Sensores de Reactancia Variable

Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:

• Efecto de cara mínimo o nulo.
• Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
• 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. En este apartado veremos los sensores capacitivos e inductivos.

• Sensores Capacitivos

Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C). El caso simple es el condensador variable.

• 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 ejemplo, para un condensador de placas planas y paralelas se tiene:
donde ε0 = 8.85 pF/m y εr = ε / ε0

ε es la constante dieléctrica del material y ε0 es la constante dieléctrica del vacío. 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.

• No se puede despreciar el efecto de los bordes.
• El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
• Existen muchas interferencias capacitivas.
• 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 bordes 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.

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.

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.

• 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.

CIRCUITO LINEALIZADOR

Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:

• 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 φ 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:

donde

μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area delas 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 varia 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 la 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
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.

Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.

• Sensores Electromagnéticos.

Basados en ley de Faraday

Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera
una fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:

• Perfil de velocidades simétrico.
• Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
• Electrodo de acero o titanio
• Tubería llena
• Campo magnético continuo o alterno.
• Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.

De efecto Hall

El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.

Tiene como limitación.

• La temperatura cambia la resistencia del material.
• Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,
  

Tiene como ventajas:

• Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
• Inmune a las condiciones ambientales.
• Sin contacto.

Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos, etc.