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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.

Informe de Laboratorio Nº 5

Medidor de Nivel SSCZ-5

Medidor de nivel de líquido para aplicaciones domésticas,

comerciales e industriales

Características Generales

• Medición de Nivel de Líquido
• Alta Precisión y Exactitud
• Precio Accesible
• Tensión Nominal de Alimentación: +/- 15V

El medidor de nivel SSCZ-5 se basa en el método de presión diferencial para implementar la medición de la altura de un líquido cualquiera (haciendo una relación matemática) en un tanque abierto o cerrado.

Emplea el sensor de presión 216-6253. A este se conecta un amplificador de instrumentación construido con amplificadores operacionales (opamp’s) LM324. Se utiliza un potenciómetro en paralelo a la alimentación del sensor para ajustar el error de cero, y uno en el amplificador de instrumentación para ajustar la ganancia.

El arreglo antes descrito permite obtener una salida en el rango de 0 – 5V, el cual va al módulo de conversión Analógico/Digital (CAD) de un microcontrolador 16f877A. Acá se realiza la conversión y se procede a la visualización en la pantalla LCD.

Diagrama en Bloques del Sistema

Del Sensor:

Descripción: Transductor (configuración de Puente de Wheastone), presión, piezorresistivo, montaje en PCB, salida compensada, medida diferencial, 0-6.9 kPa.

Diagrama Eléctrico del Sensor


Del Cricuito Acondicionador:

• Amplificador de instrumentación implementado con opamp’s.
• Ganancia teórica: 313.087
• Etapa previa de ajuste del cero.
• Voltajes de offset (LM324): 1.5 mV
• Corrientes de offset: 5nA
• Potenciómetro para el ajuste de ganancia.

Diagrama Eléctrico del Circuito Acondicionador

Del CAD y la Visualización

Se implementó un convertidor AD con una resolución de 10 bits, que viene como un módulo periférico del microcontrolador 16f877. Dicho CAD emplea el método de conversión por aproximaciones sucesivas y presenta un máximo error de cuantización de ½ LSB. Se empleó una pantalla lcd de 16x2, controlada mediante el microcontrolador. La programación del mismo se realizó en lengaje C, y se usó el compilador CCS S, de PIC-C.

Diagrama Electrico de la Conversión y Visualización.

Características Generales del Sistema de Medida

Caracteríticas de Operación


Salida Teórica del Sistema

Curvas Descriptivas del Error

Informe de Laboratorio Nº 4

Acondicionamiento de sensores: ajuste de cero, ganancia y visualización.

Introducción

En el informe de laboratorio nº tres, explicábamos la necesidad de un adecuado acondicionamiento de la señal de salida de un sensor, debido a que era, en la práctica totalidad de los casos, inútil en su estado original. Entre las aplicaciones que requerían el acondicionamiento de dicha señal, mencionamos la transmisión y la visualización de los datos.
En el actual informe presentamos los resultados de la visualización de los resultados en una pantalla lcd. Se mostrarán los respectivos cálculos de errores y se plantearán las conclusiones respectivas.

Objetivos

• Lograr el ajuste del error de cero.
• Lograr el ajuste del error de ganancia.
• Visualizar los resultados en display.

Marco Teórico

Resolución del CAD: es el número de bits que posee la salida del conversor analógico digital. El numero de estados que esta podrá tomar viene dado por: D = 2 ^ N, donde N es la resolución.

Error de cuantización: es el error intrínseco que presenta la conversión analógico digital, y depende del número de bits que este posea. De este modo, a mayor resolución, menor error de cuantización.

Aproximaciones sucesivas: es un modelo de circuito electrónico que permite la obtención de un número digital a partir de (y equivalente a) un voltaje continuo. Es un método de conversión analógico digital.

Descripción del circuito empleado

La representación esquemática del circuito implementado es la siguiente:

Para la práctica se implementó un convertidor AD con una resolución de 10 bits, que viene como un módulo periférico del microcontrolador 16f877, el cual emplea el método de conversión por aproximaciones sucesivas y presenta un máximo error de cuantización de ½ LSB. Se empleó una pantalla lcd de 16x2, controlada mediante el microncontrolador. La programación del mismo se realizó en lengaje C, y se usó el compilador CCS S, de PIC-C.

Procedimiento experimental

Se alimento el circuito y se vació el tanque. Acto seguido se procedió al ajuste del cero, ajustando el potenciómetro de 1M. Acto seguido se tomó un valor como referencia y se empleó la tabla de resultados teóricos presentada en el informe de prelaboratorio para ajustar la ganancia. Finalmente se tomaron las medidas correspondientes (indicadas en la pantalla lcd) a fin de llenar la tabla solicitada en la práctica.

Resultados experimentales

Las medidas obtenidas se expresan en las tablas siguientes.

