sensores de reactancia variable y electromagneticos
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UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS – INGENIERIA ELECTROMECANICA
SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL
SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS
Sensores de reactancia variable Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
a. Efecto de carga mínimo o nulo.
b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
c. La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.
Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.
Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C). El caso simple es el condensador variable.
1. Condensador variable Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.
Donde
Pero la capacidad C es función de la geometría del conductor, el material del dieléctrico.Por tanto, con variar la geometría o el dieléctrico se puede usar para medir un fenómeno físico.Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.
a. No se puede despreciar el efecto de los bordes .b. El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.c. Existen muchas interferencias capacitivas.d. Los cables de conexión generan condensadores parásitos.
El efecto de bordes es importante ya que en la ecuación de C se indica que esta está afectada por la distancia entre las placas. Realmente está afectada por la distancia que recorren los electrones desde una placa a la otra. Esto es asumiendo que se desplazan perpendicularmente sobre las placas. Pero en la práctica no es así, y ocurre que en los
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SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑALbordes el desplazamiento es angular, recorriendo una distancia mayor. Esto genera un error.
Esto se corrige utilizando guardas. La guarda consiste en rodear un o de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo. Veamos la figura representativa del fenómeno.
Las interferencias capacitivas consiste en que entre cada conductor existen condensadores parásitos. Una solución en este caso es apantallar el cable para llevar todos los posibles contactos a tierra.
Otro problema mencionado son los cables de conexión. Al apantallar el cable para reducir las interferencias capacitivas, se introduce un nuevo error, si el cable es largo:; Es la aparición de capacidades en paralelo a lo largo del cable.
La linealidad es otro elemento a destacar ya que según sea el parámetro que se tome, podremos obtener una salida directamente proporcional o inversamente proporcional, y por tanto no lineal. Si lo que varía es la distancia d y se mide la admitancia (proporcional a C), la medida sería no lineal. Pero si se mide la impedancia, la medida seria lineal.
El uso de sensores diferenciales permitirá superar esta dificultad.
Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado.
Para resolver en este caso existen tres alternativas:
a. Colocar la electrónica de acondicionamiento.
b. Usar un transformador de impedancia.
c. Medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.
Es indudable que estos sensores tienen ventajas con respecto a sus homólogos resistivos. Algunas de ellas son.
a. Como sensor de desplazamiento tienen un error por carga mecánica casi nulo: sin fricciones, ni histéresis. La fuerza para mover el elemento móvil en un condensador plano es:
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SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑALPara valores reales, la fuerza necesaria para producir un desplazamiento es casi despreciable.
b. Estos sensores tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. C no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura.c. Se puede obtener una alta resolución, al variar bastante la capacidad. Se puede detectar hasta 10 pm de distancia.
Estos sensores se suelen aplicar para medir desplazamientos. Si el desplazamiento es grande o pequeño, se prefiere utilizar d variable. Si el desplazamiento es intermedio (1-10 cm), se prefiere variar el área de acción entre las placas.
Normalmente la capacidad en estos sensores varía de 500 pF a 1 pF, y se trabaja con frecuencias de 10 kHz para que la impedancia sea pequeña.
Algunas aplicaciones de los sensores son.
a. Medida de desplazamientos lineales y angulares.
b. Detector de proximidad.
c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.
Condensador diferencial.
La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF.
Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.
En el caso de que se quiera medir desplazamientos o distancia una configuración típica es
En este caso.
Por lo que,
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Entonces
LO QUE ES LINEAL.En el caso de que lo que se quiera es variar el área con una medida lineal se tiene:
Acondicionamiento de sensores capacitivos
Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz.
Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial.
Para el caso de condensador simple se tiene.
Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:
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Divisor de Tensión
El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.
Para eliminar la tensión fija que aparece en un divisor de tensión se prefiere utilizar un puente de sensores.
Donde
Si ahora se tiene el caso del condensador diferencial veamos que se tiene.
Si se utiliza un divisor de tensión
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Sensores inductivos
Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético.
Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua
Reluctancia variable
Este tipo de sensor se basa en la ley.
donde f es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor. Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI,
por lo que:
Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:
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Donde:
µr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Área de las bobinas.
Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad.
Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varía es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.
Esto sensores tiene los siguientes problemas:
a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.
Por contra tienen las siguientes ventajas:
a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.
Inductancia mutua (LVDT)
Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.
Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida
Sin embargo tiene las siguientes ventajas:
a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d. Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
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f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.
Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.
Cuando estos dispositivos tiene la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT).
Si la medida es angular se denominan RVDT.
Acondicionamiento
Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.
Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente.
Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.