Intro Sensores

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SENSORESAUTOMATIZACION INDUSTRIAL

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09/09/2010 7206 FIUBA 20101

Sensores

Automatización Industrial 72.06FIUBA 2010

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Esquema general del proceso

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Definición

Sensor:“Dispositivo que provee una salida utilizable en respuesta a una cantidad, propiedad o condición física que es medida en forma específica”

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Otras definiciones

Sensor: Dispositivo que detecta un cambio en un estímulo físico y lo transforma en una señal quepuede ser medida o registrada

Transductor:Dispositivo que transfiere energía de un sistemaa otro en la misma o en diferente forma.

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Otras definiciones

Sensor = elemento que produce una señal relacionada con una cantidad medida.

Transductor = elemento que convierte una señal de una forma de energía a otra

Sensor = Transductor que es utilizado para medición (Para nosotros son sinónimos)

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Transferencia

Ninguna medición hecha con un sistema real es perfecta. Siempre existe un error es decir el resultado obtenido es diferente del valor real o verdadero dela magnitud que se mide.

Los resultados de una medición son eventos discretos. La reiteración del proceso de medicióny su recolección en un conjunto de datos permite, por ejemplo a través de un gráfico aproximar el conjunto de eventos discretos por una línea continua.

Entrada (al sensor):

Variable física a medir (temperatura, nivel, caudal, presión, etc.)

Salida (del sensor): Variable (en general eléctrica) que servirá de entrada al PLC (mA, mV, etc)

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Rango: valores máximos y mínimos para las variables de entrada y salida deun sensor. Región dentro de los cuales una magnitud es medida, recibida otransmitida; expresada estableciendo los valores inferior y superior del rango. también llamado Campo de Medida. Por ejemplo para un sensor de temperatura, podría ser: Rango= 100°C a 500°C

Span (Alcance) : diferencia algebraica entre los límites inferior y superior delrango. Del ejemplo anterior, Span= 400°C

Rango y Span

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Exactitud (Accuracy)Exactitud (Accuracy): desviación de la lectura respecto a una entrada conocida. El mayor error esperado entre las señales medida e ideal. Proximidad al valor “real” de lavariable; (valor real – valor medido): se puede expresar de distintas formas

Porcentaje del Span: para una lectura de 200ºC con una exactitud de ±0.5% del SPAN, el valorreal estará comprendido entre 200ºC ± 0.5*400/100 = 200 ± 2ºC, es decir, entre 198 y 202ºC.

Directamente en unidades de la variable medida. Por ejemplo, se tiene ±1°C de exactitud. En cada valor de temperatura leído hay una incertidumbre (error) de ±1°C.

Porcentaje de la lectura real. Para una lectura de 150ºC con una exactitud de ±1% de lalectura la incertidumbre será de ± 1.5ºC. En este caso la exactitud varía en cada puntodel instrumento.

Porcentaje de la lectura a Plena Escala (Full-Scale) del instrumento. Una exactitud de ±0.5%FS en un rango de 100° a 500°C la incertidumbre será de ± 0.5*500/100 = ±2.5°C

Error absoluto: es la diferencia entre el valor medido y el valor real. Error relativo: error absoluto / valor real

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Precisión (Repeatability)Precisión (Fidelidad): variabilidad pequeña o no aleatoria en la variable medida.Suele confundirse con exactitud, pero una medición precisa puede no ser una medición exacta. Si el medidor estáexpuesto a la misma entrada en varias ocasiones y los resultados tienden a permanecer estrechamente juntos,entonces se dice que el instrumento es de alta precisión. La fidelidad implica que tenga simultáneamente unaconformidad en las sucesivas lecturas y un número alto de cifras significativas y es, por tanto, una condiciónnecesaria pero no suficiente para la exactitud.

“Capacidad de un instrumento para repetir una salida cuando mide la misma cantidad en idénticas condiciones “

Calibración: ajuste de la respuesta del sensor de acuerdo a un patrón o standard

Fiabilidad o confiabilidad: Grado o medida de las fallas del sensor. Medida de la probabilidad deque un sensor continúe comportándose dentro de limites especificados de error a lo largo deun tiempo determinado y bajo condiciones especificas.

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Exactitud, precisión y estabilidad

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Otra forma de verlo

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Y otra más

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Error sistemático vs error aleatorio

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Errores aleatorios o accidentales

Generan resultados diferentes en lecturasrepetidas y pueden ser ocasionados por ruido opor variaciones ambientales. Como son aleatorios, a tales errores suelenaplicarse técnicas estadísticas para la reducciónde su efecto (promedios).

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Errores sistemáticos

Estos errores son constantes y ocasionados por características del sistema comola calibración incorrecta, los límites de definición o los efectos de carga en donde elsistema de medición cambia el valor de la magnitud que está midiendo.

Los errores en la técnica que se emplea también pueden generar este tipo deerror. No son remediables por medio de técnicas estadísticas ya que si, porejemplo, un sistema está calibrado de forma incorrecta, cada lectura resultaráafectada y el tomar una gran cantidad de lecturas no resolverá el problema.

