados en su fabricación El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. 3.7.1.3 Principales ventajas • Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida. • Medición de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería. • El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios. • Facilidad para la medición de flujo de líquidos con sólidos en suspensión.
Medidor de turbina El medidor de caudal tipo turbina, presenta un dispositivo conformado por bobinas
que generan un campo electromagnético en un sector de del dispositivo, en el interior se tiene una turbina, la cual al ser atravesada por el fluido la hace girar y a su vez corta el campo magnético generado por el dispositivo, esta interrupción es interpretada por un circuito y de esta manera se efectúa la medición del caudal.
Se considera que estaos dispositivos deben emplearse solo cuando se trabaje líquidos limpios o sea que no transportes materiales que puedan dañar la turbina interna.
3.7.2.1 Aplicaciones industriales más comunes En la industria es ideal para condiciones de alta temperatura y presión, incluyendo gases, de los cuales se pueden mencionar metano, gas natural, CO2, los criogénicos hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, otros como la gasolina, alcohol y otros muchos derivados dependiendo del fabricante. Además se utiliza para el control de caudal.
3.7.2.2 Características Tabla Nº 11 – Características más generales del medidor de turbina Voltaje de salida Corriente de salida Temperatura de funcionamiento Perfil de acoplamiento Operación de alta presión Precisión Tiempo de respuesta Capacidad de operación típica Perdida de presión a operación continua máxima Temperatura normalizada Señal de salida Estándar 1-5 V ó 1-10V 4 a 20 mA -260 a 537 °C Norma ISA 1932 2,500-lb.ANSI ±5% 10ms 3 a 56.7 m3/h 0.3 bar a 30 m3/h -50°C a +130°C 5 mV para caudal mínimo hasta 500mV para caudal máximo Cuerpo EN1.4404 Hélice EN 1.4416
2.2. . y son preferidos para fluidos de baja viscosidad.7.3 Materiales utilizado en su construcción Carcasa Cono de dirección Rotor Cojinetes radiales del Rotor Ejes Cubierta Bronce o Fierro fundido Termoplástico Termoplástico Termoplástico lubricado Acero inoxidable Termoplástico Figura Nº 30– Medidor de turbina [6] 3.7.4 Principales ventajas Los medidores de turbina están diseñados y fabricados para proveer servició a largo plazo con un mínimo de mantenimiento.54 3. Los medidores de turbina son más pequeños y más ligeros.
55 3.7.3. siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento. . esto es cando un conductor se mueve a través de un campo magnético se genera una fuerza electromotriz en el conductor.7. los cuales detectan el voltaje inducido en el fluido.1 Características Este instrumento se puede dividir en dos secciones • El Tubo de caudal Se compone del propio tubo. el cual se encuentra recubierto de un material no conductor.3 Medidor magnético Este dispositivo emplea el principio del electromagnetismo. Figura Nº 31– Medidor magnético [6] 3. además cuenta con las bobinas generadoras del campo magnético y de los electrodos.
donde es esencial que la pérdida de carga sea pequeña. Convierte la señal de mV a la señal adecuada para los equipos de indicación y de control.56 • El Transmisor Este alimenta eléctricamente a las bobinas con corriente alterna. temperatura y. presión. viscosidad.7. Se fabrican en una gama de tamaños superior a la de cualquier otro tipo de medidor. La señal de salida es. dentro de ciertos límites. Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones. habitualmente. por lo que son adecuados para su instalación en grandes tuberías de suministro de agua.3. lineal.2 Principales ventajas y desventajas • Dentro de las principales ventajas están: No se dan obstrucciones en el flujo. por esto son ampliamente utilizados para medir suspensiones. No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del medidor. • Entre las principales desventajas están: . conductividad eléctrica. No dan lugar a pérdidas de carga. No son prácticamente afectados por variaciones en la densidad. barros y melazas. 3.
