Tema VI Sensores Digitales

1. CODIFICADORES DE POSICIÓN.

Los codificadores de posición son dispositivos que convierten la variable desplazamiento en un valor "digital" o "casi digital". El nombre de codificador se debe a que en su estructura va implícito un sistema de codificación. Solo veremos los incrementales y los absolutos.

1.1.Codificadores incrementales.

Consta de un dispositivo con poca inercia (un disco, una barra, etc.) que está unido a la pieza cuya posición se desea determinar. Conforme la pieza se mueve, el dispositivo codificador se moverá. Este dispositivo codificador tiene una zona caracterizada por la alternancia de sectores diferenciados: huecos y rellenos, por ejemplo. De tal forma, que un elemento detector pueda ser capaz de "leer" el desplazamiento del codificador, simplemente observando el cambio de esta alternancia. Es muy simple, por lo que puede resultar muy económico.

Por tanto tiene como ventajas:

a. Muy simple.
b. Se requiere de pocos recursos para su implementación.
c. No necesita dispositivos de alta tecnología.

Desventajas

a. La resolución está limitada por el número de marcas alternadas en el dispositivo codificador. En el caso de un disco utilizado como el mostrado en la figura, y utilizado para medir desplazamiento angular, la anchura entre marcas X expresada en función de la resolución (dada por el número de bits "n" sobre la rotación completa de la pieza "2*3.14r", donde "r" es el radio) es:

X= 2*3.14r/2^n

a. Como se requiere de un circuito que "cuente" las alternancias, un fallo eléctrico, ocasionará la pérdida de la información.
b. El circuito puede complicarse ante la necesidad de detectar el sentido de giro de la pieza.

1.2 Codificadores absolutos.

Este tipo de codificador entrega directamente una salida codificada. Cada pista representa un bit de salida, siendo la pista interior la del bit de mayor peso.

Para detectar se suele utilizar los del tipo óptico, los cuales permiten una mejor resolución y son sin contacto.

Con respecto a los codificadores incrementales tienen la ventaja de no perderse la cuenta contra fallos eléctricos, pero tienen la desventaja de ser más complejos.

2. SENSORES AUTORRESONANTES

Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación.

Por tanto requieren un frecuencímetro o contador para medir la frecuencia, o el periodo de la oscilación.

Pueden usarse resonadores armónicos o de relajación.

El problema básico de estos dispositivos es que las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debido a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo; y a los cambios de la masa del cristal por absorción o desorción de contaminantes dentro del encapsulado.

2.1 Basados en resonadores de cuarzo.

a) Termómetros digitales de cuarzo: Los cristales tienen una oscilación que depende de la temperatura

b) Microbalanzas: Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce

2.2 Caudalímetros de vórtices.

La detección de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido permite obtener también una señal de frecuencia variable, pues dependen de la velocidad del fluido.

En el caso de líquidos lo que se hace es introducir dentro del conducto un objeto no aerodinámico: al desprenderse la capa de flujo en contacto con el objeto, aguas debajo de este se forman unos torbellinos o vórtices de Karman.

Se detectan normalmente mediante ultrasonidos cuya intensidad queda mas o menos atenuada. Si este tiene el perfil adecuado, se puede lograr que la frecuencia de los torbellinos sea proporcional a la velocidad del flujo.

3. OTROS METODOS DE DETECCION

Como se mencionó en un principio, los otros métodos de detección se basan en técnicas no descritas en los apartados anteriores, pero, aunque no necesariamente representan sensores digitales, deben ser comentados.

• Basado en uniones semiconductoras.

Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.

Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc. Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.

La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.

a. Termómetros.

Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.

b. Fotodiodos y fototransistores.

La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.

• Basados en ultrasonidos

El ultrasonido es una radiación mecánica de frecuencia superior a la audible (20 kHz).

Tiene las ventajas de ser no invasivo (pues puede penetrar sin romper), fácil de instalar y mantener. Aunque esto último se refiere a equipos terminados.

La aplicación de este tipo de sensores está asociada a lo que se mida: su velocidad, el tiempo de propagación o la atenuación que sufra la señal.

a. Caudalímetro de efecto doppler.

