lunes, 2 de febrero de 2009

3. Sensores Electromagnéticos

3.1 Basados en la 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.

3.2 Basados en el 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:

o La temperatura cambia la resistencia del material.

o Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas.

Tiene como ventajas:

o Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.

o Inmune a las condiciones ambientales.

o Sin contacto.

2.2.2 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.

2.2.1 Reluctancia variable

Los sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entrehierros.


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 desventajas:

a.- La humedad los afecta muy poco.

b.- Tiene poca carga mecánica.

c.- Y una alta sensibilidad.

2.2 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 se veran dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

2.1.3 Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia.

Divisor de Tensión:
Un divisor de tensión es una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y un sensor, alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente. Puede darse el caso que el sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos.


En la siguiente figura se puede observar la aplicación de esta interfaz al caso de potenciómetros:



Amplificador de carga:

Un amplificador de carga es un tipo especial de preamplificador que se usa en acelerómetros piezoeléctricos sin circuitos integrados. Su propósito es de convertir la impedancia de salida extremadamente alta del acelerómetro a un valor bajo, adaptado para transmitir la señal de vibración a través de cables a otros instrumentos que la van a procesar. El amplificador de carga es sensible a la cantidad de carga eléctrica generada por el acelerómetro en lugar de al voltaje que genéra el mismo. Ya que la carga es independiente del cable conectado al acelerómetro, la sensibilidad del acelerómetro no varía con la longitud del cable como lo hace cuando se usa un amplificador de voltaje.


Amplificador de transconductancia:

Un amplificador de transconductancia variable (OTA) es un dispositivo electrónico parecido a un amplificador operacional.


Si bien en un amplificador operacional, la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que es proporcional a la tensión de entrada:



Esto se consigue con una alta impedancia de salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la salida. Esto implica que el OTA trabajará con bajas corrientes de salida.

La aplicación práctica más común de estos dispositivos es la de amplificador de ganancia variable controlada por tensión (como control de volumen en equipos de audio). Actualmente, para estas aplicaciones existen C.I. de controles de volumen específicos, controlados por una tensión DC o por una señal digital para adecuar un interfaz de un pulsador o de la señal de un mando a distancia.

2.1.2 Condensador diferencial

Se emplean para medir desplazamientos entre 10-13 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100pF. Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido contrario. Mediante un circuito acondicionador adecuado de la señal de salida, se logra que esta sea lineal, y además hay un aumento de la sensibilidad con respecto al caso de un condensador simple.

Está formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Se ve cómo, a pesar de que C1 y C2 son
no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.


En el caso de que se quiera medir desplazamientos o distancia una configuración típica es:

2.1.1 Condensador variable

Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres variables (constante dielectrica, distancia entre placas y area de placas) cambien de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.

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.

2.1 Sensores Capacitivos

Los sensores de este tipo pueden ser:

a.- Simples (Co +/- C) y
b.- Diferenciales (Co + C , Co – C).


El caso Simple es el condensador variable.

2. 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.

1.8 Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.


Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia.


Los métodos de acondicionamiento se clasifican en:


Puente de Wheatstone:

Es un instrumento eléctrico de medida que se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.



Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (corriente nula por el galvanómetro).

Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro.

De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor.


Amplificadores:

Se denomina amplificador de instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.




Ya que esta estructura es muy típica, algunos fabricantes la ofrecen con redes de resistencias y poder cambiar el valor de la ganancia.

El terminal denominado referencia es accesible en algunas versiones, con el fin de poder desplazar el nivel de tensión de referencia de la salida.

1.7 Higrómetros resistivos (Variables químicas)

Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo.

Esta construcción está ilustrada en la siguiente figura:

A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio está en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente a resistencia entre los terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.


Una curva característica típica de resistencia versus humedad relativa para un higrómetro resistivo se muestra en la figura anterior. Los transductores de higrómetro resistivo no pueden utilizarse en todo el rango de humedades relativas, del 0% a 100%. La mayoría de ellos tienen un limite de operación segura del orden del 90% de HR. Una exposición al aire con una humedad relativa mayoral 90% puede resultar en un exceso de absorción de agua por la película de cloruro de litio, una vez que suceda esto, las características de resistencia de higrómetro son alteradas en forma permanente.

1.6 Fotorresistencias (Variables ópticas)


Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor.

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.


Su símbolo:

1.5 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 la medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.


Asi como 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.

1.4 Termistores (Variables térmicas)

Los sensores resistivos de temperatura o termistores son resistores variables con la temperatura, basados en semiconductores.

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 esa manera.

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.

Se dividen en dos grandes grupos de acuerdo a su coeficiente de temperatura:

- PTC (Positive Temperature Coeficient)
- NTC (Negative Temperature Coeficient)


Los símbolos respectivos se dan en la siguiente figura, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica que se trata de una variación no lineal, con sensibilidad positiva o negativa.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)

También llamada RTD, trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

Rt = Ro * (1 + Alpha * t)

Donde:

  • Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius
  • Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius
  • Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.



El aspecto exterior de las termorresistencias industriales es prácticamente idéntico al de las termocuplas. Se aplican las mismas consideraciones ambientales y de instalación y se debe prestar la misma cantidad de atención a los conceptos de presión , temperatura , ataque químico, abrasión , vibración, porosidad y velocidad de fluido, requiriéndose los mismos tipos de vainas de protección.


1.2 Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Una galga extensométrica es un dispositivo electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica.

Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones de cobre y hierro, platina y silicialista.

Las galgas se pueden aplicar a:
a. Medida de fuerza.
b. Medida de presión.
c. Medida de desplazamientos pequeños.
d. Medida de vibración.


Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja impedancia de salida.

Su principal desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa dependencia.



1.1 Potenciómetros (Variables mecánicas)

Es un resistor al que se le puede variar el valor de su resistencia. De modo que, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

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:

r = Resistividad del material (Wm)

A = Sección transversal

l = Longitud del conductor.

1. Sensores Resistivos

Es una clase de sensores moduladores. Son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir.

Los sensores que se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son seguramente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. Por lo tanto, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. En el caso de los resistores variables con la temperatura, ofrecen también un método de compensación térmica aplicable en los sistemas de medidas de otras magnitudes.


Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas, tal como refleja la siguiente tabla:



Variable a medir

Sensor resistivo

Mecánica

Potenciómetros y galgas extensométricas

Térmica

Termorresistencia y termistores

Magnética

Magnetorresistencia

Optica

Fotorresistencia

Química

Higrómetro resistivo