1. Esto significa que los líquidos acuosos pueden manejarse adecuadamente.8. de montaje blindado. Para los fines industriales el límite práctico es del orden de 10 / cm. no están concebidos para la intemperie y sus dimensiones son variadas. aunque una longitud igual a cinco veces del diámetro puede ser suficiente.1 Sensores de presencia o proximidad Sensores de presencia inductivos 3.57 El líquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable conductividad eléctrica.8. 3. La energía disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del medidor.8 3. el rango de temperatura ambiente admisible para su correcto funcionamiento se encuentra desde -10°C hasta 70°C. . Comercialmente.1 Características Físicas: Estos sensores pueden ser de tipo de tubo roscado o de cuerpo rectangular. este instrumento requiere un tramo recto inmediatamente antes del punto donde se realiza la medida para cierta exactitud en la medida. Al igual que otras formas de medida. Estos sensores son aplicables para mediciones donde se desee detectar desplazamiento sin que exista contacto o desgaste del dispositivo. lo que no ocurre con los líquidos orgánicos.
2 Aplicaciones industriales comunes Son ampliamente utilizados en la detección del émbolo en un cilindro neumático o hidráulico. 4-11mm.1. Eléctricas: Son aparatos alimentados por corriente continua. comercialmente se les encuentra en rangos de 2-4mm. en un rango de 0-10VCC y/o de 0 a 20mA. • Desventajas de la utilización de sensores de proximidad inductivos: . Detectan sin ninguna necesidad de contacto físico con el objeto.8. 3. su salida es analógica y es proporcional a la distancia. para la medición de la velocidad y para detectar el sentido de rotación. 3. 3-8mm. Son sensores para la detección exclusiva de objetos metálicos.1. en un árbol de levas.58 Su rango de de medida depende del modelo de cada fabricante. el rango puede variar entre 15 y 30 VCC.3 Ventajas y desventajas • Dentro de las principales ventajas están: Presentan una muy buena adaptación a entornos industriales. además se les encuentra ubicados en transportadores metálicos de piezas en una cinta. 1-5mm.8. Consideración de datos de corta duración.
su rango de detección alcanza apenas los 40 mm. 10 mm. Pueden operar en u rango de temperatura de -25°C hasta +70°C. Su alcance nominal depende del modelo de cada fabricante. la diferencia radica en que los blindados son más adecuados para detectar materiales con baja constante dieléctrica. 3. poseen el inconveniente de ser susceptibles a disparos en falso provocados por . cuerpo cilíndrico plástico. Su alcance se puede considerar bastante débil.1 Características Físicas: Pueden ser de cuerpo cilíndrico roscado. Están concebidos para conectarlos a amplificadores–relés externos que transforman el cambio de corriente en una señal de salida binaria. 5mm.8. por lo general presentan un led de color rojo de manera que se pueda visualizar localmente la detección. cuerpo rectangular plástico. lo que imposibilita totalmente utilizarlos para la detección en otro tipo de material no metálico. Esto limita mucho a la hora de instalar el dispositivo. los más generales vienen para 20mm. Los sensores capacitivos pueden ser blindados y no blindados.59 Solo se pueden utilizar para la detección de objetos metálicos.2. ya que puede haber lugares donde no se posea el espacio suficiente para ubicarlo o cumplir la distancia mínima requerida para realizar la edición. Se aplican para detectar sin contacto en materiales tanto conductores como no conductores.2 Sensores de presencia capacitivos 3.8. cuerpo rectangular metálico.
cartón.60 la acumulación de suciedad y humedad en la superficie de medición. . cerámica. Eléctricas: Son aparatos alimentados por corriente continua y algunos funcionan con CA. madera. aceite. su salida es analógica y es proporcional a la distancia. El objeto censado puede ser solido o liquido. El alcance del censado depende de la constante dieléctrica del material. papel.2. Se detecta la masa del objeto. 3. además se tiene que los sensores capacitivos no blindados poseen un rango de medición más elevada que los blindados.2 Aplicaciones industriales comunes • • • • • Detección de objetos aislantes y conductores. un poco de suciedad. plástico.8. otro dato importante es que los sensores no blindados se encuentran dotados de una sonda de compensación que les permite ignorar el agua pulverizada.65 VCC y de 20-250VCA. aceite pulverizado o vapor de agua condensado en el sensor. esto hace que la mejor elección para ambiente polvorientos y húmedos sean los sensores capacitivos no blindados. el rango puede variar entre 15 . Detección de materiales no metálicos como vidrio. polvo. por otro lado los no blindados son más adecuados para discriminar entre materiales con baja y alta constante dieléctrica. agua. • Son adecuados para la detección de materiales harinosos. en un rango de e 4 a 20mA.
