ESTUDIO DE SENSORES

1. INTRODUCCION

Los procesos industriales son muy variados y abarcan muchos tipos de productos tales como: siderúrgicos, papeles, cerámicas, derivados del petróleo, textiles, alimentos, etc.

En todos estos procesos, es fundamental controlar y mantener constantes algunas variables físicas, tales como la temperatura, la presión, el caudal, el nivel, el pH, la velocidad, etc.

Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas magnitudes en forma más eficiente que un operador humano.

El sistema de control que permite regular las variables debe ser capaz de comparar el valor de la variable con un valor deseado y luego tornar una acción correctiva si existe una desviación, sin que sea necesaria la intervención de un operador.

2. DEFINICIONES

Variables físicas: estados que definen la materia o la energía. Ejemplo: temperatura, presión, caudal, nivel, velocidad, peso, longitud, etc.

Proceso: una serie de pasos continuos o regularmente recurrentes, para alcanzar un resultado predeterminado, como refinar petróleo, tratamiento térmico de metales, manufactura de papel, etc.

Transductor: elemento o dispositivo que transforma una variable en otra utilizable.Ej.: Transductor de presión diferencial capacitivo, termocupla,

etc.

Transmisor: Un transductor que responde a una variable medida y la convierte en una señal de transmisión estandarizado que es una función solamente de la medición. Los 4 tipos típicos son: Neumáticas, Analógicas eléctricas, Digitales eléctricas, Hidráulicas.

Controlador: Un dispositivo o programa que funciona automáticamente para regular una variable.

Elemento actuador: Dispositivo que ajusta al elemento corrector en respuesta a una señal. Ej.: Actuador

La SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) ha definido los términos empleados a través de su norma PMC 20 y son las que se describen a continuación.

1.- Campo de medida (range): conjunto de 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; viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ej.: 100 a 300 grados C.

2.- Alcance (span): es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento de temperatura su valor es de 200 grados C.

3.- Error: es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Si el proceso está en condiciones de régimen permanente se tiene el error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente, debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Esto da lugar al error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento); su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario, de los medios de protección (vainas), etc.

Instrumento Unión Caliente Cabezal

Unión de Referencia

Termopar Hilo de extensión Hilo de extensión (interno)

Diagrama de un sistema pirométrico

4.- Precisión (accuracy): es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos, cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias maneras de expresar la precisión:

TIPOS DE SENSORES

QUÉ ES UN SENSOR: Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

SENSORES DE TEMPERATURA

- Termocuplas

El fenómeno de la termoelectricidad descubierto por Seebeck, es la base del par termoeléctrico o termocupla, dispositivo muy usado en la industria.Este fenómeno se presenta cuando se sueldan en sus dos extremos dos metales distintos formando un circuito cerrado. Al someter ambas soldaduras a temperaturas distintas, se genera en el circuito una fuerza electromotriz que permite la circulación de una corriente. La fuerza electromotriz generada es directamente proporcional a la diferencia de temperatura de ambas uniones.La unión o soldadura que se somete al medio cuya tem-peratura se va a medir, se llama soldadura caliente y la otra soldadura fría o de referencia.

Los extremos libres de la unión o soldadura fría se conectan a un mili voltímetro o a un potenciómetro que mide la fuerza electromotriz y la indica o la registra como equivalente de la temperatura. Además de indicar y registrar, a estos elementos se les puede agregar otros componentes electrónicos, mecánicos o neumáticos para efectuar las variadas funciones de los controles automáticos.

De acuerdo a los requerimientos (de rango de temperatura fundamentalmente), hay varias combinaciones de metales que se usan para construir termocupla. Estas combinaciones deben poseer una buena relación lineal entre la temperatura y la fuerza electromotriz (Fem.), una Fem. Suficientemente alta como para poderla detectar con instrumentos comunes para medir tensión.

