1 interfases y transductores sensores primarios. 2 un sensor primario es un dispositivo que permite...

SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 1

Interfases y Transductores

Sensores Primarios


Sensores Primarios

• Un sensor primario es un dispositivo que permite obtener una señal transducible a partir de la magnitud física a medir.

• Las magnitudes de entrada y de salida son de tipo no eléctrico.


Sensores Bimetálicos

• Un bimetal es una pieza formada por dos láminas de metales con diferente coeficiente de dilatación térmica (α) unidos firmemente.

• Cuando se produce un cambio de temperatura, un metal se dilata más que el otro y el bimetal se curva. La curvatura es función del incremento de temperatura.

• Estos elementos se utilizan ampliamente en todo tipo de sistemas de medida y control en los que interviene la temperatura.

• Generalmente los bimetalitos comerciales poseen un espesor entre 10 μm y 3 mm, para obtener una alta sensibilidad. La temperatura a los cuales son sometidos estos sensores van desde -75ºC a 540ºC. sus formas varían de voladizo, espiran, hélice, etc. Son muy empleados como elementos de control on-off, cortando un flujo de corriente que pasa a través de ellos.


Sensores Bimetálicos

• Si se denomina e al espesor total de la pieza, y αA, αB a los coeficientes de dilatación lineal; el radio de curvatura cuando se pasa de una temperatura T1 a otra T2 esta expresado por:

donde tenemos una variación inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas.

• Si los materiales que componen el sensor son de módulos elásticos y espesores similares (m=1, n=1), la expresión se reduce a:

• Pueden usarse solos o combinados con un sensor de posición.))((3

2

12 TT

er

BA

2

12

22

)1)()((6

)/1)(1()1(3

mTT

mnmmnmer

BA


Sensores de Presión

• La medida de presiones en líquidos o gases es una de las necesidades más frecuentes, particularmente en el control de procesos.

• Manómetros de columna o U: Se compara P con Pref , la diferencia de alturas h entre los dos niveles viene dado por la fórmula donde ρ es la densidad del líquido y g es la aceleración de la gravedad.

• Medida directamente proporcional a la diferencia de presiones.

• Puede emplearse inspección directa o un sensor de nivel.

g

PPh ref


Tubos Bourdon

• El tubo Bourdon (desarrollado por Eugene Bourdon en 1849) consiste en un tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior.

• Si se cierra el tubo por un extremo y se empotra rígidamente el otro, esta tendencia a recuperar la sección circular provoca un desplazamiento del extremo libre.


Diafragma

• Placa circular flexible empotrada que se deforma cuando existe una diferencia de presiones. La medida se obtiene como el desplazamiento que sufre el punto central de la membrana.


Sensores de flujo y caudal

• Flujo: Movimiento de un fluido por un canal o conducto abierto o cerrado.

• Caudal: Cantidad de material, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo.

• Flujo viscoso o laminar: Fluido a lo largo de un conducto recto con paredes lisas y sección transversal uniforme.

• Flujo turbulento: Aparecen remolinos o torbellinos.



• Teorema de Bernouilli: Permite obtener la presión de un fluido en función de la velocidad del mismo relacionando la presión estática con la dinámica según

• siendo p presión estáticaρ densidad del fluidog aceleración de la gravedadz altura geométrica respecto a un nivel de

referenciav velocidad del fluido en el punto consideradoρv2/2 presión dinámica

constante2

2

v

gzp



• Tubo de Pitot: En el caso de un canal abierto el líquido entra en el tubo y sube hasta que se alcanza el equilibrio.

• Delante del tubo se produce un estancamiento velocidad cero



• En una conducción cerrada es necesario conocer la presión estática, no debida al movimiento, y la presión total pt mediante un tubo de Pitot.



• En un conducto de área A1 se estrecha la sección a una de área A2 (garganta) → Tubo de Venturi

• Como el caudal se debe conservar se tiene que,

21

2211

vv

vAvAQ



• Los caudalímetros de obstrucción son los más utilizados. Su funcionamiento se basa en la inserción de un elemento en el canal que provoca una restricción de flujo de área fija o variable. En dicho elemento se produce una caída de presión o una variación del área, respectivamente, que es función del caudal.


Sensores de nivel

• Flotador: Medir el giro producido por un elemento flotante.


Sensores de nivel

• Presión diferencial: Diferencia de presión ΔP entre la superficie del líquido y el fondo del depósito..

• La altura es h, la densidad es ρ y g la gravedad.

g

Ph


Sensores de fuerza y par

• Un método para medir una fuerza (o un par) consiste en medir el efecto de la fuerza sobre un elemento elástico, denominado célula de carga. En las células de carga eléctricas, el efecto es una deformación o desplazamiento. En las células de carga hidráulicas y neumáticas, el efecto es un aumento de la presión de un líquido o un gas respectivamente.