líquidos o granulados. Su aplicación se orienta para la detección sin contacto de objetos que reflejan las ondas sonoras. Muy buena adaptación a entornos industriales.4 Medidor ultrasónico Este transductor se basa en el principio de detección por ultrasonido.61 3. este tipo de sensor esta desarrollado de tal manera que los sonidos . básicamente lo que hace es medir el tiempo transcurrido. • Desventajas: Su alcance es débil en comparación con otros tipos de sensores. 3.3 Ventajas y desventajas • Ventajas: Detectan sin contacto físico cualquier objeto. Algunos logran detectar independientemente del tipo de materiales: sólidos.8. cuerpo rectangular plástico. entre la emisión de una onda ultrasónica y la recepción de su eco.8. 3. o del color de los objetos.1 Características Físicas: Cuerpo cilíndrico metálico. Su detección depende de la masa del objeto. donde su salida es proporcional a la distancia de medición.2.8. inclusive donde se trabaje con productos harinosos y en ambientes húmedos. Dado que en las industrias normalmente se presenta cierta cantidad de ruido.4.
La temperatura admisible es de 0 a 70°C. Otro aspecto muy importante. Además se ha de considerar la temperatura de los objetos. pues una deformación de la oscilación de las ondas.62 extraños no tengan efecto sobre la medición realizada. no permite el tratamiento correcto del eco. son las corrientes de aire. únicamente se debe tener muy presente la orientación exacta del detector con respecto a la superficie. esta señal se desplaza en el aire a la velocidad del sonido. dependiendo del material a detectar. . Estos transductores generan una onda ultrasónica pulsada entre 200 y 500Kz. su salida de voltaje esta en el rango de 0V a10V. esto lo realizan mediante un circuito de protección contra los parásitos. algunos fabricantes tienen sistemas de este tipo patentizados. ya que este parámetro influye en el alcance de este tipo de sensores. Se pueden alimentar con un rango de voltaje que puede ser desde 15 VCC hasta 30 VCC. Las superficies calientes no reflejan tan eficientemente el sonido como las superficies frías. las facultades ultrasónicas de reflexión de estas son similares a las de los sólidos. Con respecto a las superficie de líquidos. que se debe tener en cuenta a al ahora de seleccionar un sensor de tipo ultrasónico.
3 Ventajas y desventajas • Ventajas: La detección se lleva a cabo sin ningún contacto físico Permite la posibilidad de detectar materiales frágiles e inclusive con pintura fresca . El ángulo del cono ancho permite una inclinación designada de +-15°. Ellos pueden descubrir una hoja de película de plástico transparente tan fácilmente como una paleta de madera. necesitado por los sensores fotoeléctricos. Éste no es ningún problema para el sensor ultrasónico.4. • Los blancos Desiguales Muchas aplicaciones.8. 3. • Los Ambientes polvorientos Los sensores ultrasónicos no necesitan el ambiente limpio.2 Aplicaciones industriales comunes • Los Blancos transparentes Los sensores ultrasónicos son la mejor opción para los blancos transparentes. El transductor piezoeléctrico sellado de resina opera bien en muchas aplicaciones polvorientas.4. como el descubrimiento de nivelado inclinado o los materiales desiguales.63 3.8. Este sensor ofrece 60° de ángulo de cono sónico.