Las combinaciones más comunes son:Cobre y Constantan: (60 Cu + 40 Ni) Resisten bien la

corrosión, son muy precisas y se usan para rangos de -185 a +370° C.

Hierro y Constantan: Se usan mucho en atmósferas reductoras donde hay poco oxígeno. Rango entre 0 y + 800° C.

Generalmente las termocuplas van protegidas del medio ambiente por un encapsulado que puede ser cerámico o alguna aleación metálica resistente al medio donde se va a medir temperatura. Si bien es cierto, esto protege a la termocupla, tiene la desventaja de que disminuye su velocidad de respuesta.

Los RTD de platino normalessuministrados por Madison Company proporcionan un cambio de la resistencia proporcional a un cambio de temperatura.

T SerieRTD (Detectores de Temperatura por Resistencia)

Los Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD) de la Serie T de Madison Company se seleccionan por su gran precisión. Utilizados en multitud de procesos, aplicaciones alimentarias y de climatización, estos RTD de aplicación general se ofrecen con una amplia gama de elementos y materiales aislantes que proporcionan al usuario una selección de valores y precisiones. También pueden elegirse el cable conductor, los materiales de la vaina y las terminaciones.

Los RTD de platino de película fina de Madison están disponibles en versiones de 100 o 1.000 ohmios y son adecuados para aplicaciones que precisan un tamaño de envuelta pequeño y una salida lineal. Los RTD de la serie T responden rápidamente a los cambios de temperatura con una precisión de ±0,7°C a 20°C. En función de los requisitos de la aplicación, los materiales de la vaina externa y aislantes determinarán el tiempo de respuesta del conjunto del sensor. Las opciones de terminación y ajuste dependen directamente de las especificaciones de aplicación del cliente.

Las configuraciones típicas son las salidas de tres cables de -40 a 125°C (-40 a 257°F).

Madison Company también puede proporcionar transmisores de interfaz, cable de interconexión y controladores para subsistemas acoplados.

Características:

• Intercambiables sin recalibración sensor a sensor

• Inercia térmica muy pequeña para ofrecer un rápido tiempo de respuesta

• Detección de la temperatura del aire o el líquido

• Fiabilidad demostrada

• Estabilidad a largo plazo

Aplicaciones Habituales:

• Climatización – temperaturas ambiente, de los conductos y del refrigerante

• Control de Procesos – regulación de la temperatura

• Electrodomésticos – temperaturas de cocción y limpieza

Especificaciones:

Tipo de Sensor RTD de platino de película fina

Intervalo de Temperaturas -40° a 125°C (-40° a 257°F)

Precisión de Temperatura ±0,7°C

Resistencia a 0°C 100 o 1000 ohmios

Material de la Vaina Definido por el cliente, en función de la aplicación

Terminación y Conductores Definido por el cliente, en función de la aplicación

Sondas de temperaturas especiales

Si su aplicación requiere una ejecución especial, las características de la sonda requerida, tanto en versión termopar como en sensor resistivo RTD

SENSORES  DE  TEMPERATURA SIN  CONTACTO

V A R I M A T I C

Sensores de Temperatura sin Contacto

Pirómetros

Los pirómetros son aparatos idóneos para realizar mediciones de precisión de temperaturas sin contacto. Gracias a su mecanismo óptico, estos pirómetros son una herramienta segura para medir temperaturas con precisión. Los pirómetros infrarrojos están especialmente indicados para aplicaciones en las que no se pueden utilizar los sensores convencionales. Este es el caso de objetos en movimiento o lugares de medición donde se requiere una medición sin contacto debido a posibles contami- naciones u otras influencias negativas. Encontrará una gran variedad de pirómetros de mano en los enlaces indicados a continuación. Estamos a su disposición para resolver sus dudas sobre los aparatos y encontrar los pirómetros que mejor se adapten a sus necesidades. Los aparatos pueden ser calibrados según la  ISO 9000 (excepto PCE-880 y PCE-888). Si tiene alguna duda con respecto a los pirómetros medidores de temperatura puede llamarnos al número: +34

SENSORES DE PRESION

INTRODUCCION

Los instrumentos industriales de medición de presión son una parte muy importante para las industrias de proceso en general de hoy en día.