Medidas Subiendo:

Medidas Bajando:

Cálculo de Errores:

Subiendo:

Bajando:

Usando las medidas que generaron mayor error, construímos las siguientes gráficas:

De esta última sabemos que la ecuación de la recta linealizada viene dada por:

Eclineal = 1.1673x

El error de cero en este caso es nulo, ya que para una medida del 0% de la variable patrón, el sistema arrojó una lectura de 0.000 m. (Ver tablas de medidas)

El error de ganancia viene dado por:

Eganacia = [ (M ideal –M real)/ M ideal ] * 100 = [ (1-1.1673) / 1 ] * 100 = 16.73%

A continuación construimos una tabla de valores de la recta linealizada, para luego compararla con la recta real y hacer el cálculo de error de no linealidad

Error_no_linealidad_max = ( 0.112/ 0.67 ) * 100 = 16.85 %

Con estos datos construimos la gráfica del error de no linealidad:

Análisis de errores

Aunque muy sensible, es posible percibir la mejora con respecto a la experiencia anterior. Todos los errores se vieron minimizados, y en el caso de las lecturas a 0% y 100% de la variable patrón, fueron de precisión y exactitud casi impecables. Esto podría atribuirse a la reducción de la ganancia del amplificador de instrumentación a aproximadamente la mitad del valor original, condición necesaria para la conexión del CAD.

Conclusiones y recomendaciones.

Se recomienda que, en la etapa de acondicionamiento, se reduzca la amplificación tanto como sea posible, esto minimizará los errores que arroja la salida del sensor, obteniéndose así medidas más cercanas a la realidad.
Si se implementa la conversión analógico digital con un microcontrolador, es recomendable – sino necesario – incluir un retardo vía software para la actualización de las conversiones, de lo contrario se hará demasiado rápido y la salida del sistema oscilará, haciéndose ininteligible.

Informe de Pre-Laboratorio Nº 4

Ajuste de cero, ganancia y visualización.


Objetivos

• Lograr el ajuste del error de cero.
• Lograr el ajuste del error de ganancia.
• Visualizar los resultados en display.

Presentación

Es necesario el desarrollo de sistemas que puedan ser ajustados para reducir los errores y representar de forma adecuada los valores medidos.


Actividades de Pre-Laboratorio

A continuación se presenta el diagrama eléctrico de circuito implementado para los ajuste de cero, ganancia y visualización. En el montaje habrá, con toda seguridad, un potenciómetro adicional, el cual se emplea para el ajuste del contraste de la pantalla lcd. Opcionalmente podría existir un cuarto potenciómetro, necesario en caso de que el voltaje de alimentación de los amplificadores operacionales sea distinto del empleado para el sensor.



Dado el rango de valores de entrada para el CAD del Microcontrolador usado (0V - 5V), la ganancia se redujo a 5V cuando la lectura de nivel es máxima.

Tabla de Valores Teóricos

Informe De Laboratorio Nº 4

Acondicionamiento De Sensores

Introducción

La salida de un sensor no puede ser medida directamente para efectos prácticos. Esta debe ser acondicionada a través de un circuito electrónico que permita su posterior visualización y transmisión, entre otros. En la presente práctica se efectuó el acondicionamiento de la señal de salida de un sensor de presión, con miras a una posterior digitalización y visualización. Los resultados de dicha préctica se presentan a continuación.

Objetivos

• Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.
• Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

Fundamento Teórico

En la presente práctica se empleó un amplificador de instrumentación implementado con amplificadores operacionales. La descripción de este circuito, su diagrama, función de transferencia y ecuaciones descriptivas fueron discutidas en el informe de prelaboratorio.

Descripción del Circuito Utilizado

El circuito empleado finalmente se describe a continuación

Nótese que fue implementado el ajuste del cero antes de la etapa de ganancia, a diferencia del circuito expuesto en el informe de prelaboratorio. Las razones para esto se explicarán mas adelante.

Procedimiento Experimental

Se alimento el circuito y se vació el tanque. Acto seguido se procedió al ajuste del cero, ajustando el potenciómetro de 1M, según la configuración proporcionada por el profesor. Acto seguido se tomó un valor como referencia y se empleó la tabla de resultados teóricos presentada en el informe de prelaboratorio para ajustar la ganancia. Finalmente se tomaron las medidas correspondientes, a fin de llenar la tabla solicitada en la práctica.