1. Las especificaciones más comunes que se encuentran para el caso de los termopares están: .9.1 Características de los termopares En el mercado existen diferentes tipos de termopares. Presentan una versatilidad excepcional dado que detectan el objeto indistintamente del color y al mismo alcance. 3. Otro problema que a menudo se presentan en los censores ultrasónicos es su zona ciega. • Desventajas: Puede que algunos de este tipo de instrumento presentes falsas alarmas.9 3. 3.64 Son muy adaptables a entornos industriales. los cuales se distinguen uno de otro debido a los metales con los que se fabrican sus conductores.9. los cuales se encuentran unidos en un extremo y producen un pequeño y único voltaje según la temperatura.1 Sensores de temperatura Termopares Este sensor consiste en la unión de dos materiales.
existen tablas donde se brinda la fuerza electromotriz (fem).65 Tabla Nº 12 – Características más generales de los termopares Robustez Tiempo de respuesta Alimentación Voltaje de salida Distancia Linealidad Reproducibilidad Resolución Buena Muy rápido debido a su tamaño AC y DC En el orden de mV Alrededor de 10 metros Poca Alta Decima de °C Los termopares más difundidos son los de tipo J. para todos estos y los demás termopares. Figura Nº 32– Presentaciones de los Termopares [8] . S y el tipo R. generada por los diferentes tipos de sensores en función de la temperatura. K.
9.4 45 . Tabla Nº 13 – clasificación y rangos de medición de los termopares más comunes [15]. se dividen o se clasifican con respecto a su forma constructiva. lo que los hace sumamente utilizados en la industria. dentro de las metálicas se encuentran las de tipo E.66 Debido a su gran variedad los termopares cubren casi todos los rangos de temperatura. R. K y T. B.2 Clasificación de los termopares Estos dispositivos.7 10. Termopar Tipo B Tipo C Tipo E Tipo J Tipo K Tipo R Tipo S Tipo T Material Platino6%/Rodio-platino30%/rodio Tungsteno 5%/Renio-Tungsteno26%/renio Al pedirCromo – Constantan explicar un sensor se deberá Hierro .7 16 76 55 39 11. y los no metálicos como los tipos S. es importante mencionar que para cada tipo de termopar se encuentran hojas de datos que facilitan y orientan la interpretación del valor obtenido por el dispositivo. 3. básicamente sin son metálicas o no. ya que.Aluminio Platino13%/Rodio-platino Platino10%/Rodio-platino Cobre -Constantan Rangos de medición(°C) Sensibilidad(µV/°C) 38 a1800 0 a 2300 0 a 982 0 a 760 -184 a 1260 0 a 1593 0 a 1538 -184 a 400 7.Constantan Cromo . con el objetivo de abarcar mayores rangos de medición de temperatura.1. J. se fabrican de distintos metales o aleaciones. los más comunes para aplicaciones industriales se muestran en la tabla 11.
los voltajes que proporcionan son bastante bajos. 3. precisión y menos deriva. además con el uso de una adecuada extensión podemos hacer mediciones confiables y precisas hasta 30m de distancia.5 °C y por último presenta rangos de operación no lineales. El único .67 3.1.9. esto puede verse afectado por ruido proveniente de los procesos industriales cercanos a la instalación del dispositivo.2 Termo resistencias PT100 o RTD La termo resistencia PT100 es un termómetro de platino. En aplicaciones industriales donde se requiera detectar temperaturas muy elevadas.3 Aplicaciones industriales. Todo tipo de control de temperatura en los procesos industriales. su rápida respuesta a cambios de temperatura. gran exactitud y poseen un amplio rango para la medición de la temperatura.1.9. 3. por lo que hace trascendental la utilización de las hojas de especificaciones de los fabricantes.5 y 80 µV/°C.9. ampliamente utilizada e la industria por su rango de medición y porque el platino es el material que da la mayor exactitud. su exactitud se limita a una resolución de 0.4 Principales Ventajas y desventajas Los principales atributos que poseen las termocuplas están: su bajo costo. Por otro lado dentro de las desventajas de las termocuplas se tiene su baja sensibilidad que normalmente se encuentra entre 6. los termopares se protegen con vainas de metal y cerámicas. tienen una razonable reproducibilidad.
. este valor depende principalmente del formato que se presente y es cada fabricante que da su valor en las hojas de fabricante. y conforme la temperatura aumenta. 3.9.2. lo que facilita la posible generación de ruido.01°C Con respecto a la velocidad de respuesta. El hilo de platino por lo general se encuentra protegido por una vaina de acero inoxidable.1 Características de las PT100 Tabla Nº 14 – Principales características de una PT100 Linealidad Tiempo de respuesta Rango de medición Voltaje de salida Distancia Sensibilidad Reproducibilidad Resolución Alta Menor a 200ms -200°C a 850 °C En el orden de mV Hasta 30 metros Alta Alta 0. esto ocasiona que se deterioren los cables. Su funcionamiento consiste en un hilo de platino de modo que a 0°C tiene una resistencia de 100 . aumenta también la resistencia.68 inconveniente que se podría presentar es la humedad.