Tienen su campo de aplicación que es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones muy altas. Los instrumentos de presión se dividen en tres grupos: Mecánicos, Neumáticos, Electromecánicos Electrónicos.

Los Mecánicos se dividen en dos grupos: Los Elementos primarios de Medida Directa que mide la presión comparándola con la ejercida por un líquido, densidad y altura conocida, el desplazamiento puede indicarse por un sistema de flotador y palanca indicadora y mueve un indicador de una escala.

Los Elementos primarios Elásticos miden la presión cuando en su parte interior tiende a enderezarse y el movimiento transmitido a la aguja indicadora por un sector dentado y un piñón.

Los Elementos Neumáticos, la función de medida queda establecido por su campo de medida del elemento. Utilizara componentes de elementos mecánicos consiste un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elementos de fuelle.

Los Elementos Electromecánicos-Electrónicos, utiliza elementos mecánicos Elásticos combinado con un traductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente.

El Electrónico ocupa los mismos componentes que el Electromecánico su medición ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor, la señal pasa a un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones de proceso.

1.- TUBO DE BOURDON

El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo y el tubo se encuentra cerrado en un extremo.Al aumentar la presión dentro del tubo, este se deforma, y el movimiento se transmite a la aguja indicadora.Empíricamente se halla el tubo adecuado al rango de presión deseado.El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espirar alrededor de un eje común.En el helicoidal se aplica el mismo concepto, pero sólo que en forma de hélice.Con estas características se obtiene una mayor longitud de desplazamiento de la aguja indicadora, favoreciendo su aplicación a sistemas registradores.

2.- Galgas extensométricas ( Strain Gauges)

Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.

Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas figura 3.5 formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los

hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

Figura 3.5 Galga cementada y Galga sin cementar

En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone figura 3.6 y cuando está sin tensión tiene una resistencia e1éctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.

Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.

El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5%

3.- Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos figura 3.8son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titaneo de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente.

Figura 3.8 Transductor piezoeléctrico

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

4.- Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. En la figura 3.1 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

Figura 3.1 Transductor resistivo

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.

Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de,

presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle...) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %

SENSORES DE NIVEL

Principio de Funcionamiento de los Dispositivos de Nivel Ultrasónicos:

Un transductor ultrasónico encarado al aire es estimulado por un transmisor de impulsos y genera una onda de presión que se propaga hasta un objetivo y después se refleja (de forma similar a un altavoz). La onda reflejada es recibida por el mismo transductor, en modo de receptor, y se convierte en una señal eléctrica (como lo haría un micrófono). La señal eléctrica se amplifica y procesa para encontrar el eco reflejado y después se calcula para encontrar la distancia hasta un objetivo determinado. Las distancias al objetivo se convierten linealmente en una corriente de 4-20 mA y, opcionalmente, se envía la información sobre la medición de nivel a un PC, a través de RS232 o RS485, para procesar funciones como diagnóstico, configuración programable y registro de datos.

Estos sensores se basan en el Tiempo de Vuelo (TOF, Time-of-Flight) de una señal ultrasónica

que es emitida y después reflejada por la sustancia u objeto cuya posición quiere ser medida.

Tienen muchas otras aplicaciones, además de la medición de niveles. 

Las variaciones de nivel son rapidísimamente detectadas: La velocidad de una onda de sonido

es de 343 m/s a 20ºC en aire. Dicha velocidad depende de la temperatura, de la presión y de la

humedad.

El Sensor ultrasónico es del tipo continuo.

El siguiente Sensor que se indica es de tipo Puntual.

SENSORES DE CAUDAL