Resultados Experimentales

Los resultados medidos se presentan en la tabla que sigue:

Cálculo de Errores

A partir de esta última grafica sabemos que la ecuación de la recta linealizada viene dada por:

Eclineal = 1.1685x + 0.014

El Error de cero viene dado por

Ecero = 0 – 0.014 = 0.014

El error de ganancia viene dado por:

Eganacia = [ (M ideal –M real)/ M ideal ] * 100 = [ (1-1.1685) / 1 ] * 100 = 16.85%

A continuación construimos una tabla de valores de la recta linealizada, para luego compararla con la recta real y hacer el cálculo de error de no linealidad

Error_no_linealidad_max = ( 0.116 / 0.67 ) * 100 = 17.313 %

Con estos datos construimos la gráfica del error de no linealidad:

Análisis de errores

Efectuados los cálculos de errores, podemos hacer algunas lecturas. El error de ganancia no es demasiado elevado, pero puede considerarse implementar algún mecanismo que lo minimice. El error de cero es bastante satisfactorio, el desfase que presenta el sistema a este respecto es mínimo. La curva linealizada exhibe un comportamiento bastante cercano al de real, la cual, a su vez, es bastante cercana a la ideal. Sin embargo, es evidente (y de suponerse) que a medida que aumentan los valores medidos, los errores aumentan considerablemente su magnitud.

Conclusiones y recomendaciones

Los amplificadores de instrumentación implementados a base de opamp’s son muy eficientes en el tratamiento de señales de sensores moduladores resistivos, especialmente aquellos con voltajes de salida muy pequeños. Esto se debe a algunas de sus características, tales como altas ganancia e impedancia de entrada.

Sin embargos, ciertos modelos encapsulados no permiten hacer ajustes con respecto a los voltajes y corrientes de offset, típicos de los operacionales reales. Se recomienda entonces implementar el circuito con modelos que sí lo permitan, a fin de obtener mejoras en los errores de ganancia y de cero.

El circuito implementado en la práctica difiere del planteado en el prelaboratorio. Esto se debe a que resulta más efectivo hacer el ajuste del cero antes de entrar en la etapa de ganancia, el procedimiento opuesto es demasiado engorroso. La conexión fue indicada por el profesor, y se obtuvieron excelentes resultados al aplicarla.

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.

Tema III sensores moduladores resistivos

• Sensores resistivos.

Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:

• Potenciómetros (Variables mecánicas)

El potenciómetro es un sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales. Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado. La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija. En Teoría, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

donde:
ρ = Resistividad del material (Ωm)
A = Sección transversal
l = Longitud del conductor.

El problema de este tipo de sensor es:

1. Varía con la temperatura.
2. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.
3. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

Los potenciómetros pueden dar una salida analógica, si la resistencia fija es de carbón, o digital, si la resistencia fija está formada por hilo arrollado. El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos. Por ejemplo:

1. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.
2. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.
3. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.
4. En los casos 1 y 3 se utiliza para generar una señal eléctrica. Mientras que en el caso 2 es el elemento primario.

• Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Se basan en el efecto piezorresistivo ya descrito para el potenciómetro. La diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A. Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños. Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs. deformación se muestra en la siguiente gráfica.

Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y sección transversal A, y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la sección transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo, es decir,

En la zona elástica lineal aplica la ley de Hooke (cambio de longitud por fuerza), es decir:

donde:
E = Constante del material o módulo de Young en Pa
σ = Tensión mecánica o esfuerzo en Pa o Kg/cm2
ε = Deformación unitaria adimensional, normalmente dada en μdeformaciones (10-6 m/m)

Los principales problemas de las galgas son:

1. Cuidar el margen elástico.
2. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.
3. La temperatura altera su valor.

Las galgas se pueden aplicar para la medicion de fuerza, presión, desplazamientos pequeños, vibraciónes entre otros

• Termorresistencias (Variable térmicas)

Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles. El símbolo que la caracteriza es.

El símbolo sin flecha indica que la variación es intrínseca por la característica resistiva, no por manipulación manual. La ecuación característica de las termorresistencia es la siguiente.

Este dispositivo tiene como limitaciones.

• No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.
• El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.
• S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.
• Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares, tal como se verá mas adelante.

Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación, sino que considerando solo el primer término se tiene una excelente aproximación, es decir,

Donde α es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia(normalmente 0 grados). La termorresistencia mas común por su linealidad es la de platino, que se suele denominar.

• Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 Ω a 0° C)
• Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 Ω a 0° C)

• Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera. Su símbolo será:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura. En el caso de una NTC la ecuación característica será

donde:

• B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)
• R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K)

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, mas rápidas y permite hilos de conexión mayores. Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

Los termistores tiene muchas aplicaciones algunos de los cuales son.

• Medida directa de temperatura por variación de corriente.
• Medida de caudal en circuito puente.
• Protección por autocalentamiento.

• Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856

Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición.

Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy).

Tiene las siguientes aplicaciones:

• Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
• Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.

• Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencia o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores. Su símbolo es:

• Higrómetros resistivos (Variables químicas)

El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.

Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su
contenido de humedad.