69 Figura Nº 33– Presentaciones de las PT100 [8] 3. Cuando la variación es inversa a la temperatura se habla de un NTC y cuando la variación es directa con la temperatura se conoce como PTC .9. pero con la diferencia que su variación es de tipo exponencial.3 Termistor Los termisores varían su resistencia en función de la temperatura al igual que los RTD.9.2.9.2. su rango de medición es bastante flexible. 3.2 Aplicaciones industriales más comunes Todo tipo de detección de temperatura en los procesos industriales. 3.3 Principales Ventajas En cuanto a las ventajas se observa que es un sensor muy lineal. se puede utilizar un puente Wheatstone de 3 hilos para reducir el error cuando se colocan el sensor y el acondicionador de señal a una distancia considerable uno del otro.
la cual puede resultar de un cambio externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto Joule de una corriente que fluye a través del termistor. Ni. están fabricados de una mezcla de óxidos de Mn.1 Características de los NTC Tabla Nº 15 – Principales características de una resistencia NTC Resistencia Sensibilidad Rango de temperatura y 1M a 25°C 100 /°C Es pequeño. Co.3.3.9.1 Resistencias NTC Son resistencias sensibles a al temperatura. Cu.1.70 Figura Nº 34– Presentaciones de los termisores [8] 3. 3. Presentan un coeficiente negativo con la temperatura.9. Fe y se encuentran amoldados en un cuerpo cerámico de varios tamaños. muy útil para temperatura ambiente 50 .
se pueda realizar la medición por medio de más de un tipo de sensor. es tomar en cuenta la temperatura a la cual va a operar. tomando en cuenta las características de la variable física a medir y del medio donde se va a realizar la medición. 3.2.71 3. La adición de dopantes hace que la componente semiconductora dé una característica de resistencia con respecto a la temperatura.3. su resistencia aumenta.3. con lo que limita el paso de la corriente. ya que como se observo en las características de los sensores. podemos ver que existe al menos un tipo de sensor para cada variable que se desee medir. muchos de estos dispositivos están diseñados para trabajar en rangos específicos de temperatura.9. CAPÍTULO 4: Conclusiones y recomendaciones Después de analizar los principales sensores. ya que cuando aumenta mucho la temperatura. y dada la gran cantidad de instrumentos.9. en varios casos.1 Características de los PTC El cambio de su resistencia con al aumentar la temperatura es muy brusco. aunque son muy poco utilizados. dado que se tiene la posibilidad de escoger el método de medición más adecuado. Operar un dispositivo en un rango de temperatura para el cual no esta especificado. ocasiona errores en la medición y puede . Se utiliza como protección. Un aspecto de gran trascendencia a la hora de seleccionar e instalar un sensor analógico. lo que es sumamente beneficioso.2 Resistencias PTC Las resistencias PTC principalmente están compuestas de bario y estroncio con titanio.
se debe tener presente que el grado de tolerancia que poseen los sensores con respecto a condiciones industriales donde se tiene mucho polvo. existe la norma de protección de equipos llamada IP (ver Apéndice). los sensores resistivos podrían tener problemas. los campos eléctricos y magnéticos. si es de tipo invasivo. por ejemplo IP 65 quiere decir que están protegidos contra agua y polvo en toda dirección. Además se debe tener en cuenta que todo sensor que mida temperatura por contacto. solo puede hacerlo en temperaturas por debajo del punto de fusión. Esta norma establece los grados de protección para equipos electrónicos e indica el tipo de protección presente según la numeración. humedad. pues debido a la fricción interna suelen tener alta carga mecánica. Es importante tener en cuenta la carga mecánica que ejerce el sensor. Para el tipo de protección externa. no . se debe de tener conocimiento previo del proceso a medir. temperatura extrema.72 dañar permanentemente el dispositivo. por lo que se debe verificar si el dispositivo está dotado de inmunidad a este tipo de fenómenos por ejemplo su tipo de carcasa y con esta información determinar los rangos máximos en los que el dispositivo logra mantener sus características de medición estables. las condiciones en las que se va a realizar la medición. los sensores inductivos y capacitivos presentan la menor carga mecánica al proceso y son muy precisos. Con respecto al medio donde se desea instalar el dispositivo. En general se recomienda que para escoger un sensor. tomar en cuenta el tipo de de variable física a medir.