Debe su nombre al efecto Doppler, descubierto por C. Doppler en 1843, y que consisten en el cambio de frecuencia que sufre una radiación, cuando se refleja en un reflector móvil respecto al emisor de la radiación.

La ecuación que describe el fenómeno es:

donde:

fe = frecuencia emitida

fr = frecuencia recibida

v = velocidad del fluido

c = velocidad de propagación de la radiación.

Alfa = ángulo relativo entre la velocidad y la dirección de propagación.

En la figura un ejemplo ilustrativo.

La limitación en este caso es que el reflector debe ser 10 % mayor a la longitud de onda de la radiación. Los reflectores pueden ser las burbujas de aire en el líquido o los sólidos en suspención..

No sirve para fluidos limpios, sin burbujas

b. caudalímetro de tiempo en tránsito.

Este caso es el alternativo al anterior para cuando el fluido es limpio. Para ello se mide el tiempo que tarda la radiación en atravesar el fluido. Este tiempo es proporcional a la velocidad del fluido. Veamos

por lo que

donde C es la velocidad de propagación de la radiación, y V es la velocidad del fluido.

Si la velocidad de la radiación es mucho mayor que V.cos(a) (algo usual), la ecuación anterior se aproxima a:

c. Medidor de nivel

La medición de nivel es muy simple, ya que se puede usar tanto un sensor sumergido o por arriba. En ambos casos, se trabaja con la reflexión ocasionada por el cambio de medio. Luego lo que se tiene que medir es el tiempo que tarda en ir y venir la radiación.

Basado en fibras ópticas.

Se puede decir que este tipo de sensores nace en 1977 y tienen como ventajas.

a. Mayor sensibilidad.
b. Versátiles.
c. Pueden medir múltiples magnitudes físicas y químicas.
d. Tolerante a condiciones difíciles.

El problema básico es que aun resultan costosos.

La estructura general puede describirse como:

Tema V: Sensores Generadores

TEMA V: SENSORES GENERADORES

Se consideran sensores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

En algunos casos: Transductor <=> Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:

• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).
• Fuerzas Electromotrices.
• Vibraciones.
• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.

SENSORES TERMOELECTRICOS:

TERMOPARES EFECTO TERMOELECTRICO

Existen 2 tipos:

a) Reversibles: Efecto Peltier y Efecto Thompson

b) Irreversibles: Efecto Joule

Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica.

Es decir hay una conversión de Energía Térmica a Energía Eléctrica o bien, si se abre el circuito, una fuerza (termo - electromotriz) que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina Termopar La relación entre la fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.

En general SAB no es una constante. Esta depende de la temperatura T y suele crecer al crecer T. Es importante anotar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la ftem no depende de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende solo de la diferencia de temperaturas entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe a los efectos Peltier y Thompson

Efecto Peltier (Jean C. Peltier -1834)

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir si antes una unión se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), es decir, si primero se enfriaba ahora se calienta o viceversa.

Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión. La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier pAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y esta definido por:
El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule. En este el calentamiento depende del cuadrado de la corriente y no cambia al hacerlo su dirección. El efecto Peltier, es también independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente y ello puede ser una fuente de errores.

Efecto Thompson (Lord Kelvin -1854)

Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura No homogénea por el que circule corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente (no a su cuadrado) y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección.A pesar de todas las limitaciones, los termopares son sin duda alguna los transductores de uso más frecuente para medir temperatura:

Ventajas:

· Gran Alcance: -270°C a 3000°C .

· Gran Estabilidad. Alta fiabilidad.

· Mayor exactitud que un RTD.

· Pequeño y mediano tamaño.

· Velocidad de respuesta rápida (ms).

· Robustos.

· Simples.

· Flexibilidad de Utilización.

· Bajo costo.

Tipos de Termopares

En las uniones de termopar interesa tener:

· Resistividad elevada sin requerir mucha masa

· Coeficiente de temperatura débil en la resistividad

· Resistencia a la oxidación a temperaturas altas.

· Linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:

· Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel-;

· Cobre(57)1Niquel(43);

· Níquel(94 )1 Aluminio(2 )-Manganeso(3 )-S ilicio( I) -Alumel-

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que notmalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares mas comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.