• Al aplicar un esfuerzo mecánico a un elemento elástico inmóvil, éste se deforma hasta que las tensiones generadas por la deformación igualan a las debidas al esfuerzo aplicado. El resultado es un cambio en las dimensiones del elemento proporcional al esfuerzo.


Sensores resistivos

• Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.

• Para la clasificación de los diversos sensores de esta clase se toma como criterio la magnitud física medida.


Potenciómetros

• Los sensores de desplazamiento resistivos son comúnmente llamados potenciómetros. Un potenciómetro es un elemento electromecánico que posee un conductor eléctrico en contacto con una resistencia sobre la cual se desliza, estableciendo una resistencia de acuerdo a la posición o ángulo.


Potenciómetros

• Los potenciómetros, están dividos eléctricamente en dos puntos, establecidos por las escobillas.

• Los potenciómetros idealmente poseen una salida de resistencia que varia linealmente con el desplazamiento de la escobilla sobre la resistencia.


Potenciómetros

• Debido a que la resistencia de un conductor de longitud l, sección A y resistividad ρ viene dada por:

• La resistencia R entre los extremos del potenciómetro y el contacto móvil es:

lA

R

)()1( xlAA

R


Potenciómetros

• Si A y ρ son constantes, la variación de resistencia es proporcional al desplazamiento del cursor.

• Además debe suponerse que la resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido l del cursor y que el contacto es contínuo.

)()1( xlAA

R


Potenciómetros

• Para el análisis se asume que:– La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien

sigue una ley determinada.– El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia

continua (no a saltos) por tanto, la resolución es infinita.– Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su

inductancia y capacitancia deben ser despreciables.– Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es

despreciable, sobre todo para potenciómetros bobinados.– Para valores de Rp altos, la capacitancia parásita puede tener

importancia.– La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto

al medio que lo rodea como al propio auto-calentamiento.– El rozamiento del cursor y su inercia son despreciables.

• Efecto de la temperatura: La temperatura también condiciona la validez de la ecuación. Aparte de vigilar las condiciones ambientales, debe evitarse el auto-calentamiento por potencia disipada.

• Evitar otras perturbaciones como el desgaste del cursor o el resistor, polvo, oxidación, etc.


Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros en los que la resistencia no es una función lineal del desplazamiento del cursor. Se utilizan cuando se quieren conseguir efectos no lineales con el desplazamiento. Por ejemplo:– Logarítmicos– Exponenciales– Cuadráticos

• En la figura se muestra un caso en el que la dependencia del desplazamiento es cuadrática.



• Existen potenciómetros para detectar todo tipo de desplazamientos:– lineales, angulares, etc.

• En la figura se muestra un potenciómetro especial para la medida de inclinaciones. El anillo conductor guía una bola que hace las veces de cursor. La resistencia es proporcional a la inclinación ya que la bola siempre permanece en la posición vertical.



• Existen potenciómetros dobles que permiten determinar la posición de un punto en el plano. Se emplean, por ejemplo, en los joysticks.



• Los potenciómetros se pueden utilizar junto a un tubo Bourdon o bien para medir niveles de líquidos.


Galgas extensométricas

• Las medidas con galgas extensométricas (en inglés strain gages ó strain gauges), se basan en la variación de resistencias que estas experimentan al ser sometidas a una deformación por esfuerzo mecánico. Estas pueden ser fabricadas con materiales conductores o semiconductores. La resistencia eléctrica de un conductor homogéneo depende de su dimensión física y su resistividad, si la resistividad se asume constante, la ecuación siguiente describe la relación entre la deformación y la resistencia eléctrica de la galga extensométrica.

lA

Rcond



• Al someter a un esfuerzo mecánico en dirección longitudinal, varían cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor R.

• La variación que experimenta la resistividad (ρ) de un material como resultado del esfuerzo mecánico aplicado es lo que se conoce como efecto piezoresistivo.

A

dA

l

dld

R

dR



)1(0 KRR

ldlKRR

/galgala deFactor

reposo ena Resistencigalgala dea Resistenci

0



• Las medidas con galgas extensométricas (en inglés strain gages ó strain gauges), se basan en la variación de resistencias que estas experimentan al ser sometidas a una deformación por esfuerzo mecánico. Estas pueden ser fabricadas con materiales conductores o semiconductores. La resistencia eléctrica de un conductor homogéneo depende de su dimensión física y su resistividad, si la resistividad se asume constante, la ecuación siguiente describe la relación entre la deformación y la resistencia eléctrica de la galga extensométrica.

lA

Rcond



• Limitaciones:– No se debe sobrepasar el margen elástico de deformación.– Todo el esfuerzo se debe transmitir a la galga para una

medida correcta. Se debe tener una correcta fijación al elemento a medir la deformación.

– Debe evitarse el calentamiento.



• Medida de deformaciones lineales, torsiones y medida de tensiones.

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