el tipo de alimentación Vcc o Vdc. cuyo procesamiento es entonces más sencillo. las características del medio como la humedad y temperatura. Durante la elaboración del trabajo se observó que el tipo de sensor más difundido en los procesos industriales son los que pueden medir desplazamiento y longitudes. el grado de exactitud. el precio. repetitividad y resolución deseados en el instrumento. el tipo y la magnitud de salida que va a tener el dispositivo. .73 invasivo o sumergible. esto conociendo el equipo de control a utilizar y los estándares para los equipos y por último el grado de inmunidad al ruido. ya que para la mayoría de las variables se puede convertir su magnitud en un desplazamiento. la carga mecánica que representa el sensor para el proceso. vida útil del sensor.
Libros: 1. Mompín Poblet, J. “Transductores y medidores electrónicos”, 2 edición, Marcombo, España, 1983. 2. Creus Sole, A. “Instrumentos Industriales”, 2 edición, Alfaomega, México, 1995. 3. Siemens Aktiengesellchaf, “Técnica de las medidas eléctricas”, 1 edición, Dossant, España, 1975. 4. Pallás Areny, R. “Sensores y acondicionadores de señal”, 3 edición, Marcombo, España, 1998. 5. Ogata, K. “Ingeniería de control moderna”, 4 edición, Prentice Hall, U.S.A, 1999. Páginas web: 6. “Sensor”, http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor
7. Margaix Bayarri, J. “Transductores”, http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/treballs%20cursos%20anteriors-TIMIIN-INYP-AYPD/TRABAJO%20transductores-margaix.pdf 8. “Transductores y sensores en la automatización Industrial”, http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/transductoressensores/de fault.asp
9. “Introducción”, http://www.formazionepn.org/formazioneinternazionale/Download/Didattica/Au tomatizacion%20Procesos%20-%20introduccion1.pdf 10. “Sensores y transductores”, http://eii.unex.es/profesores/pmerchan/API/TEMAS/Tema%208.pdf 11. “Transductores”, http://www.salesianos-sevilla.com/malaga/image/TRANSDUCTORES.pdf 12. Barragán Piña, A. “Sensores y Actuadores”, http://www.eici.ucm.cl/Academicos/lpavesi/archivos/Apuntes/Apuntes%20Arq. %20de%20Comp.%20I/Tema2_Sensores_y_Actuadores.pdf 13. “Transductores, sensores y captadores”, http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ies_sierra_magina/d_tecnologia/bajabl es/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTA DORES.pdf 14. “Efecto Piezoeléctrico ”, http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/piezoelectrico.html 15. Mayné, J “Sensores Acondicionadores y procesadores de Señal ”, www.silica.com
Apéndice 1 Efecto Peltier y el efecto Thompson
Fue Thomas J. Seebeck quien en 1822 descubrió que en dos metales
distintos con dos uniones a diferente temperatura aparece una corriente eléctrica, es decir se convierte la energía térmica en energía eléctrica, en este fenómeno se da que si bien la corriente es dependiente de la resistencia del cable, la fuerza transversal Electromagnética es constante, esto se pudo explicar luego con el efecto Peltier y el efecto Thompson, pues el efecto Seebeck es una combinación de los dos efectos anteriores.