Una dificultad mayor relacionada con esta clase de errores es que no se les puededetectar mediante una disparidad en las lecturas obtenidas.

Los errores sistemáticos se pueden reducir por medio de la calibración mejorada ode una mayor atención a la técnica.

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Exactitud vs. precisión

Mala precisión implica mala exactitud Buena precisión no necesariamente significa buena exactitud

Buena exactitud implica buena precisión

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SensibilidadSensibilidad: es la razón de cambio de la magnitud de salida frente a cambios en la magnitud de entrada: s = ∂V/∂x. Por ejemplo 5mV/°C. Puede expresarse en % del Span. s=+/- 0.05% (Span= 400°C), s= 0.5x400/100= +/-0.2 unidades de salida/°C

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LinealidadLinealidad: Máxima desviación comparando la relación entrada /salida y la línea recta másaproximada. Se expresa esta desviación como un porcentaje de la escala total (FS). Ej: Un transductor Voltaje / Presión tiene una linealidad de 8% FS (rango 0-100 psi), es decir8 x 100/100=8 psi. desviación máxima para un voltaje dado.

No linealidades: la desviación de la medida de su valor real, supuesto que la respuestadel sensor es lineal. No-linealidades típicas: saturación, zona muerta e histéresis.

La linealidad refleja si hay o no una relación lineal entre el valor real (magnitud de entrada y el valor medido (magnitud de salida).

La no linealidad es difícil de corregir y, por tanto, es un parámetro importante a considerar.

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Linealidad

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No linealidad

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Zona Muerta (Dead Zone): Es el campo de valores de la entrada que no hace variar lasalida del instrumento. Se establece como porcentaje del Span.Por ejemplo, si la zona muerta es de ±0.1% del Span entonces 0.1x400/100 = ±0.4°C.

Resolución: Es el mínimo valor medible de un cambio en la variable de entrada. Sólo puede ser cambiada por re-diseño. Generalmente es expresada como un porcentajedel span. Por ejemplo, resolución = 0.3°C

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Histéresis

No coincidencia entre las curvas de carga y descarga

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HistéresisHistéresis: Máxima diferencia entre lecturas, para la misma entrada, cuando la variablerecorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto porciento del span de la medida. Ej: Si en un termómetro de rango 0 - 100°C, para el valor de lavariable 40°C el instrumento marca 39.9 al subir la temperatura desde 0, e Indica 40.1 al bajarla temperatura desde 100°C, el valor de histéresis es de : (40.1- 39.9)*100/(100-0) = ±0.2% delSpan = ±0.2°C.

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Offset

El offset -desviación de cero- refleja el valor medido (salida) cuando la entrada del sensor es cero. Genera un error, pero es más fácil de corregir que la no linealidad.

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DerivaDeriva (Drift): variaciones en la señal de salida, que se presentan en un período de tiempodeterminado, mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condicionesambientales. Causas: Variaciones Fuentes de Alimentación, componentes, etc.DERIVA DE CERO : Variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuiblea cualquier causa interna.DERIVA TERMICA DE CERO: Variación en la señal de salida a medida cero, debido a losefectos únicos de la temperatura. La deriva se expresa como porcentaje de la señal de salida aescala total (FS) a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variación de la temperatura. Por ejemplo la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones detemperatura ambiente durante 1 mes fue de 0.2% del alcance(span).

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CalibraciónCalibración: es el proceso de aplicar valores conocidos deuna estímulo (una magnitud de entrada al sensor) para determinar la respuesta del sensor.

Calibración Estática = calibración utilizando una magnitud constanteejemplo: peso aplicado a una balanza

Calibración Dinámica = calibración utilizando una magnitud variable en el tiempoejemplo: Sinusoidal, rampa, escalón.

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Standards

Los Standards definen las unidades y escalas en uso, y permiten la comparación de mediciones realizadas en diferentes lugares y momentos

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Sistema Internacional de Unidades

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Unidades derivadas con nombres especiales

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Transductor pasivo:

Su energía de salida es suministrada completamente o casi completamente por su señal de entrada

Transductor activo:

Tiene una fuente de energía auxiliar que suministra una parte de la energía de salida mientras que la señal de entrada solo aporta una parte insignificante

Sensores activos y pasivos

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Magnitud analógica: representación temporal continua.

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Variable digital (discreta): representación temporal discreta.

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Muestreo de señales analógicas

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Sensor Analógico:Su salida es continua en amplitud y tiempo, reproduciendo la variacióncompleta en todo su rango de la variable a medir.

Sensor Digital (Discreto) :Su salida es una señal discreta (no continua) en tiempo o magnitud. Tipicamente, detectores que permiten determinar presencia o ausencia de un elemento, evento o condición.

Analógico vs discreto

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Tipo de Salida

Electromecánicas:– Relé– Interruptor

Estado sólido o electrónico– Transistor– Triac

Estado sólido o electrónico

tensión: 0-10 VCC, 1-5 VCC, TC J, ETCcorriente: 4-20 mARed o BUS: RS 485, etc

Discretas , On-OFFSi-no

Analógicas