En 1834 Jean C. A. Peltier descubrió el efecto Peltier, que consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales distintos por la que se hace circular corriente. Al invertir el sentido de la corriente se invierte el sentido de flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de la forma y dimensiones de los
conductores, pues depende solamente de la composición de los materiales y de la temperatura de la unión. Curiosamente esta dependencia resulta ser lineal, lo que simplifica aun mas la implementación de estos dispositivos, pues el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión es proporcional a la corriente y no al cuadrado de esta como en los dispositivos con unión con efecto Joule.
descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) describe la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por que el que circula una corriente. esto permite considerar exclusivamente los efectos termoeléctricos reversibles. En otras palabras se absorbe calor cuando el calor y la corriente fluyen en direcciones opuestas. . en este conductor el calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. En el caso de que la corriente empleada sea muy pequeña se pueden despreciar los efectos de calentamiento por efecto Joule. para este caso la energía termoelectromotriz producida debe coincidir con la energía térmica neta transformada. Se absorbe calor al fluir corriente del punto más frío al mas caliente y se libera calor del mas caliente al mas frió.77 El efecto Thompson.
donde se identifica por un código que consiste en las letras IP seguidas por dos dígitos y una letra. como 1 >50 mm espalda o mano.78 Apéndice 2 Norma IP (Índice de Protección) El índice de protección (IP) es un estándar internacional de la Comisión Electrotécnica Internacional 60529. Los dígitos indican la conformidad con las condiciones resumidas en las tablas. contactos accidentales o agua. la cual clasifica el nivel de protección que provee una aplicación eléctrica contra la intrusión de objetos sólidos o polvo. El resultado es el Índice de protección (IP) la explicación a las letras IP es dada la norma CEI 60529. Primer dígito Indica el nivel de protección que provee contra el acceso de elementos peligrosos TablaN° 16.Nomenclatura primer digito Norma IP Protección contra objetos Nivel Efectividad 0 — ninguna protección contra la intromisión de objetos alguna superficie grande del cuerpo. Cuando no hay índice de protección descrito con arreglo a este criterio. el dígito puede ser reemplazado por una letra X. pero no protegido contra la conexión deliberada de alguna parte del cuerpo .
5 mm >2. tornillería. pero es bastante satisfactoria. TablaN° 17. Agua rociada Chorro de agua Potente chorro Agua que cae en cualquier ángulo superior a 60° desde la vertical no causará daños. la intrusión de polvo no esta completamente 5(K) polvo garantizada. El agua chorreada hacia la protección del equipo desde cualquier dirección no tendrá efectos dañinos.79 2 3 4 >12. etc.5 mm >1 mm dedos u objetos similares herramientas.Nomenclatura segundo digito norma IP Nivel 0 1 Protección Contra Sin protección Goteo de agua Detalles — El goteo del agua (en gotas verticales que caen) no causará daños en el equipo. mayoría de los cables. cables gruesos. etc. 2 El goteo vertical del agua no causará daños en el Agua goteando equipo cuando el ángulo que forman es menor de 15° desde su inclinado 15° posición normal. El agua disparada por una boquilla hacia la protección 3 4 5 . protección completa de los contactos 6(K) polvo fino Segundo dígito Protección del equipo contra la intrusión perjudicial de agua. protección completa de los contactos ninguna penetración de polvo.
Sin embargo. El agua de mar/oleaje o disparada potentemente hacia la protección del equipo desde cualquier dirección no tendrá grandes efectos de daño cuantitativo. en ciertos tipos de equipos. .80 de agua 6 Fuertes aguas del equipo desde cualquier dirección no tendrá efectos dañinos. esto puede significar que el agua puede penetrar pero solo en una manera que no produce efectos perjudiciales. Inmersión a más NOTA: normalmente. 7 Inmersión a 1 m 8 No habrá daños para el equipo derivados de su inmersión en agua en condiciones definidas por las especificaciones o el fabricante (a más de 1 m de sumersión). esto significará que el equipo está 1m asilado herméticamente. No tendrá grandes efectos de daño cuantitativo para el equipo su inmersión en agua en condiciones definidas de presión y tiempo (a 1 m de sumersión).
Curva da calibración de un sensor [10] .Resistencia relativa de termistores y resistencias térmicas [1] ANEXO 2 Curva de calibración de un sensor Figura N° 36.81 ANEXOS ANEXO 1 Curva de resistencia relativa Figura N° 35.
82 ANEXO 3 Curva de calibración de un sensor con histéresis Figura N° 37.Curva da calibración de un sensor que posee histéresis [10] .
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